《煤田地质与勘探》“定向钻进技术、装备及应用”虚拟专题

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《煤田地质与勘探》“定向钻进技术、装备及应用”虚拟专题

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定向钻进技术作为现代钻探领域的重要技术手段，正以其高效、精准的特点，在资源勘探、能源开发、地质灾害防治等诸多领域发挥了重要作用。本期虚拟专题聚焦定向钻进技术及其应用，旨在汇聚前沿科技成果，促进学术交流和技术进步。

行业视野: 采矿
类别; 81个
关键词; 83位
专家; 18篇
论文; 3962IP
点击量; 1795次
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煤矿井下定向钻孔轨迹模型预测控制方法

作者(Author)：李浩, 姚宁平, 陆承达, 张金宝, 魏宏超, 吴加俊, 李金宇

摘要：目的针对煤矿井下复杂地层定向钻进过程中存在的实钻轨迹控制难度大、与设计轨迹偏差较大的问题，提出了基于模型预测控制(model predictive control，MPC)的定向钻孔轨迹跟踪控制方法。方法以螺杆钻具定向钻进过程为研究对象，在分析煤矿井下复杂地层条件下定向钻进特性的基础上，研究定向钻具的运动规律，采用运动学理论建立滑动定向钻进的钻孔轨迹延伸模型，并用泰勒级数展开方式对模型进行线性化处理，以消除钻孔倾角与方位角等状态量之间的耦合关系，在此基础上构建钻孔轨迹预测模型和以最小轨迹偏差作为控制目标的目标函数，采用反馈校正方法解决预测模型的稳态误差问题，并设计具有预测模型、滚动优化、反馈校正功能的模型预测控制器，得到钻孔轨迹最优控制量的推荐−工具面向角，最终实现定向钻孔轨迹跟踪优化控制。最后，利用陕西韩城某煤矿钻孔实钻数据，对控制算法进行了验证。结果和结论结果表明，线性化处理后的钻孔轨迹延伸模型有效保留了原有模型的特征，并简化了控制器的设计过程。改进后的定向钻孔轨迹反馈校正模型预测控制方法克服了模型适配和稳态误差的影响，相比于基于螺杆钻具造斜规律的人工经验控制决策方法，倾角平均绝对误差和方位角平均绝对误差分别降低79.5%和70.5%，为复杂地层定向钻孔轨迹控制提供了一种新的控制算法。

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煤田地质与勘探

2025年第02期

33

1
定向长钻孔瓦斯抽采负压变化规律及监测控制技术研究进展

作者(Author)：李泉新, 程卓尔, 方俊, 牟全斌, 刘飞, 丛琳

摘要：意义近水平定向长钻孔是煤矿瓦斯灾害防治的重要技术途径和有效手段，负压是影响定向长钻孔瓦斯抽采效果的重要因素。进展从孔内负压衰减机制与分布规律、瓦斯抽采参数监测技术、瓦斯抽采智能调控系统等3个方面系统总结了近水平定向长钻孔瓦斯抽采技术研究进展，其中在孔内负压衰减机制与分布规律方面，总结了负压对瓦斯抽采影响机制、负压衰减机制、负压分布规律等基础理论研究成果；在瓦斯抽采参数监测技术方面，基于不同原理，阐述了超声波式、激光式、孔板式、循环自激式等不同类型的孔口瓦斯监测仪器现状，以及以束管法为主的孔内瓦斯监测手段；在瓦斯抽采智能调控系统方面，介绍了瓦斯抽采智能调控理念与技术装备研究上取得的成果，以负压、流量、浓度等抽采参数为分析调控对象，基于智能算法与PLC控制技术，初步实现井下管网智能调控，提高了瓦斯抽采效率。展望指出当前研究存在定向长钻孔内负压变化规律不清、正负压耦合作用机制不明，缺乏孔内长距离的瓦斯抽采参数监测手段和瓦斯多参数监测方法，瓦斯抽采调控系统智能化程度低等不足。同时提出瓦斯抽采定向长钻孔研究的未来发展趋势，包括基于定向长钻孔特殊结构分析的负压抽采与正压扩散耦合机制、基于光纤传感的孔内瓦斯多参数监测系统、基于机器学习的瓦斯抽采参数精细调控方法等研究方向，为近水平定向长钻孔瓦斯治理工程设计、施工、抽采与效果评价提供支撑。

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煤田地质与勘探

2024年第11期

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阳泉矿区碎软煤层深孔气动定向钻进关键技术与实践

作者(Author)：刘飞, 李泉新, 方俊, 刘建林, 杨伟锋, 褚志伟, 赵建国, 王四一

摘要：目的针对山西阳泉矿区碎软煤层瓦斯精准、超前、区域治理需求，提出采用气动定向钻进煤层预抽钻孔的技术方案。方法在分析气动定向钻进成孔技术难题的基础上，开发了适用于阳泉矿区碎软煤层赋存条件的气动螺杆钻具稳定运转技术、钻孔轨迹精确控制技术、深孔高效排渣技术、气动套铣打捞技术，优化了气动定向钻进装备配套方案，并在阳泉矿区碎软煤层中开展了现场工业性试验。结果和结论结果表明：(1)通过优化气动螺杆钻具结构和工艺流程、设计低风阻管路，有效解决了气动螺杆钻具的异常制动，实现了稳定高效运转。(2)通过优化钻孔设计轨迹和工艺参数、设计大角度造斜钻具组合和研制气动冲击螺杆钻具，保障了钻孔轨迹的精确调控，提高了煤层钻遇率。(3)通过复合强排渣技术和短起钻冲孔工艺的应用，有效提升了钻孔排渣效率。(4)通过采用气动套铣打捞技术，配套设计的专用可退式打捞筒，满足阳泉区矿区碎软煤层孔内复杂事故处理需要，并成功处理2起严重卡钻事故。(5)在阳泉矿区某矿施工完成孔径120 mm的10个定向钻孔，成孔深度均达到450 m以上，最大钻孔深度达到607 m，最大单班进尺76 m。碎软煤层定向孔取得了显著的瓦斯抽采效果，单孔日均抽采瓦斯纯量最大达971.96 m3，实现了阳泉矿区碎软煤层瓦斯长时间稳定抽采。研究成果为阳泉矿区碎软煤层瓦斯高效治理提供了新的技术途径，具有显著的应用和推广价值。

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煤田地质与勘探

2024年第09期

155

6
煤矿井下碎软煤层气动定向钻进技术与装备研究

作者(Author)：田宏亮, 张金宝, 王力, 方俊, 王建强

摘要：【目的】我国煤层赋存地质条件复杂，碎软煤层分布广泛，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井众多，目前采用钻孔瓦斯抽采是防治瓦斯灾害的有效措施。碎软煤层常规回转钻进存在轨迹不可控、成孔深度浅、抽采盲区大，常规定向钻进卡埋钻事故多、成孔困难、钻进效率低等问题。【方法】系统阐述了煤矿井下碎软煤层钻进技术的发展历程与应用现状，研制了气动螺杆钻具、定向钻机、随钻测量系统、除尘泵车、空压机或制氮机、油雾润滑装置等组成的煤矿井下气动定向钻进装备，并配套开发了气动定向钻进工艺和筛管完孔技术等关键技术，解决碎软煤层定向钻进成孔难题，保障瓦斯抽采效果。利用该成套技术与装备在两淮、山西、贵州等地区煤矿进行的碎软煤层定向钻孔试验。【结果和结论】研究表明：(1)气动定向钻进技术是碎软煤层钻孔瓦斯治理的有效技术手段，其钻进深度普遍达到200 m以上，最大钻孔深度达607 m，且可有效控制钻孔轨迹在目标煤层中延伸，煤层钻遇率达90%以上。(2)现场试验表明，气动定向钻进成孔效果好、施工效率高，最大效率达到3 594 m/(台·月)，有力推动气动定向钻进技术从小规模试验到大规模的工业化推广应用。结合此成套技术与装备的应用现状和煤矿安全高效生产对钻探技术装备的发展需求，提出煤矿井下气动定向钻进技术与装备的拓展应用方向以及向自动化、智能化和集约化方向发展的现实需求和必然趋势。

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煤田地质与勘探

2024年第06期

248

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煤系水平井定向射孔压裂裂缝扩展机制

作者(Author)：庞涛, 姜在炳, 惠江涛, 贾秉义

摘要：复杂含煤地层顶板水平井射孔压裂是增加煤层透气性、提升瓦斯抽采效率的关键，而地层结构和射孔位置影响裂缝扩展形态。考虑地层结构特征及射孔位置，建立压裂工程地质模型；基于有限元方法构建数值模型，研究射孔位置、地层条件、垂向应力与水平应力差对裂缝扩展的影响，并进行工程验证，提出施工建议。结果表明：射孔孔眼位置存在全部位于煤层中、全部位于顶板岩层中和部分位于顶板部分位于煤层3种情况。孔眼位于煤层中，裂缝受到界面的“阻隔”作用，对煤层改造有利；孔眼位于顶板，当顶板层理发育，垂向应力与最小水平主应力差大于2 MPa时裂缝能够穿越层理和界面进入煤层，而顶板完整时，应力差大于−2 MPa裂缝即可在孔眼诱导作用下进入煤层，顶板层理和界面对裂缝垂向扩展具有“阻挡”作用，结构完整地层有利于裂缝的垂向穿层扩展；孔眼部分进入煤层，对裂缝起裂、扩展产生明显诱导作用，形成沿界面的水平缝和进入煤层的垂直缝，无论顶板是否完整，都能形成有效改造裂缝。当射孔孔眼距煤层较远、孔眼与煤层间弱面发育、水平应力大于垂向应力或压裂施工规模不足时，建议采用深穿透射孔、分支孔等能够沟通煤层的工程措施，以保证压裂效果。研究结果在陕西韩城某煤矿的井下分段压裂施工中进行了应用，试验孔瓦斯抽采效果良好，可为类似地质、工程条件下的压裂施工提供借鉴。

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煤田地质与勘探

2024年第04期

149

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基于磁信标的水平定向钻进导向技术研究

作者(Author)：祖雨彤, 王璐, 巩达, 胡远彪

摘要：为了解决现有水平定向钻进导向方法测量精度低，定位深度浅，测量数据不连续以及受磁场干扰影响大的问题，提出一种基于磁信标的水平定向钻进导向定位方法，实现水平定向钻进的位置和姿态测量；设计了基于三阶磁梯度张量的测量阵列，通过仿真验证该方法可以消除地磁场的影响，实现位置测量；依据惯性导航理论，利用MEMS传感器、测量阵列位置信息和零速信息进行多源数据融合，对惯性导航解算出的姿态误差进行估计和修正，提高姿态测量精度。通过地面位置测量实验对基于三阶磁梯度张量的位置测量算法进行验证，位置测量结果的平均相对误差为4.57%；通过地面姿态测量实验对多源数据融合算法进行验证，结果表明，倾角误差在0.3°以内，工具面角误差在0.7°以内，方位角的误差值在1°以内，证明了提出的姿态测量算法的准确性和有效性。研究成果可以提高非开挖水平定向钻进适用范围、实时性和定位精度，为水平定向钻进导向技术自动化提供了理论基础。

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煤田地质与勘探

2023年第09期

176

84
彬长矿区“井上下”立体防治冲击地压新模式

作者(Author)：吴学明, 马小辉, 吕大钊, 郑凯歌, 王东杰

摘要：随着煤矿开采强度的不断增大，矿井逐渐向深部转移，冲击地压灾害日益严峻。而深部冲击地压矿井往往存在一层或多层坚硬厚岩层，这些坚硬顶板厚度较大，整体性强，突然断裂时会释放大量弹性能，易引发冲击地压事故，严重制约矿井安全生产。以陕西彬长矿区孟村矿为例，针对矿区内煤层埋藏深、普遍存在多种坚硬厚岩层的特殊情况，提出针对性治理措施：对顶板上方0～80 m范围内厚度超过10 m的坚硬厚岩层进行破断、弱化处理，对煤层上方0～30 m范围的低位岩层采取顶板深孔爆破预裂措施，对煤层上方30～60 m范围内的中位坚硬岩层采取顶板定向长钻孔水力压裂措施，对煤层60 m以上高位坚硬岩层采取地面水平井分段压裂措施；使高、中、低位顶板产生的裂缝在垂向上实现贯穿，将顶板“切割”成相对规则的“块状”结构，使上覆岩层应力由“硬传递”转化为“软传递”；并结合煤层大直径孔卸压、煤层爆破等煤层卸压措施，形成了区域与局部相结合、煤层与岩层全覆盖的“井上下”立体防治模式。工程实践证明：采用“井上下”立体防治模式后，工作面103 J以上微震事件降低88%，周期来压强度降低23%，来压持续时间缩短61%，防冲效果良好。该技术模式的成功应用可为类似地质条件下冲击地压矿井灾害治理提供借鉴。

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煤田地质与勘探

2023年第03期

357

110
煤层底板水害超前区域治理理论框架与关键技术

作者(Author)：董书宁, 刘其声, 王皓, 郭小铭, 柳昭星, 郑士田, 南生辉, 刘建林, 赵兆, 石志远

摘要：随着我国华北型煤田浅部煤炭资源开采殆尽,深部煤炭资源受底板灰岩岩溶水害威胁严重,常规井下直孔注浆方式存在施工位置受限、钻遇含水层孔段短、注浆盲区大、目标位置不准确等问题。为此,提出了基于顺层定向钻孔进行注浆改造的超前区域治理技术,系统研究了顺层近水平注浆孔浆液运移规律、底板水害超前注浆模式、注浆参数控制工艺、隐伏导水通道超前判识探查与注浆效果检验与评价等。通过系统研究,构建煤层底板水害超前区域治理理论框架与技术体系,具体包括5方面内容:提出煤矿底板水害超前区域治理模式分类和选择准则,概化形成适用于我国华北型煤田地质及水文地质条件的底板含水层注浆改造模式;形成隐伏导水通道水平定向钻超前判识治理技术;建立超前区域治理关键注浆参数控制工艺体系;提出了注浆全过程的多指标定性、定量效果检验与评价技术。上述研究成果在煤层底板水害超前区域治理工程中成功应用,对底板水害超前区域治理起到重要的理论和技术支撑作用,为我国华北型煤田深部煤炭资源安全开采提供保障。

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煤田地质与勘探

2023年第01期

221

164