主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

煤矿钻进技术与装备专题

来源:煤炭科学技术

随着煤矿开采深度增加、开采范围不断扩大,钻探工程对于防范煤矿瓦斯、水害等事故,促进煤矿安全生产发挥着越来越重要的保障作用。为推动煤矿区钻探工程领域的新理论、新技术、新装备的发展,《煤炭科学技术》联合中国煤炭学会钻探工程专业委员会,继2018年第4期策划刊登“煤矿钻探技术与装备专题”后,于2019年第5期再次推出此专题,并拟于每年度策划刊登一期此专题,集中展示煤矿区钻探技术与装备最新科研成果,促进学术交流与传播。本期专题报道了煤矿井下随钻测量定向钻进技术装备现状与展望、反井钻井工艺与关键技术研究、定向钻进技术在矿井水害防治中的最新研究应用、深部与碎软煤层钻进护孔与孔壁稳定相关研究、煤矿井下自动化钻进装备与关键技术研究进展等内容。

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  • 作者(Author): 郝世俊, 彭旭

    摘要:针对回转钻进施工透巷孔的缺点及前期采用定向钻进工艺透巷精度低的问题,对当前仪器精度进行分析得出最优透巷孔深和钻场布设区域,最优透巷距离为100~400 m,钻场布设区域与巷道的夹角应不小于45°;对长距离高垂距钻孔特性进行了分析,并依据装备性能及施工经验,指出以理论最大安全造斜率75%~80%的经验值作为轨迹设计造斜率,以便为实际施工留有调整余地;详述各孔段钻孔轨迹的影响因素,并指出对应的轨迹控制方法:提出开孔段轨迹控制的目的是保直,提出纠偏段钻孔轨迹主要受钻进参数、地层倾角、装置角、反扭角及轨迹点的位置等5个因素影响,对5个影响因素分别进行详细分析,并提出轨迹控制方法,提出中靶透巷段的轨迹空间姿态要求、轨迹控制要求及控制方法确保透巷、矢量中靶,指出轨迹控制影响因素众多,应综合考虑,根据具体需要适时加以利用,实现因势利导的效果;全面阐述了精准透巷工艺的关键技术和实施方法;实践表明采用该工艺能够确保钻孔轨迹精确中靶、精准透巷,老巷水疏放效果显著。
  • 作者(Author): 刘志强

    摘要:反井是地下井巷工程施工难度最大、风险最高的施工项目,在总结和分析反井钻井过程中导孔钻进和扩孔钻进的工艺流程的基础上,围绕滚刀破岩、钻孔偏斜控制、钻具受力特征、围岩稳定性控制等关键技术问题,凝练了反井钻井工艺中导孔钻进和扩孔钻进2个主要工序中的7项关键技术问题:导孔钻具受力特点及偏斜控制技术;导孔钻进洗井介质的选择及其压力、流量等参数与排渣效果之间的相互关系;导孔钻井过程中钻进参数、洗井介质、地层结构对孔帮稳定性的影响和控制技术;扩孔钻头滚刀破岩方式及滚刀布置分析;刀具作用于岩石压力的确定、压力和推进力之间的协调性、单位体积破岩能耗、刀齿的磨损与矿物成分之间的相关性等扩孔钻进参数对扩孔钻进效率的影响;扩孔过程中地层的蠕变、风化和水化、钻井直径、钻井深度和暴露时间等参数对井帮稳定性的影响及风险判识;扩孔钻进过程中钻杆连接方式、受力特点及疲劳破坏特征分析。同时,给出了由主机系统、钻具系统、冷却降尘系统和辅助系统组成的反井钻井装备及面临的问题;并介绍了反井钻井试验平台研究系统和反井钻井技术、装备和工艺的标准体系,为反井钻井的工程应用、设备制造、关键元部件的标准化提供了理论指导和技术支撑。
  • 作者(Author): 石智军, 姚克, 田宏亮, 李泉新, 姚宁平, 田东庄, 殷新胜, 许超

    摘要:煤矿井下近水平定向钻孔可实现超前、区域、精准灾害防治与瓦斯抽采利用,在煤矿地质保障中发挥着重要作用。系统介绍了国内外煤矿井下随钻测量定向钻进技术发展历程与应用现状,对国内定向钻进装备中的钻机、泥浆泵车、防爆型随钻测量系统、包括中心通缆钻杆、螺杆马达和钻头在内的配套钻具、包括滑动定向钻进和复合定向钻进在内的定向钻进工艺技术与套铣打捞工艺技术等关键技术和装备进行了简要分析和总结,对小体积防爆型随钻测量系统中的有线随钻测量系统、泥浆脉冲无线随钻测量系统、电磁波无线随钻测量系统和地质导向随钻测量系统的功能特点及适用性做了明确的阐述,针对解决提高复杂顶板岩层中定向钻进成孔率、超深孔钻进施工能力和地层适应性等难题,介绍了成套技术与装备在保德煤矿、龙王沟煤矿和顾桥煤矿进行顺煤层超深定向钻孔和复杂顶板高位定向钻孔具有代表性的典型现场应用案例。基于成套技术与装备发展现状和现场应用,展望了煤矿井下随钻测量定向钻进技术与装备的发展方向和趋势,指出装备的自动化、信息化和智能化将成为技术攻关的方向与现场重点需求,高效快速钻进的旋转导向钻进系统和大直径定向钻孔将得到现场实践验证。
  • 作者(Author): 田宏亮, 张阳, 郝世俊, 凡东, 常江华

    摘要:为解决矿山灾害救援通道快速、安全构建钻进技术难题,突破国产装备研制瓶颈,研究复杂地层快速破岩成孔机理及复杂地层快速、精准钻进技术,开发高频冲击条件下钻进信息传输技术,形成地面小直径生命保障孔快速钻进及精准定向技术;开发大直径组合动力反循环钻进高效破岩排渣及安全透巷技术,形成地面大直径救援井高效、精准、安全钻进技术;研究车载钻机控制理论,研制救援车载钻机,钻机最大转矩50 000 N·m,最大提升力1 200 kN,研制安全快速提升装备。通过小直径生命保障孔快速精准钻进技术研究-大直径救援井高效安全钻进技术及装备开发-地面提升救援技术装备研发,形成地面救援通道构建及救援提升技术与装备集成,为矿山灾害应急救援提供技术与装备支撑。
  • 作者(Author): 武善元, 刘磊, 陈军涛, 徐庆国

    摘要:为有效治理我国黄河北煤田开采面临的水害问题,以山东能源临沂矿业集团有限责任公司邱集煤矿定向钻孔注浆治理11煤层灰岩水害为例,结合瞬变电磁和抽水试验结果,分析了11煤层所受顶板四、五灰,底板徐灰、奥灰水害的富水性程度。基于“超前区域治水”、“水源-通道一体化治理”的理念,以及含水层富水不均一的区域特征,提出了梅花式和上、下穿层式的分支钻孔钻进方式,以及井上、下水文观测孔水压实时监控的含水层裂隙精准注浆技术,以此为基础对11煤层首个治理区域顶板含水层施工了S1、S3、S4、S6、S19、S20共6个主孔、25个分支孔,累计进尺12 011 m,累计注浆量104 880 t。结果表明:定向钻孔注浆实施精准控制后,11煤层顶板四、五灰含水层治理区域的富水异常区基本消失,含水层渗透系数降为0.010 4 m/d,观测孔涌水量由注浆前的40~260 m3/h降到5 m3/h以下,使得二水平暗斜井得以顺利掘进,实现了11煤层的成功揭露,为解放6 000万t的煤炭资源提供了安全保障和指导作用,说明梅花式和上下穿层式的分支钻孔钻进方式和井上、下水文观测孔水压实时监控的精准注浆技术,能够有效地填充四、五灰含水层裂隙及隐蔽导水通道,实现分支孔中浆液扩散范围的精准控制,为我国黄河北煤田类似受水害威胁矿井和地面水平定向钻孔的高质量注浆提供了科学的指导。 
  • 作者(Author): 张建国, 王满, 孙矩正

    摘要:针对平顶山矿区深部煤层煤质松软,瓦斯抽采钻孔变形和坍塌现象普遍,瓦斯抽采困难的问题,开展了钻护一体化技术与装备研究。利用有限元软件ANSYS的广义Kelvin蠕变模型,分析了不同时间煤体蠕变对钻孔应力分布的影响规律,得到了软煤钻孔周围最大垂直应力分布范围。蠕变效应造成的平均(取竖直内径与水平内径的平均值)钻孔收缩量约为61%,平均作用周期约为20 d。以上述数值分析为基础,研发了磁吸牙片限位翻转式PDC通管钻头和内附导向衬管式通管钻杆,优选PE管作为护孔管,并在平顶山矿区的首山一矿进行现场试验。试验结果表明:采用深部松软煤层瓦斯抽采钻孔钻护一体化技术后,单孔平均百米瓦斯纯流量由0.003 6 m3/(min·hm)提高至0.010 82 m3/(min·hm),瓦斯抽采效果明显。
  • 作者(Author): 潘小叶

    摘要:为解决通过丢弃钻头或钻穿钻头方法进行贯通或后续施钻的套管钻井工艺存在的问题,设计一种可提式扩孔钻头,配以小直径全断面钻头形成两级切削机构,穿越破碎带后从套管内提出切削机构,使后续深孔钻进作业得以继续。阐述了组成可提式扩孔钻头的3个机构:安装定位机构、切削翼及切削翼展开锁定机构,说明各机构的工作机理;详细介绍可提钻进工艺整个作业流程:可提式扩孔钻头的固定安装、切削翼展开、套管孔段扩孔钻进、下放提钻钻杆、切削翼收拢以及从套管中提取出两级切削机构,介绍了可提式扩孔钻头收拢和展开状态的切换过程;并给出影响可提式扩孔钻头的稳定性、可靠性的关键部件弹簧的设计计算。所设计钻头在煤矿井下进行试用,现场结果表明:切削时,展开的切削翼被牢牢锁定,提取时,切削翼收拢顺畅,且切削能力强、可靠性高,验证了可提式扩孔钻头结构设计及可提钻进工艺的可行性。可提式钻头还可用于井下封孔钻进工艺,具有良好的经济效益。
  • 作者(Author): 张锐, 姚克, 方鹏, 王龙鹏, 陈逢雷, 陈翔, 邵俊杰, 罗鹏平, 王松, 刘祺

    摘要:针对煤矿井下钻机以液压传动、功能实现为主的不足,结合未来钻孔施工“机械化换人,自动化减人”的需求,提出了采用整体式履带布局的自动化井下坑道钻机的设计思路,制定了钻机总体结构与方案,研制了主动钻杆式无卡盘回转器、夹持卸扣装置、自动调角和可控钻进的给进装置、自动加杆装置等关键执行机构,开发了参数监测系统和多功能电液控制系统。在地面进行了实钻试验,单根钻杆从自动加杆到钻进完成耗时约55 s,单根钻杆自动卸杆耗时约50 s,验证了钻机的技术性能,试验结果表明:自动化钻机性能可靠、功能完善、自动化程度高、工人劳动强度低。

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