煤矿井下水平定向钻进技术与装备的新进展

煤矿井下定向钻进技术作为一项工程领域的新技术,已经广泛应用于煤矿井下瓦斯抽采、防治水、地质勘探和精确工程钻孔施工等领域。经过在国内30多个矿区推广应用,煤矿井下定向钻进技术和装备逐渐完善并取得新进展,形成了ZDY12000LD型大功率定向钻机、无线随钻测量系统、地质导向钻进装置及复合定向钻进工艺。结合现场试验完成了主孔深度1881 m的煤层定向长钻孔和1026 m岩层定向长钻孔,充分说明了ZDY12000LD型钻机功率大、钻进及事故处理能力强,无线随钻测量系统测量精度高,配套复合定向钻进技术形成的钻孔孔壁光滑、沉渣少、钻孔曲率小,钻进效率高。     

15 000 N·m大功率定向钻机关键技术研究

基于本煤层超长距离定向钻孔和顶板高位大直径定向钻孔施工对钻机的实际需求,以及复合定向钻进技术对于钻机的功能配套问题,提出了采用模块化方式对大功率定向钻机进行功能开发的技术思路。针对大功率配套、大能力输出和产品紧凑布局设计存在的矛盾,对15 000 N·m大功率定向钻机的总体布局设计、大能力回转器与托板分析、大开口夹持器设计、动力与液压系统设计、关键部件的模块化设计等关键技术进行研究,并对钻机进行了负载性能测试,钻机的各项性能参数达到设计要求。钻机的设计可有效提高各类瓦斯抽采钻孔施工效率,对于煤矿瓦斯的综合治理和降本增效具有明显作用。      

复杂地层顶板大直径高位定向钻孔试验

针对煤矿地层条件复杂,常规钻进工作量大、单孔深度不足、难以成孔、瓦斯抽采浓度低等诸多问题,开展了煤矿复杂地层中施工顶板大直径高位定向钻孔试验。以东保卫煤矿施工为依据,根据煤层顶板地质实际情况,在36号煤层顶板施工6个?120 mm大孔径顶板高位定向钻孔,其中孔深>300 m钻孔成孔率达到83.3%,最大孔深510 m。利用顶板大直径高位定向钻孔进行瓦斯抽采,其抽采浓度比原有工作面常规瓦斯钻孔抽采浓度增加66.7%,取得显著瓦斯抽采效果。顶板大直径高位定向钻孔的成功应用,为东保卫煤矿以及相似条件矿区推广应用提供了技术支撑。     

煤矿井下水平定向钻进技术研发取得重大突破

2008年4月21日,由煤炭科学研究总院西安研究院承担的国家发改委煤矿瓦斯综合治理与利用关键技术研发和装备研制项目“井下水平长钻孔钻机研制及配套工艺开发”,在淄矿集团陕西彬长亭南煤矿一盘区113工作面1#联络巷的现场工业性试验中成功完成了主孔深度1046m、终孔直径96mm的水平定向瓦斯抽放钻孔,创造了我国煤矿井下瓦斯抽放水平定向钻孔的最高记录,平均钻进效率达到160m／d,在1000m的设计目标位置,钻孔纵向偏差不足1m,横向摆动不超过8m。钻孔施工全部采用国产自主知识产权技术装备,对钻孔轨迹进行全程监测控制,有效保证了钻孔按设计轨迹延伸。     

定向钻进技术与装备在穿层定向长钻孔中的应用

针对硫磺沟煤矿工作面常规施工单孔深度不足、有效孔段短、钻进施工效率低、钻孔孔径小等诸多问题,提出采用窄体式ZDY4000LD（C）型履带钻机、第二代随钻测量系统（YHD2-1000（A）型）等附属定向设备进行穿层定向长钻孔成孔技术,以提高钻孔成孔精度、钻孔深度,增大钻孔孔径等参数,减小煤层因受采动影响,导致工作面瓦斯涌出量增大的问题。现场试验施工了4个大直径穿层定向长钻孔,孔深300 m以上钻孔成孔率达到100%,孔深最深399 m,最大钻孔孔径193 mm,钻进总进尺1581 m,平均孔深395.25 m,钻孔抽采效率显著增加。其中3号钻孔最大抽采混合流量8.3 m³/min,最大抽采纯量1.6 m³/min,瓦斯抽采浓度51%,瓦斯抽采效果显著。     

ZDY25000LDK智能化定向钻进装备关键技术研究

利用顺煤层、顶板高位钻孔抽采煤层气是当前煤矿井下煤层气综合治理最直接、有效的方法。提高定向钻孔钻进速度和起伏变化大、薄厚不均煤层中的钻遇率,降低施工人员劳动强度,提高钻孔事故预防能力,适应煤矿智能化发展需求,满足煤矿井下长距离定向钻孔施工的智能化钻进装备是当前煤矿井下钻探领域亟待解决的重要问题。基于地质导向和旋转导向钻进施工对钻机精确控制的实际需求,以及煤矿智能化发展的迫切需要,提出了基于防爆电液控制技术的煤矿井下长距离定向钻进装备自动化控制和分体紧凑布局设计的集成化解决方案。重点解决总体紧凑布局设计、关键执行部件设计、自动装卸钻杆技术、防爆电液控制技术、大流量泥浆泵单元设计等设计和技术。研制的ZDY25000LDK智能化定向钻进装备,实现了长距离定向钻进施工过程中自动化装卸钻杆控制、智能化定向钻进施工、参数实时监测以及典型故障智能诊断与预警等功能,使定向钻进装备的智能化水平得到全面提升,为旋转导向和地质导向施工,以及“以孔代巷”大直径定向钻孔高效施工提供了可靠装备保障。      

煤矿井下大盘区瓦斯抽采定向钻进技术与装备

以顺煤层超长定向钻孔组覆盖整个工作面,对矿井大盘区瓦斯进行采前预抽是区域瓦斯治理的新模式。从大盘区瓦斯抽采顺煤层超长定向钻孔施工工艺出发,介绍了顺煤层超长定向钻孔成孔的几大关键技术,包括钻孔递进式轨迹延伸技术、复合钻进轨迹控制技术、水力加压减阻钻进技术、正反扭转减阻钻进技术及复合侧钻分支技术等。还介绍了顺煤层超长定向钻孔施工的主要配套装备,包括ZDY15000LD大功率定向钻机、BLY460/13泥浆泵车、YHD3-3000泥浆脉冲测量系统、无缆大通孔钻杆、水力加压螺杆马达等。利用该技术与装备在保德矿二盘区进行了工程示范应用,应用结果表明,该套工艺技术与装备具备施工长度超过3 300 m顺煤层超长定向钻孔能力。最后对瓦斯抽采效果进行了分析,结果显示超长定向钻孔抽采周期长,抽采量高,可以对大盘区瓦斯进行超前综合治理。      

我国煤矿井下复杂地质条件下钻探技术与装备进展

针对我国煤矿井下碎软煤层、坚硬岩层、冲击地压地层、破碎带、水敏性地层等复杂地质条件下钻探技术需求和存在的问题，总结了碎软煤层本煤层钻进与筛管护孔、碎软煤层梳状钻孔定向钻进、复杂顶板高位钻孔定向钻进、全断面硬岩穿层钻进、冲击地压卸压钻进等技术与装备方面的研究和应用情况。提出了碎软煤层双管护孔定向钻进及碎软煤层旋转定向钻进技术与装备的研究思路，有助于提升碎软煤层钻进的钻孔深度、护孔筛管直径和钻进效率等，而碎软煤层定向钻进技术与配套装备的完善也将促进碎软煤层瓦斯抽采模式的变革。防冲防突钻孔机器人的研究是煤矿井下复杂地质条件下钻探技术与装备的发展趋势，可为无人化矿井建设奠定基础；除此之外，还应着力解决好局部复杂地层对钻进的影响，更好地促进智能化钻探技术装备的进步，为煤矿安全高效生产提供保障。      

我国煤矿水平深孔施工设备及技术取得重大突破

20 0 2年 12月 4日至 19日 ,煤炭科学研究总院西安分院利用自行研制的MK - 7型坑道钻机 ,与铜川矿务局合作 ,在该局陈家山煤矿联合开展科技部专项资金项目“坑道大直径水平深孔钻机及定向钻进钻具”的工业性试验。在平均厚度10m的煤层中完成两个钻孔 ,总进尺 16 6 7 5m ,其中一个钻孔孔深 86 5m ,最高时效达到 2 8m h ,开孔倾角 5°,开孔孔径Φ30 0mm ,终孔孔径Φ15 0mm ,是目前我国煤矿井下最深的近水平定向钻孔 ,也是目前我国煤矿最深的全煤层钻孔。两个试验孔于 2 0 0 2年 12月 19日开始连孔抽放 ,混合流量 70m3/min ,平均混合浓度 2 8%…     

煤矿井下复合定向钻进技术研究与应用

针对传动滑动钻进方法施工千米以上长距离定向钻孔遇到的问题,借鉴石油钻井领域先进技术经验,提出煤矿井下近水平复合定向钻进技术,对其高效钻进机理与钻孔轨迹控制原理进行了分析探讨。根据复合定向钻进工艺技术要求,完成了泥浆脉冲无线随钻测量系统选型,完善了复合定向钻进技术装备配套,形成了泥浆脉冲无线随钻测量复合定向钻进工艺,开展了煤矿井下长距离定向钻孔复合定向钻进现场试验,完成一个1 566 m本煤层定向长钻孔。试验结果表明,与传统滑动定向钻进技术相比,在钻进安全性显著提升的基础上,复合定向钻进技术综合钻进效率显著提升,实现了本煤层定向长钻孔的安全高效钻进。      

龙羊峡水电站左岸坝肩尾工超深定向排水孔施工控制技术

龙羊峡水电站左岸坝肩尾工4个孔径130 mm、孔深80 m超深倾斜定向排水孔工程,从坝肩EL2610全部钻通至EL2530排水廊道（2 m×2.5 m)理论设计终孔点。采用瑞典Atlas-A32型潜孔钻机施工。针对该钻机钻具偏垂度3%的困难（同时也验证了其偏垂度3%的科学性）,从技术参数控制和施工工艺控制上克服了潜孔钻施工超深定向孔偏垂度过大的技术“瓶颈”,总结出了瑞典进口Atlas系列潜孔钻机冲击回转钻具施工超深定向孔的技术成果,为国内不同行业同系列Atlas系列钻机施工超深定向孔提供了参考依据。     

煤矿坑道钻机用履带式泥浆泵车及其应用

为实现煤矿坑道钻机钻进时搬迁便捷、作业安全、配套设备高度集成化,研制了煤矿坑道钻机用BLY 260/9型履带式泥浆泵车。泵车采用整体履带式结构,将钻机配套用附属装置集成到有动力、可自主行走的履带平台上。在晋煤集团成庄矿和寺河矿的现场试验表明,泥浆泵车配套坑道钻机尤其是定向钻机,技术方案先进可靠,瓦斯抽采钻孔施工效果良好,为煤矿坑道钻机的设备配置提供了一种有效的解决方法。      

电缆湿接头在小口径定向孔中的应用

小口径地质勘探不断向深部发展,受地层条件、孔内事故和孔斜要求等因素影响,很多钻孔需要定向钻进施工。而小口径钻孔一般采用φ50、60 mm钻具无法满足随钻仪器的下入要求。通过技术攻关及数次现场试验和改进,研制成功了一套小直径电缆湿接头,较好地解决了小通孔钻杆随钻受控定向钻进的关键技术及难点。具体方案为：把测量探管和传输电缆分开,定向测量探管事先与钻具连接,随钻具下放到预定深度,电缆连接信号上接头由钻杆内腔下入,与探管顶部的信号下接头在钻井液中实现电气连接和信号传输,完成定向作业。该方法在国投新集杨村煤矿DF33断层地面探测及注浆工程和莲塘李井田煤炭勘探中进行了试验并成功应用。具有一定的推广应用价值。     

井下?550 mm超大直径煤层孔钻进技术装备及工程应用

为提高“U”型通风工作面采空区瓦斯治理效率、降低瓦斯治理成本,提出采用?550 mm 超大直径钻孔替代横川埋管的技术方案进行采空区瓦斯抽采。针对井下超大直径钻孔技术特点及施工中存在的技术难题,研制了一款最大扭矩 15 000 N·m、最大给进力 700 kN、最大行程 1.3 m 的ZDY15000LP 型煤矿用超大直径螺旋钻进钻机,采用主机和泵站分体式布局,并创新设计了主机、泵站、机械臂、动力头等关键零部件;配套开发了?426 mm 大螺旋钻杆和?550 mm 大直径扩孔钻头,开发了基于“先导孔+二次扩孔”的超大直径钻孔成孔工艺,形成了成套的超大直径钻孔施工技术装备。在山西天地煤业有限公司王坡煤矿 3307 工作面进行了工业性试验,共施工大直径瓦斯抽采钻孔17 个,累计进尺 583 m,施工周期 30 d,综合施工效率提高 20%。试验结果表明:钻机输出扭矩大,整体稳定性好,能够实现跨皮带施工以及快速移位等功能,配套钻具性能可靠,钻进工艺可操作性强,能够满足超大直径煤层成孔需求。研究成果为超大直径煤层钻孔施工提供了技术装备支撑,为地质条和开采条件类似矿井瓦斯治理提供了技术经验。      

顾桥煤矿顶板复杂地层中高位定向钻孔成孔试验

针对顾桥煤矿顶板地层条件复杂,高位定向钻孔难以有效成孔的问题,开展了顾桥煤矿顶板复杂地层中高位定向钻孔成孔试验。根据煤层顶板地层实际情况,制定了注浆加固易碎地层、扩大易碎地层孔段钻孔直径、增大易碎地层孔段钻孔倾角和选用大弯角螺杆马达等具体技术措施,成功在顾桥煤矿施工了7个孔深超过500 m、孔径Φ153 mm的顶板高位大直径定向钻孔,为高位定向钻孔在顾桥煤矿及类似条件矿区推广应用提供了技术保障。      

高位定向长钻孔技术在桃园矿采空区瓦斯治理应用

针对工作面回采后采空区瓦斯易超限问题,采用螺杆马达结合随钻测量技术的定向钻进工艺,在桃园矿1029工作面施工了3个长距离煤层顶板大直径定向钻孔,最大孔深531 m,累计进尺1701 m（含分支孔）,通过精准控制钻孔轨迹,使钻孔沿煤层顶板裂隙带延伸,有效抽采煤层回采后采空区内瓦斯,总结了一套适用于采空区瓦斯治理的高位顶板长钻孔施工方法,保障了煤矿安全高效生产。     

煤层顶板大直径定向钻孔用双级双速PDC钻头设计及应用

大直径定向钻进成孔技术的发展, 为“以孔代巷”技术抽采采空区上隅角瓦斯提供了技术支持。受限于井下设备条件, 常规大直径钻孔主要采用逐级扩孔工艺。然而, 逐级扩孔钻进需要多次提钻、下钻, 辅助时间长、工人劳动强度大。为提高煤层顶板大直径钻孔成孔效率, 开发了双级双速钻进工艺, 该工艺采用螺杆马达与钻机分别驱动一级、二级钻头进行单次双级扩孔钻进, 可大大提高成孔效率。通过分析双级双速钻进工艺特点、拟钻地层岩性等, 从剖面形状、切削齿排布、水路设计以及导向器设计等方面设计了双级双速钻头, 该钻头采用球头螺旋形导向器, 更容易沿既有钻孔轨迹钻进; 采用等切削布齿, 提高破岩效率、降低切削齿不均匀磨损, 进而提高钻头寿命与钻进效率。设计的双级双速钻头进行了现场试验, 试验表明双级双速钻头能够沿先导孔钻进, 较常规逐级扩孔钻头综合效率提高25%以上, 使用后钻头磨损均匀, 满足了双级双速工艺要求, 大大提高了煤层顶板大直径钻孔施工效率。      

中硬煤层瓦斯穿层钻孔无泵式双通道机械掏穴钻头设计与应用

为了解决随钻式掏穴技术钻进中需要配套泥浆泵调节流量以切换钻进、掏穴状态,控制效果不甚理想等问题,开发了无泵式双通道机械掏穴钻头,该钻头配套双通道钻杆及双通道送水器使用,在钻具内形成2套互不连通的水路,环空水路用于冷却钻头携带岩粉进行正常钻进,中心水路用于控制刀翼开合,大大提高了刀翼开合的控制精度,同时无需配套泥浆泵,提高了随钻掏穴技术应用范围。通过钻头结构设计、齿轮齿条计算以及水路结构优化等,提高了钻头可靠性,采用设计的钻头在淮北朱仙庄煤矿进行了现场试验,试验共完成了?120 mm的钻孔101个,施工总进尺2 861.5 m,钻孔平均深度28.3 m,出煤量0.20~0.69 t/m,单孔平均出煤量0.22 t/m。采用双通道造穴技术可将原常规施工?120 mm钻孔直径扩大至4.1倍。试验证明:设计的双通道机械掏穴钻头,能够满足无泵式机械掏穴的需求,大大提高了施工效率。本研究为低透煤层瓦斯抽采增透提供了钻具支撑,为本行业类似掏穴钻孔施工提供了技术方案。