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1、煤矿井下钻探技术与装备的 应用及发展方向,汇报人：李泉新,中国煤炭科工集团西安研究院有限公司,2014 义马,煤矿安全生产地质保障技术与装备交流研讨会,煤矿安全生产地质保障技术与装备交流研讨会,煤矿安全生产地质保障技术与装备交流研讨会,第一部分：煤矿井下瓦斯抽采 钻孔钻进技术与装备,钻孔抽采瓦斯是煤矿井下瓦斯治理的有效手段，目前我国煤矿井下钻孔成孔技术与装备方面发展日趋成熟。,引 言,形成了近水平回转钻进技术、螺旋钻进技术及风压钻进技术等几十种技术体系。 开发了钻进深度50m-1000m的坑道钻进装备。,ZDY3200S,ZDY3200L,引 言,存在技术难题： 钻孔测斜手段单一，钻孔轨迹不可
2、控，钻孔偏斜严重，钻孔深度有限，钻孔施工周期长，严重影响井下瓦斯抽采效果。 松软突出煤层在我国可采煤层中占有相当大的比例，松软突出煤层中成孔困难、成孔深度浅、且成孔后孔壁易坍塌、瓦斯抽采效果差。 穿层钻孔遇煤段较短，钻孔利用率低，瓦斯卸压抽采效果不好。,提 纲,5,一、煤矿井下随钻测量定向钻进技术与装备 二、松软煤层中风压空气钻进技术与装备 三、煤矿井下穿层钻孔施工技术与装备,一、煤矿井下随钻测量定向 钻进技术与装备,煤矿安全生产地质保障技术与装备交流研讨会,定向钻进过程,1.1随钻定向钻进技术原理,1-随钻定向钻进技术原理,8,配套钻进工艺,千米履带定向钻机,随钻测控仪器,专用定向钻具,1-
3、随钻定向钻进技术原理,1.2 随钻定向钻进装备系统组成,顶板高位长钻孔,本煤层长钻孔,底板穿层斜钻孔,目前我国煤矿井下瓦斯抽采钻孔常用的三种布置形式。,2-随钻定向钻进与常规回转钻进优势对比,2.1本煤层瓦斯抽采钻孔,常规回转工艺进行本煤层瓦斯抽采钻孔施工时，存在以下不足：,2-随钻定向钻进与常规回转钻进优势对比,近水平定向钻进工艺进行本煤层瓦斯抽采钻孔施工的技术优势：,2-随钻定向钻进与常规回转钻进优势对比,2.1本煤层瓦斯抽采钻孔,常规回转成孔工艺，需做高位钻场，且轨迹不可控制，不能保证钻孔在预定的裂隙带内延伸。,2.2 顶板高位长钻孔,2-随钻定向钻进与常规回转钻进优势对比,近水平定向成
4、孔工艺，只需利用煤层巷道做钻场，且轨迹可精确控制，有效保证钻孔在预定的裂隙带内延伸。,2.2 顶板高位长钻孔,2-随钻定向钻进与常规回转钻进优势对比,底板岩巷,常规回转成孔工艺，钻孔轨迹不可控制，穿层钻孔过煤有效段短，抽采卸压效果不理想。,2.3 底板穿层钻孔,2-随钻定向钻进与常规回转钻进优势对比,底板岩巷,近水平定向成孔工艺，钻孔轨迹可精确控制，可有效增加过煤有效孔段，提高穿层钻孔的瓦斯卸压抽采效果。,2-随钻定向钻进与常规回转钻进优势对比,2.3 底板穿层钻孔,3.1 定向钻机,3-定向钻进装备系统组成,针对国内巷道要求进行了钻机的系列化配套,分体式钻机：钻机与动力泥浆泵分开适合于小断面
5、巷道,适应小型矿井巷道断面 （长4m宽4m高3m）,适应中大型矿井巷道断面 （长6m宽4m高3m）,ZDY4000LD,ZDY6000LD,ZDY6000LD(F),ZDY4000LD(A),ZDY6000LD(B),3-定向钻进装备系统组成,3.1 定向钻机,一体式钻机：钻机与动力泥浆泵集成在钻进履带平台上适合 于大断面巷道,ZDY6000LD(A),3-定向钻进装备系统组成,3.1 定向钻机,中心通缆式高强度大通孔钻杆,3.2 中心通缆钻杆,3-定向钻进装备系统组成,3.2 中心通缆钻杆,通过钻具中心布设弹性接触式绝缘电缆，既能输送高压水流，又可实现孔底测量探管与孔口监视器信号传输。,3-
6、定向钻进装备系统组成,测量精度： 倾 角：0.2 方 位：1.5 工具面：1.5,3.3 随钻测量系统,3-定向钻进装备系统组成,实现钻孔轨迹的精确测量、计算及三维显示,3-定向钻进装备系统组成,3.3 随钻测量系统,4-定向钻进技术与装备的应用,煤矿瓦斯抽采 中硬煤层和松软煤层,煤矿井下探放水 煤矿井下底板注浆,煤矿井下隐蔽地质致灾因素探测治理,井下水平定向长钻孔最大主孔深度1212m，单孔最多分支孔24个，最大分支孔深度915m，水平偏差小于孔深的5，垂直偏差小于孔深的1，为各应用矿区在瓦斯抽采和利用方面创造了可观的间接经济效益 。,4.1 定向钻进技术与装备应用于井下瓦斯抽采,4-定向钻
7、进技术与装备的应用,集束型定向钻孔是指在一个钻场内施工多个多分支定向钻孔，其主孔开孔点孔段相对集中，钻孔或分支孔方位呈扇型、花束型展开或平行延伸，主孔深度也基本相同的钻孔集合体。,集束型定向钻孔结构示意图,模式一：集束型定向钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,集束型定向钻孔瓦斯抽采（宁夏汝箕沟煤矿）,534工作面施工钻孔总进尺为12868.5m，共施工了23个孔，最大月进尺2308米，最大单班进尺108米，最大穿煤率96.7%。,工作面长度较短,模式一：集束型定向钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,集束型定向钻孔瓦斯抽采（宁夏汝箕沟煤矿）,32215工作面施工总进尺7000米，
8、施工10个主孔，14个分支孔，最深孔961m，平均钻孔深度大于700m，穿煤率100%。,工作面长度较长,模式一：集束型定向钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,工作面长度较长,模式一：集束型定向钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,2011年8月大佛寺煤矿2#辅运大巷1#钻场4#钻孔 （孔深1212m，探顶两次，开分支5次。纯瓦斯流量达到8.27m/min）,模式一：集束型定向钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,某矿每百米钻孔瓦斯抽采效果对比,某矿相同条件下工作面瓦斯抽采量对比,单孔瓦斯抽采量，随钻测量定向钻进装备施工钻孔瓦斯抽采量是常规回转钻进装备的3-5倍。 整个工作
9、面瓦斯抽采量，随钻测量定向钻进方法施工的钻孔覆盖的工作面抽采量是常规回转钻进施工方法的3-4倍。,模式一：集束型定向钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,煤层硬度系数小于1，煤质松软，在煤层中难以成孔，采用梳状钻孔进行瓦斯抽采。梳状钻孔技术是通过在目标煤层上（下）较稳定岩层施工水平长钻孔，并进行分 支穿入煤层实现难成孔软煤层的瓦斯有效长期抽采。,顶板梳状定向钻孔示意图,底板梳状定向钻孔示意图,模式二：梳状定向钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,施工梳状定向钻孔分为前进式和后退式两种方式。,前进式梳状钻孔施工,后退式梳状钻孔施工,模式二：梳状定向钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备
10、的应用,平面,剖面,2#钻孔轨迹孔平剖面,1#钻孔含分支孔8个，主孔最大孔深603m，分支孔最大孔深147m，总进尺1268m 2#钻孔含分支孔9个，主孔最大孔深603m，分支孔最大孔深135m，总进尺1371m,淮北朱仙庄煤矿梳状定向钻孔施钻轨迹图,模式二：梳状定向钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,焦作九里山煤矿梳状定向钻孔施钻轨迹图 （主孔深510m，梳状分支孔7个，试验总进尺848m ）,模式二：梳状定向钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用-井下瓦斯抽采,某煤矿工作面高位钻场煤层气抽采量曲线图,某煤矿工作面梳状钻孔煤层气抽采量曲线图,模式二：梳状定向钻孔抽采瓦斯,4-定向
11、钻进技术与装备的应用,模式三：顶板高位定向长钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,在219工作面灌浆行距回采面450m处完成定向钻孔5个，最大单孔深度408m，累计进尺1380m，最大瓦斯抽采浓度达到64%，最大瓦斯纯流量达到1.8m/min。（即可以抽采采空区瓦斯，又可抽采采动影响区瓦斯）,铜川下石节煤矿高位定向长钻孔平面布置图,模式三：顶板高位定向长钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,晋煤集团寺河煤矿在W1305工作面顶板布置了四个高位定向钻孔，钻孔平面间距14-16m，钻孔剖面上在煤层顶板以上约28m，即4.6倍采高，成孔后通过扩孔工艺，实现钻孔终孔直径153mm。,模式三
12、：顶板高位定向长钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,靠近工作面中心的4#的钻孔纯瓦斯流量最大达到30m/min，随着抽采时间的推移，边缘的1#、2#、3#钻孔抽采流量也逐渐上升。 随着工作面不断推进，高位钻孔抽采流量呈逐渐上升趋势。,模式三：顶板高位定向长钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,寺河矿W1305工作面大直径定向高位钻孔：最大单孔流量达到30m/min；四个钻孔平均总流量达到30m/min以上；日平均抽采量达到43000m以上；回采工作面上隅角及回风巷瓦斯浓度显著降低。,高位钻孔总管路瓦斯抽采流量随时间变化,高位钻孔总管路瓦斯抽采流量随工作面推进变化,4-定向钻进技术
13、与装备的应用,模式三：顶板高位定向长钻孔抽采瓦斯,模式四：井上下联合抽采瓦斯,煤矿井下集束定向钻孔群穿过地面竖井压裂区域，利用集束型定向钻孔在井下排水并进行水位控制，地面竖井进行煤层气无动力抽采，实现采气、排水分离作业，形成地面、井下煤层气立体化抽采模式。,煤层气地面、井下立体化抽采示意图,煤层气地面、井下立体化抽采剖面图,4-定向钻进技术与装备的应用,目标直井（YH-075）是一口取芯生产井，2008年8月3日完井，完井深度为505.90m，完井方式为射孔压裂，钻井的是一方面是获取储层资料，另一方面是开发利用3#煤层的煤层气、降低煤层瓦斯含量。,YH-075井于2009年4月开始产气，最初日
14、均产气量为750m左右；2009年9月后日均产气量达到3000m以上；2012年4月以来，日均产气量维持在3500m至4000m之间。,YH-075排采井场,YH-075产气历史数据,模式四：井上下联合抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,井下定向孔水平面内实钻轨迹,井下定向孔剖面实钻轨迹,井下水平定向孔施工钻场位于寺河矿西盘区W23014巷与W2301工作面辅撤交汇处；试验孔5月10日开孔，通过注水泥浆方式固定钢质封孔管，封孔长度9.0m；5月13日终孔，最大主孔深度252m，分支孔6个，总进尺536m。,模式四：井上下联合抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,井下定向钻孔与地面直井压裂
15、区贯通后，由于井下负压抽吸，地面直井的产气量下降；井下钻孔封闭终孔后，地面直井日均产气量逐步达到了4200m以上，产气量平均增幅达到了20%左右。,模式四：井上下联合抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,二、松软煤层中风压空气钻进技术与装备,煤矿安全生产地质保障技术与装备交流研讨会,1-松软煤层中风压空气钻进技术原理,松软煤层中打钻困难、成孔深度浅、且成孔后孔壁易坍塌、瓦斯抽采效果差。, 水力排渣钻进技术 干式螺旋钻进技术 低风压空气钻进技术,低 风 压 空 气 钻 进,常规螺旋钻进,松软煤层瓦斯抽采钻孔平均成孔深度有所增加，但仍然达不到瓦斯高效抽采的深度要求。,1-松软煤层中风压空气钻进技
16、术原理,高叶片螺旋钻杆排粉钻进工艺 宽叶片螺旋钻杆排粉钻进工艺 三棱钻杆排粉钻进工艺 三棱螺旋钻杆排粉钻进工艺,中风压空气钻进技术借助小体积大功率钻机，以独立防爆空压机作为风源，配合宽矮叶片螺旋钻杆以复合方式排渣；利,用多级无力动力源除尘器解决孔口粉尘污染问题；施工到预定孔深后，通过大通孔钻杆和脱芯钻头下入筛管护孔，防止孔壁坍塌影响瓦斯抽采效果。,1-松软煤层中风压空气钻进技术原理,49,钻杆内孔安设筛管护孔技术,钻进到预定孔深 由钻杆内孔下入筛管 顶掉钻头内芯 提拔钻具,1-松软煤层中风压空气钻进护孔技术,中风压空气钻进成套装备,2-松软煤层中风压空气钻进装备组成,ZDY3200L钻机,钻机,ZDY4000L钻机,钻机扭矩大于3000Nm，转速大于120rpm，钻机起拔力大于15kN,2-松软煤层中风压空气钻进装备组成,宽叶片能够
