“碎软煤层关键技术与应用”专题_中国煤炭行业知识服务平台

“碎软煤层关键技术与应用”专题

来源：煤田地质与勘探

碎软煤层在我国煤矿区分布广泛，具有瓦斯含量高、压力大、渗透率低等特征，在碎软煤层中钻进存在喷孔、塌孔、排渣不畅等问题，导致碎软煤层钻进困难、孔内事故频发，进而影响成孔深度和成孔率，造成瓦斯治理盲区；尤其是随着我国煤矿开采深度的增加，碎软煤层瓦斯抽采孔工作量和成孔难度不断增大。针对碎软煤层瓦斯抽采对钻孔施工需求，《煤田地质与勘探》编辑部整理了近年来发表的代表性论文，涵盖碎软煤层定向钻进技术与装备、气动定向钻进技术与装备，完井工艺技术，水力压裂技术与设备等，以促进该研究领域技术进步和同行交流。

行业视野: 地质
类别; 73个
关键词; 74位
专家; 19篇
论文; 7816IP
点击量; 3739次
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淮南矿区软煤气动定向钻进技术与装备研究及应用

作者(Author)：田宏亮, 陈建, 张杰, 程合玉, 董瑞刚, 杜利猛, 刘德贵, 管强盛

摘要：针对淮南矿区利用顺层定向钻孔对工作面和邻近巷道条带煤层瓦斯消突(简称“一孔两消”)的需求，提出了利用气动定向长钻孔实现“一孔两消”的技术思路。在前期气动螺杆定向钻进工艺试验基础上，开发了一款宽度仅为1.1 m、主轴倾角可在±90°范围内无级调整、具备50 m最大遥控距离的窄体全断面遥控定向钻机；优选了杆体直径73 mm、螺旋翼片外径82 mm的?73/82 mm螺旋气动螺杆钻具，最大转矩可达256 N·m；研制了集除尘系统、压风监测系统和油雾润滑系统为一体的多功能除尘车；改进了电磁波随钻测量系统供电电池，提高了系统使用时间和稳定性；开发了碎软煤层双动力复合强排渣技术和定向钻孔长距离筛管完孔技术。利用成套装备与技术在淮南矿区潘三煤矿1682(1)运输巷开展软煤气动定向钻进技术与装备的试验，先后完成16个孔深为240 m以上钻孔，试验总进尺4 548 m，煤层钻遇率达93.1%，所有定向孔全程下筛管，最大钻孔深度423 m。试验过程中即开始连抽，统计期间，抽采平均浓度(体积分数)60%，最大达到81%，抽采混合量基本维持在1.5 m3/min，平均抽采纯量0.9 m3/min，最大抽采纯量1.56 m3/min，累计抽采纯量17.4万m3。试验结果表明，成套装备性能稳定，使用方便，能实现远程遥控操作，施工安全保障度高，能够满足软煤气动定向钻进成孔需要。形成淮南矿区软煤气动定向钻孔施工成套技术和装备，为矿区安全高效抽采提供了必要技术和装备支撑。

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煤田地质与勘探

2022年第10期

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碎软煤层井下长距离定点密闭取心技术研究

作者(Author)：龙威成, 孙四清, 陈建

摘要：随着矿井采掘、钻探等技术的快速发展和矿井提能增效的需求日增，区域超前探测煤层瓦斯含量的需求越来越迫切。近年来研发的井下长钻孔高压水密闭取心瓦斯含量测定技术已应用于中硬煤层矿区，效果显著，但在碎软煤层中应用存在局限性。针对采用现有定向钻孔高压水密闭取心技术进行碎软煤层取心时，存在煤心易冲散、孔壁易坍塌、喷孔、取心率低、安全风险大的问题，并结合矿井钻取含原始水分煤样的需求，提出采用“气体取心钻进+气体输送封堵球+高压水与气体联合密闭煤心”的双循环介质碎软煤层井下长距离定点密闭取心技术工艺，研发了基于井下压风取样钻进的长距离干式密闭取心系统，以压风代替压水用于钻孔排渣、取心钻头冷却和封堵球输送；以风和水两种介质组合打压驱动密闭取心装置在孔内关闭。选取淮南矿区某矿同一区域的主采煤层进行试验，碎软煤层井下长距离定点密闭取心瓦斯含量测值为6.65～7.82 m3/t，常规取心瓦斯含量测值为5.11～6.45 m3/t。工程试验表明，碎软煤层井下长距离定点密闭取心技术为碎软煤层井下长距离测定瓦斯含量提供了一种新途径，实现碎软煤层井下精准定点、长距离瓦斯含量精确测定，可解决碎软煤层井下大区域探测瓦斯赋存信息需求，保障矿井安全高效生产。

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煤田地质与勘探

2022年第08期

311

107
煤矿井下长钻孔分段水力压裂技术研究进展及发展趋势

作者(Author)：孙四清, 李文博, 张俭, 陈冬冬, 赵继展, 郑凯歌, 龙威成, 王晨阳, 贾秉义, 杜天林, 刘乐, 杨欢, 戴楠

摘要：“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 m~3/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 m~3/d和1 559 m~3/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 m~3/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。

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煤田地质与勘探

2022年第08期

405

207
碎软煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯高效抽采模式

作者(Author)：陈冬冬, 王建利, 贾秉义, 席杰

摘要：瓦斯区域超前治理是实现煤矿安全、高效及智能化开采的重要保障，针对碎软煤层区域瓦斯高效抽采难题，以陕西韩城矿区3号煤层为研究对象，提出井下煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯抽采模式。采用理论分析、数值模拟和现场试验等多手段相结合的方法，验证模式适用性，阐明紧邻煤层顶板梳状钻孔压裂裂缝延展规律、抽采机理和压裂曲线特征，进而建立适用于500 m孔深的集地质条件动态分析、分段水力压裂、封隔器遇阻解卡和压裂范围连续探查于一体的顶板梳状长钻孔裸眼分段水力压裂关键技术体系，实现煤层顶板梳状钻孔主孔轨迹距离煤层5 m左右、多段均匀压裂、压裂范围全孔监测和孔内事故高效处理。以此为基础，在韩城桑树坪二号井开展2孔次的工程实践：压裂主孔深度588 m、距3号煤层2 m左右，单孔压裂6段，压裂范围探查深度381 m、压裂影响半径20 m以上；压裂后，钻孔抽采瓦斯平均体积分数40%以上、瓦斯抽采量1 m3/min以上，抽采效果是常规钻孔的4倍，120 d瓦斯抽采有效半径可达9 m，实现了碎软煤层瓦斯区域高效抽采。并提出了适用于碎软煤层大区域瓦斯抽采以及高瓦斯压力碎软强突煤层远程区域抽采卸压等规模化应用技术思路。

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煤田地质与勘探

2022年第08期

197

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煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂技术与装备

作者(Author)：张俭, 刘乐, 赵继展, 孙四清, 王晨阳

摘要：针对碎软煤层渗透率低、瓦斯抽采衰减快、压裂不均匀、裂缝易闭合、瓦斯抽采效果差、无法实现区域瓦斯超前预抽的问题，提出了煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂强化瓦斯抽采的技术思路，研发适合煤矿井下煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂煤层增透技术，研制了成套的煤矿井下水力加砂压裂泵组装备、定向喷砂射孔装置及工具组合、防砂封隔器及工具组合。水力压裂泵组装备最大排量90 m~3/h，最大泵注压力70 MPa，最大携砂能力20%，支撑剂粒径小于等于1 mm；定向喷砂射孔装置通过水压驱动喷射器定向，最大旋转角度180°；防砂封隔器最大承压70 MPa，最大膨胀系数为2。研发的定向长钻孔连续定向喷砂射孔工艺技术和定向长钻孔拖动式水力加砂分段压裂工艺技术，在山西阳泉新景煤矿井下开展工程试验，完成2个压裂钻孔（孔深均为609 m）共计16段水力加砂分段压裂施工，累计实施80次定向喷砂射孔作业，石英砂的体积分数2%～3%，定向喷砂射孔压力22.6～28.6 MPa，共计使用石英砂19.8 t；水力加砂分段压裂单段注入压裂液153.8～235.1 m~3、核桃壳砂的体积分数2.02%～2.56%，累计注入压裂液2 808.57 m~3，注入核桃壳砂36.47 t；综合评价本次水力加砂分段压裂影响半径为20～38 m，统计分析压裂后2个钻场100 d瓦斯抽采数据，1号钻场、2号钻场日均瓦斯抽采纯量分别为1 025、2 811m~3。试验结果表明：压裂装备加砂量大，施工排量大，能够实现连续作业，压裂后煤层透气性显著增加，极大地提高瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采纯量。研究成果对碎软煤层区域瓦斯增透提供新思路，为我国类似矿区区域瓦斯超前治理提供技术借鉴。

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煤田地质与勘探

2022年第08期

234

146
井下碎软煤层双管双动空气定向钻进工艺研究

作者(Author)：王力

摘要：碎软煤层钻进过程中易发生喷孔、塌孔，造成钻孔深度浅、成孔率低，严重制约碎软煤层瓦斯高效治理。随着“以孔代巷”、递进式抽采等瓦斯治理模式的兴起，煤矿对碎软煤层瓦斯抽采钻孔成孔提出了更高的要求，为了进一步提高碎软煤层钻孔深度、钻孔精度和成孔率，以满足煤矿安全、高效、精准瓦斯治理的需要，提出煤矿井下碎软煤层双管双动空气定向钻进工艺方法。针对该钻进方法涉及的关键钻具和钻进工艺，根据煤矿井下空气螺杆钻具规格和通过性试验，分析确定外管套管、内管螺杆钻具、领眼钻头以及扩眼器等钻具级配；通过理论分析螺旋钻进煤粉颗粒运动速度，优化套管螺旋叶片螺距、头数等参数；根据钻进排粉需求、空气螺杆钻具用风要求，计算双管钻进用风量、风压；采用数值模拟方法，研究排粉规律和最佳钻进工艺参数，最后通过现场钻进试验，验证双管双动钻具级配和钻进工艺的合理性。结果表明：增加风量比增加转速提高排粉效果更明显；钻进时套管转速40 r/min时，对应风量应最小达到500 m3/h，内管钻具滑动定向造斜完成后，应尽快复合钻进排粉，当风量低于400 m3/h时，应当充分回转扫孔排渣；采用?90 mm领眼钻头+?120 mm扩眼器+?73 mm空气螺杆钻具+?73/35 mm宽叶片螺旋钻杆的内管钻具+?140 mm套管钻头+?120/96 mm反螺旋套管的外管钻具组合，采用风量1 000 m3/h、风压1.25 MPa以上的风源、转速40～120 r/min的工艺参数，钻孔深度达到350 m以上、套管护孔深度168 m以上，钻孔轨迹可控制在煤层内，有效提高了钻孔深度和精度，为碎软煤层随钻护孔精确钻进提供新工艺方法。

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煤田地质与勘探

2022年第07期

263

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碎软煤层气动双管定向钻进排粉特性分析及应用

作者(Author)：聂超, 王毅, 姚亚峰, 洪建俊

摘要：为研究双管定向钻进技术中套管、套管钻头尺寸及套管转速对煤粉排出的影响，以碎软煤层气动双管定向钻进成孔为背景，分别设计了3种不同尺寸的套管及套管钻头，分析了其不同组合下煤粉排出率及煤粉出口速度的变化，得到了不同转速对煤粉悬浮率及煤粉输送轨迹的影响规律。数值模拟结果表明，?120/96 mm套管与不同套管钻头配合均有较高的煤粉排出率；煤粉输送速度随环空通道总截面积的增大而减小，随内通道截面积的增大而增大；煤粉悬浮程度随套管转速的增加先增大后减小。基于数值分析结果开展了现场试验，对不同套管组合携粉能力及套管转速变化对煤粉排出的影响进行了对比分析，试验表明：?140 mm套管钻头与?120/96 mm套管组合在套管40 r/min转速时取得最大钻进深度。研究结果为碎软煤层双管定向钻进参数的选择以及钻进设备的选配和研发提供技术借鉴。

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煤田地质与勘探

2022年第05期

299

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煤层底板孔多分支点取样钻进技术及应用研究

作者(Author)：褚志伟, 龙威成, 贾秉义, 刘飞

摘要：针对碎软煤层长距离瓦斯参数测定、瓦斯抽采钻孔工程设计指导和抽采效果评价的技术需求，在分析现有碎软煤层取样钻进技术存在问题的基础上，提出了煤层底板孔多分支点取样钻进方法，制定了取样钻进工艺流程，开发了随钻轨迹精准调控、“机械+水力”高效排渣等关键钻进技术，选型配套了定点取样钻孔钻进装备和密闭取样装备。在安徽省宿州市某矿开展了现场试验，施工了1个主孔深度301 m的取样定向钻孔，在取样分支孔中实施了2次定点密闭取样，取样深度分别为178、238 m，顺利在碎软煤层中采取了煤样，获取煤样的瓦斯含量分别为9.05 m~3/t和10.08 m~3/t，与常规方法相比测得瓦斯含量分别提高了12.4%和25.2%，确保了煤层瓦斯参数测试的准确性，可为碎软煤层瓦斯参数测定提供一种新的技术途径。

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煤田地质与勘探

2022年第05期

175

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