顶板复杂地层高位定向钻孔成孔工艺研究

针对淮南矿区顶板复杂地层条件下大直径高位定向钻孔成孔难度大的问题,结合淮南顾桥矿工业性试验,开展了顶板复杂地层成孔工艺技术研究,形成了顶板复杂地层信息探查技术、爬坡复杂孔段和目标层复杂孔段定向钻进技术、完孔技术等关键工艺技术,并成功实施完成了10个孔径153 mm的顶板大直径高位定向钻孔。抽采试验阶段,试验钻孔标况瓦斯抽采纯流量平均达到11.07 m3/min,平均瓦斯抽采体积分数达到31.39%,与邻近高抽巷瓦斯抽采水平相当,初步实现了"以孔代巷"的目标。研究成果为淮南矿区及类似地质条件矿区瓦斯治理提供了新途径,具有显著的应用和推广价值。      

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。     

高位定向钻孔分层布置与瓦斯抽采效果分析

为了提高顶板高位定向钻孔在采空区及上隅角瓦斯治理的效果,提出了高位定向钻孔分层布孔方案,在曙光煤矿开展现场试验,对不同层位高位定向钻孔瓦斯抽采数据和高位定向钻孔整个瓦斯抽采周期内瓦斯抽采效果分析研究,结果表明高位定向钻孔在整个抽采周期内瓦斯抽采效果总体呈波动状态,中间孔段由于处于顶板裂隙带内,瓦斯抽采效果较稳定,两端孔段由于处于钻孔造斜孔段未进入顶板裂隙带内及受前后钻场钻孔搭接影响,瓦斯抽采效果波动较大。为提高高位定向钻孔瓦斯抽采效果,可采用大角度开孔或大角度螺杆马达造斜以降低造斜孔段长度,并增加相邻两钻场钻孔搭接长度,从而降低两端孔段比例,提高中间孔段比例。     

煤矿井下复杂岩层跟管定向钻进技术研究

为了解决煤矿井下复杂岩层破碎定向钻进出现孔壁坍塌而成孔难题,创新发明出复杂岩层跟管定向钻进技术护住复杂破碎孔段。该技术先采用中心定向钻具外跟套管穿过复杂地层,然后提出中心定向钻具利用外部套管护住复杂岩层孔段,最后在外部套管内下入下一级定向钻具施工。本文通过开展跟管定向钻具设计、跟管定向钻进工艺研究,并将该技术应用于淮北某矿高位定向钻孔试验。试验中该技术成功护住了由2层煤线、1层泥岩组成的103.5 m复杂岩层孔段,最终定向钻进成孔孔深530 m。试验表明,本技术可有效护住复杂地层孔段,提高复杂岩层定向钻孔深度和保护抽采通道。     

顾桥矿顶板定向长钻孔爬升段施工工艺试验

为解决顾桥矿顶板大直径高位定向钻孔爬升段成孔难度大的问题,先后进行了注浆加固钻孔、异型钻具组合透孔和大级差钻具组合扩孔等成孔工艺方法试验。根据现场施工情况,采用大级差钻具组合工艺成功施工了14个孔深500 m以上煤层顶板高位定向长钻孔。结果表明,大级差扩孔工艺可以有效解决爬升段穿越复杂地层成孔难题。指出了大级差扩孔工艺施工注意事项,形成了一套具有推广价值的相关工艺方法。      

顶板高位定向钻孔在青龙煤矿瓦斯治理中的应用

顶板高位定向钻孔是进行上隅角瓦斯治理的关键技术措施。针对青龙煤矿顶板裂隙瓦斯治理需要及复杂顶板高位定向钻孔成孔难题,阐述了顶板高位定向钻孔的技术原理和技术优势;基于“三带”理论综合确定了高位定向钻孔的层位,并优化钻具组合和钻进工艺参数。在青龙煤矿11615工作面完成5个顶板高位定向钻孔的施工,最大孔深达到612 m,单孔最大瓦斯纯流量达到2.79 m3/min,瓦斯浓度达到23.4%,有效地保证了工作面的安全回采。     

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。      

顶板高位大直径水平长钻孔配套钻具研制

针对煤矿井下顶板高位大直径水平定向长钻孔施工中常规钻杆出现粘扣、弯曲、断裂等问题,分析了钻杆柱的工作状态,建立了顶板高位大直径长钻孔钻杆柱受力模型和有限元分析模型,明确了钻杆失效的主要原因,通过优化螺纹牙型和接头连接形式,研制了φ73 mm高韧性高强度钻杆,解决了定向钻孔扩孔钻进时钻杆断裂、粘扣等问题,满足了顶板高位大直径定向长钻孔的施工要求。     

定向钻进工艺技术在探查疏放灰岩水中的应用

顾北煤矿A组煤受到灰岩水害严重威胁。采用顺层定向长钻孔工艺技术对工作面底板灰岩含水层进行探查,依据地层特征,对定向钻孔套管孔段、回转钻进孔段、定向造斜孔段、定向稳斜孔段的施工方法及关键技术进行分析研究,并选取13321工作面及13121工作面实施定向探查钻孔进行实践验证。结果表明,定向长钻孔技术实现了对工作面底板含水层全覆盖探查,目标层钻遇率高,一次性探放距离远,减少常规钻孔工程量,经济效益显著。该技术的成功实施解决了顾北煤矿区水害探查难题。     

ZDY12000LD大功率定向钻机装备研发及应用

针对常规定向钻机不能完全满足长距离回采工作面瓦斯预抽钻孔和顶底板岩层大直径钻孔施工需求所存在的主要问题,分析了研制煤矿井下大功率定向钻机装备和配套定向钻进工艺方法的必要性,提出了成套钻机装备钻车和泵车两体式布局及配套复合定向钻进工艺的技术思路,重点解决总体布局及关键部件设计、复合定向钻进用多功能逻辑保护液压系统和大流量泥浆泵车设计等关键技术问题。在煤矿井下实际生产应用中取得了本煤层孔径Φ120 mm深度1 881 m顺层定向长钻孔和孔径Φ153 mm深度1 026 m顶板岩层定向长钻孔的创造性成果,并探讨了ZDY12000LD大功率定向钻机装备在顶板大直径定向长钻孔替代高抽巷和配套无线随钻测量系统技术方面的应用前景。      

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。     

煤层顶板砂岩水定向钻孔预疏放效果检验

煤矿井下定向钻进技术具有钻孔轨迹可精确控制、有效距离长、一孔多用等优点。针对唐家会矿顶板水害,采用定向长钻孔进行预疏放,通过首采工作面的疏放水实践以及穿层钻孔检验,顶板水疏放效果明显,为工作面掘进和回采提供了安全保障。     

矿用电磁随钻伽马测井仪标定与试验

为有效识别煤层及其顶底板,针对煤矿定向钻孔施工需求,开发了矿用电磁随钻伽马测井仪。通过自然伽马测井刻度获得仪器刻度系数,采用标准井测试及煤矿井下穿层孔试验,获得矿用电磁随钻伽马测井仪多种测量曲线。通过与标准井伽马曲线对比及穿层孔地质资料分析,验证了矿用电磁随钻伽马测井仪测量结果的准确性。山西伯方煤矿井下应用试验表明,矿用电磁随钻伽马测井仪在定向钻孔施工中不仅能进行钻孔轨迹测量同时可有效识别煤层顶底板界面,对于指导煤矿井下定向钻孔施工、提高目的层钻遇率具有重要意义。      

煤矿井下3 000 m顺煤层定向钻孔钻进关键技术

保德煤矿大盘区工作面采前瓦斯超前治理模式要求井下定向长钻孔能够沿煤层钻进3 000 m以上,针对现有技术装备在超长定向钻孔施工中存在滑动钻进困难、进水水路压耗大、有线随钻测量信号传输距离受限、冲洗液无法循环利用等问题,开发了煤矿井下基于螺杆马达水力加压和超长钻具正反扭转给进的滑动钻进减阻工艺、基于回转钻进倾角控制和侧钻分支的复合钻进轨迹控制技术,设计了低压耗进水水路系统、泥浆脉冲无线随钻测量系统和冲洗液净化循环系统,结合保德煤矿生产需要,完成了主孔深度3 353 m、孔径120 mm的顺煤层超长贯通定向孔。钻进效果表明:滑动钻进减阻工艺有效降低了给进力,显著提高了深孔滑动定向钻进能力;基于复合钻进的轨迹控制技术,保证了钻孔轨迹沿煤层定向延伸,并提高了钻进能力和钻进效率;泥浆脉冲无线随钻测量信号长距离传输稳定可靠,克服了有线随钻测量信号传输的局限性;井下冲洗液净化循环系统净化效果良好,实现了井下定向钻进冲洗液循环利用。研究成果对支撑煤矿大区域瓦斯超前治理、以孔代巷工程、水害防治及地质勘探等技术进步具有重要意义。      

贵州青龙煤矿碎软煤层区域瓦斯递进式抽采技术

针对碎软煤层瓦斯抽采钻孔存在轨迹不可控、成孔深度浅和瓦斯抽采效果差的问题,分析了现有瓦斯抽采钻孔回转钻进技术瓶颈,集成了基于长距离顺层钻进技术和双动力复合排渣技术的压风定向钻进技术,在此基础上提出了利用压风定向钻进技术,开展碎软煤层区域递进式瓦斯抽采技术。选取黔北煤田中部青龙煤矿21606运输巷道进行现场试验,在坚固性系数为0.37碎软煤层中,施工完成253个顺煤层压风定向钻孔,95%钻孔达到设计孔深,累计进尺超过3万m,单孔瓦斯抽采纯量是普通回转钻孔的10倍以上,单孔瓦斯抽采甲烷体积分数提高约50%以上。试验表明,采用压风定向钻进技术钻进碎软煤层钻孔轨迹可控,成孔率在95%以上,区域递进式瓦斯抽采技术具有无抽采盲区的显著优势,有效缓解了采掘接替紧张局面,提升了矿井瓦斯治理技术水平,为碎软煤层瓦斯治理提供了新的技术途径。      

韩城矿区碎软煤层顶板梳状孔水力压裂瓦斯抽采工程实践

韩城矿区碎软煤层发育,煤层透气性差,本煤层钻孔钻进困难,瓦斯抽采效果差。顶板梳状孔水力压裂技术结合了水力压裂技术和定向钻进技术二者的优势,是解决碎软低渗煤层瓦斯抽采难题的有效技术途径。在韩城矿区王峰煤矿3号煤层顶板粉砂岩中施工长钻孔并向煤层开分支,采用套管+封隔器座封的整体压裂方式进行水力压裂工程试验。钻孔总长度344 m,有效压裂长度284 m,累计注水量874.79 m3,最大泵注压力9.4 MPa。试验结束后对钻孔瓦斯抽采相关参数连续监测86 d,钻孔瓦斯抽采体积分数27%~51%,平均42.11%,钻孔瓦斯抽采纯量8.25~21.41 m3/min,平均17.02 m3/min,钻孔累计抽采瓦斯量约210万m3。与常规的穿层钻孔水力冲孔技术相比,该技术百米钻孔瓦斯抽采量提高了11.48倍,初步证明了该技术在碎软煤层瓦斯强化抽采领域的适用性。      

煤矿井下长钻孔分段水力压裂技术研究进展及发展趋势

“十三五”以来,围绕“我国煤矿井下煤层区域增透瓦斯高效抽采和坚硬顶板岩层弱化区域治理”两大难题,将定向长钻孔与分段压裂技术结合,通过技术攻关与装备研发及工程试验,在煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂技术和装备研发及工程示范应用等方面均取得了明显进展。主要表现在如下4个方面:(1)开发了适合于煤矿井下煤岩层裸眼定向长钻孔不动管柱和动管柱两种分段水力压裂工艺技术与工具,不动管柱分段压裂工程应用钻孔长度突破了500 m,单孔压裂实现了5段;动管柱分段压裂钻孔长度工程应用突破了800 m,单孔压裂实现了17段。(2)研发了煤矿井下低压端加砂压裂泵组和高压端加砂压裂装置,低压端加砂泵组压力达到了70 MPa,排量达到90 m3/h,携砂比达到20%;高压端加砂压裂装备耐压能力达到55 MPa,一次连续加砂压裂的砂量达到750 kg;低压端和高压端加砂装备均在现场进行了工程应用,应用结果表明装备均具有较好携砂压裂能力。(3)建立了碎软煤层围岩分段压裂和硬煤顺层钻孔分段压裂区域增透瓦斯高效抽采技术模式,前者在山西阳泉矿区和陕西韩城矿区应用钻孔瓦斯抽采纯量均值分别达到了2 811 m3/d和1 559 m3/d,后者在陕西彬长矿区应用钻孔瓦斯抽采纯量达到了2 491 m3/d。(4)探索出了坚硬顶板强矿压煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂主动超前区域弱化治理的新模式,工程应用钻孔长度突破了800 m,坚硬顶板分段水力压裂治理后,顶板来压步距、动载系数和最高压力值较未压裂区分别下降了18.9%~70.6%,5.8%~7.9%,13.7%~19.4%,有效治理了工作面坚硬顶板引起的强矿压灾害。随着煤矿井下分段水力压裂技术改进和煤矿智能开采发展的实际需要,提出了煤矿井下大排量高压力智能压裂泵组、井下长钻孔裸眼分段压裂智能工具等装备和煤矿井?地联合分段水力压裂技术研发方向,以更好地推动煤矿井下水力压裂技术与装备发展,为煤矿安全高效绿色智能开采提供技术和装备支撑。