煤矿钻进技术与装备专题_中国煤炭行业知识服务平台

煤矿钻进技术与装备专题

来源：煤炭科学技术2019年第5期

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。

行业视野: 智能化
类别; 51个
关键词; 44位
专家; 11篇
论文; 10808IP
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基于流固耦合动态模型的煤层钻孔成拱特性研究

作者(Author)：韩颖, 张飞燕, 杨志龙, 董博文

摘要：为探讨煤层钻孔周围是否存在压力拱，构建了基于Hoek-Brown准则的含瓦斯煤流固耦合动态模型，并运用COMSOL软件进行解算，分析了钻孔施工前后孔周煤体主应力及应变能密度分布规律，研究了不同煤体结构煤层孔周煤体位移量及压力拱内边界、厚度的变化特征，并结合孔周煤体塑性区分布规律对煤层钻孔成拱特性进行了探讨。研究结果表明：煤层钻孔顶底部存在压力拱，其拱脚与拱座位于钻孔两侧；压力拱区域内孔周煤体水平位移量变化较为平缓；压力拱内边界及厚度可作为评判钻孔稳定性的指标，两者随地质强度指标GSI值的增大而逐渐减小，即煤体结构越完整、强度越高，压力拱范围越小；当GSI值非常大或非常小时，压力拱效应不明显，甚至趋于消失。

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煤矿井下近水平钻孔大直径套管长距离下放技术

作者(Author)：方俊, 谷拴成, 石智军, 任建喜

摘要：孔口套管封孔是后续钻孔施工与安全保障的基础，大直径套管通过能力、套管孔段轨迹偏斜控制和钻孔排渣效果是影响煤矿井下大直径套管近水平长距离下放成功的关键。为了提高套管近水平长距离下的成功率，建立了大直径套管刚性模型和弹性模型，获得了煤矿井下常用178 mm、146 mm和127 mm套管在弯曲钻孔的通过能力数据；分析了近水平大直径套管孔段排渣困难与易发生偏斜的原因，提出采用大直径螺旋钻杆与内凹式PDC钻头进行保直钻进和高效排渣的技术方案，开发了相关钻具，制定了钻具组合，并分析了保直钻进和高效排渣机理。在赵固一矿进行了现场试验，完成3个钻孔施工，与常规工艺相比，套管孔段施工时间由110班次缩短至21班次，轨迹偏斜仅为0.042°/m，套孔下放成功率达到100%，有效解决了大直径套管近水平长距离下放难题。

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2019年第05期

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煤层底板奥灰水害防治定向钻孔施工关键技术

作者(Author)：李晓龙, 张红强, 郝世俊, 郑玉柱, 赵永哲, 尚荣, 秦艺璞

摘要：基于渭北某矿井煤层底板奥灰水害防治定向钻孔工程，对成孔关键技术进行了研究。研究结果表明：煤层底板以下46 m层位可实现深孔探查；空气钻进工艺可解决孔内排渣不畅及难成孔的问题；通孔钻具可保障套管下至设计深度；利用引导钻头，采用回转钻进工艺可实现深孔下套管；孔内高压注浆、环空静压补浆可确保套管封固质量；滑动定向钻进、回转钻进相结合可提高稳斜段钻进效率；以低于0.5 MPa的钻压在增倾角孔段顺利侧钻开分支；利用不同钻进方法判断含水地质异常体性质；回转钻进方式快速多回次透孔，或大角度定向钻进可穿过易塌孔层位。研究成果为渭北煤田底板奥灰水害防治提供了技术支撑与理论依据。

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2019年第05期

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煤矿井下自动化钻机研发关键技术

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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套管钻进用可提式扩孔钻头设计

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。

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煤矿井下长距离大垂距定向钻进工艺精准透巷技术研究

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。

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深部松软煤层瓦斯抽采钻孔钻护一体化技术研究

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。

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2019年第05期

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黄河北煤田定向钻进精准注浆防治水技术研究

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。

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