《松软突出煤层长及定向长钻孔施工关键技术与装备综述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《松软突出煤层长及定向长钻孔施工关键技术与装备综述（83页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、松软突出煤层及定向长钻孔 施工关键技术与装备 俞启香 (教授、博导、国家安全生产专家） 中国矿业大学 国家煤矿瓦斯治理工程研究中心 主要内容 1、松软煤层抽放钻孔施工关键技术及装备 2、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术及装备 1、松软煤层抽放钻孔关键技术 1）问题的提出、技术途径及其进展 松软煤层钻孔难施工一直制约着我国煤矿瓦斯抽放与防突工作。 实践证明，螺旋钻杆钻进、压风排渣是在高瓦斯、松软突出煤层 中成孔的有效钻孔施工方式, 是一项比水力排渣成孔和单独的螺 旋钻进成孔先进的钻孔施工方法。 该工艺采用螺旋钻杆的旋转作为主要动力来排出孔内煤屑, 压风 的作用是加速孔内粉状煤屑的运动和冷却钻头,
2、大的煤渣通过螺 旋钻杆的叶片转动带出。但还需要解决一些关键技术。 “十五”后期及近几年，西安院、重庆院等创新研究思路，从工艺 和装备两方面入手，通过攻关研究，取得了实质性的技术突破。 2） 重点核心技术研究进展 考察研究了钻机钻具转速与排渣效果的关系，确定了螺旋钻机的 临界转速，解决或减弱了螺旋钻机施工时因排渣不畅而形成阻塞 和憋钻现象。 试验研究了钻进速度与煤的性质、成孔直径、钻具转速的关系， 对螺旋钻杆主要参数进行了分析，确定了螺旋钻杆合理螺旋角。 通过对螺旋成孔所需临界转速、钻杆螺旋升角、中心管径、螺距 的优化研究，确定了钻机的最优参数，开发出适用于松软煤层顺 层长钻孔施工的螺旋钻机和相
3、应的钻具。 1、松软煤层抽放钻孔关键技术 2） 重点核心技术研究进展 （1）螺旋钻进主参数的选择 w突出松软煤层螺旋钻进的主要参数有 成孔直径D、钻孔 深度L、钻进速度V、钻具转速、螺旋叶片的升角 、 钻机主电机功率N 等。 w其中成孔直径D、钻孔深度L、钻进速度V通常是根据抽 放工程的需要给定, 一般成孔直径在7590mm, 钻孔深 度要求能达到100150m , 钻进速度控制在 0.51.0m/min 有利于成孔。 w后几项是由设计者综合考虑确定。 1、松软煤层抽放钻孔关键技术 2） 重点核心技术研究进展 （2）钻机钻具转速的选择 w钻具转速是螺旋钻进技术的主要参数之一, 转速的高低, 不
4、仅关系 到钻机本身的结构, 而且影响到钻机排渣效果。 w高转速钻进成孔是以松散的煤屑排出, 而低转速钻进时螺旋叶片 上的煤屑不能自动排运至孔口, 是靠后面煤屑推挤着向孔口方向 运动, 当煤体水分大时, 煤屑与叶片间的摩擦力也较大, 就需要较 大输煤屑功率, 并往往形成阻塞, 发生卡钻现象。 w钻具转速按下式确定： =（1 +K) w式中。修正后的临界转速;K常数, 视煤的性质、成孔直径、钻进速度等 因素而定, 通常取0.20.3。为理论计算的临界转速。随着K 值的增大, 输 送钻孔煤屑效率和成孔时间是下降的, 但功耗随它的增大而上升, 一般取 K=0.20.3 为宜。其中临界转速基本可认为不受
5、内径大小的影响, 如升角为 25o 、外径为90mm 时, 其他条件不变的情况下, 内径从32mm 增大到50mm 时, 临界转速从184r/min减小至182r/min 。 1、松软煤层抽放钻孔关键技术 2） 重点核心技术研究进展 （2）钻机钻具转速的选择 w临界转速与叶片的升角、成孔孔径D有很大的关系, 孔径D越大, 所需要的临界转速就越低, 反之就越高(指 螺距一定的情况下, 孔径D越大, 升角越小) 。临界转速 基本是随叶片的螺旋升角增大而增大,如图 所示。 1、松软煤层抽放钻孔关键技术 D=90mmdd D=73mm 0 D=42mm 2） 重点核心技术研究进展 （3）螺旋钻杆参数的
6、确定 w 螺旋钻杆参数主要包括螺旋升角 、螺距S 、中心管径 、钻机钻进速度, 钻机主电动机功率等方面。 螺旋升角: w螺旋升角的大小与螺旋半径有关, 螺旋半径越大, 螺旋升角越小, 靠近芯管处螺旋升角最大, 只有当(表示煤屑与螺旋叶片之 间的摩擦角 ),螺旋叶片才能将煤屑带出孔外。 tantan w由上可知靠近叶片边缘处的煤屑容易排出孔外, 而靠近芯管处则 排屑困难。 1、松软煤层抽放钻孔关键技术 2） 重点核心技术研究进展 （3）螺旋钻杆参数的确定 w 螺旋钻杆参数主要包括螺旋升角 、螺距S 、中心管径 、钻机钻进速度, 钻机主电动机功率等方面。 w钻机钻进速度 提高钻机钻进速度可提高功效
7、,降低钻孔成孔时间。 Tm=L / V 式中 ，L钻孔设计深度, m;V钻进速度, m /min; Tm钻孔成孔时间,min 。 w钻进速度的选值与煤的力学性质、成孔直径、钻具转速有关, 如 果钻进速度过大, 不仅增大功率消耗, 有时还会产生憋钻现象, 反 而增加了成孔时间。把钻具转速和钻进速度进行综合考虑, 采用 高转速小进给是合适的。 1、松软煤层抽放钻孔关键技术 2） 重点核心技术研究进展 （3）螺旋钻杆参数的确定 w 螺旋钻杆参数主要包括螺旋升角 、螺距S 、中心管径 、钻机钻进速度, 钻机主电动机功率等方面。 w钻机主电动机功率 w 为了避免钻机施工中出现的卡钻现象, 应选用比理论计
8、算值大 些的电动机功率, 电动机功率过大又会使钻机本身的结构复杂, 自 重增加。 w通常使电动机功率有1020% 的裕度较为适宜。 w右图所示为不同直径螺旋钻杆 成孔时不同螺旋升角下的电动机 功率。 1、松软煤层抽放钻孔关键技术 N 0 D=90mm D=73mm 2） 重点核心技术研究进展 （4）钻具参数的优化 w通过对相关参数的分析, 在孔深100m、孔径90mm 已定的情况下 ,螺旋钻杆的外径取小于孔径5mm,即85mm,内径对旋转速度和功 率的影响不大,中心管内径可取42mm或50mm。螺旋升角对排煤 屑的临界转速和电动机功率影响最大, 按煤屑与叶片的摩擦要求 应小于21.8o31o,
9、 如中心管内径取50mm、外径为85mm的钻杆, 按钻进速度1/min, 如螺旋升角为25o, 其修正后的临界转速为 246r/min, 此螺旋升角对应的螺距内径为61mm,外径为132mm,综 合取螺距为80mm,对应的螺旋升角为15.8o31.2o,成孔100m 时 所需功率为33.4kw。 w经优化后的参数为钻机功率取37kw,螺旋钻杆内径为50mm,外径 为85mm,螺旋钻杆螺距为80mm是最为适宜的。 1、松软煤层抽放钻孔关键技术 0 2） 重点核心技术研究进展 （5）根据以上对钻机、钻具参数的优化结果, 对ZY-1250 型螺旋 钻机及相应的钻具进行了样机的试制, 于2006年11
10、月开始在松藻煤 电有限责任公司打通一矿、渝阳煤矿、同华煤矿进行了试验。 w在打通一矿8号突出松软煤层中连续施工5个钻孔, 平均成孔深度 都在120m以上, 最大成孔深度128m（由于钻杆数量不够而终孔 ）。在渝阳煤矿具有突出危险性的N2804回风巷掘进工作面的钻 孔试验, 成功施工了最大孔深为168.1m的钻孔, 达到了预期目标, 试验过程中没有出现卡钻、抱钻现象,排渣顺畅,提高了钻孔的施 工速度。 w同时在渝阳煤矿相同地点采用同一钻机对研究设计的螺旋钻杆和 煤矿已有的螺旋钻杆进行了对比试验。采用了矿上已有的螺旋钻 杆,钻进过程中漏风严重, 排出的煤渣呈大颗粒状, 出现钻杆强度 不够、螺纹破裂
11、并在50多m发生卡钻、抱钻现象,最大施工深度只 有8 4m。 1、松软煤层抽放钻孔关键技术 0 3)重庆院的研究成果 介绍 150m深孔合理参数的螺旋钻杆设计图 (1)中空螺旋钻杆 200m深孔合理参数的螺旋钻杆设计图 37kw型螺旋钻机 (2) ZYW系列钻机 该系列钻机有3种功率： 22kw，37kw，55kw。 55kw型螺旋钻机 (3）现场实施效果 松藻煤电公司打通一矿，采用ZYW-1200型 螺旋钻机对8#突出煤层进行了连续施工5个顺 层长钻孔的钻进试验，有4个钻孔深度达到 100 m以上，最大成孔深度128 m。煤的坚固 性系数为0.2，瓦斯压力2.2 MPa左右，瓦斯 含量15.
12、3 m3/t）。具体参数如下表： 3）现场实施效果 钻孔编号 钻孔直径 /mm 施工角 度 终孔深度 /m 卡钻情况终孔原因 1#钻孔90+0.5 125.6- 钻杆数量 不够 2#钻孔90-0.5128.0- 钻杆数量 不够 3#钻孔90-1.0 20.8-见岩石 4#钻孔90-0.5103.2 钻进129根钻杆 后,卡钻严重， 排粉量剧增 风压太小 0.1MPa 5#钻孔90-0.5120.0-风压太小 打通一矿试验钻孔参数表 松藻渝阳煤矿现场钻孔对比 在渝阳煤矿N2707和N2709突出煤工作面施工500个本层 钻孔，平均孔深达88 m以上，达到设计深度的一次性成孔率 达88%，台机月效
13、率在300 m以上（最高达到8 700 m），未 出现抱钻、钻杆折断等事故，钻孔平均抽采浓度达到37%， 平均单孔瞬时抽采量达到0.0157 m3/min，成孔深度最长达 168m，因见岩而终孔，。 在同一地点，用相同能力的钻机，采用矿上现有的螺旋 钻杆及钻头作对比试验，最大成孔深度还不到80m，60m左右 就卡钻、抱钻，70多m时钻机就不能旋转了。 通过现场试验，螺旋钻进成孔技术能成孔160m深度以 上，为顺层长钻孔施工从装备和工艺技术上奠定了很好的基 础。 王坡煤矿3207回风巷顺层长钻孔试验 山西天地公司王坡煤矿3207回风巷，煤层较 稳定，(瓦斯含量16m3/t，f值0.53，煤厚5.
14、9m ）采用普通钻机和工艺施工顺层钻孔，平均施 工深度在60m左右。 在2008年5月9日至6月28日期间，采用 ZYW1900R型试验钻机及施工工艺后在3207回 风巷施工了55个下向孔，总计进尺6272m，平均 孔深达114.3m，最大成孔深度165m （人为停钻 ）， 平均每天成孔187m。 王坡矿3207回风巷施工钻孔竣工布置图 两种钻机在王坡矿3207回风巷施工钻孔深度分布对比图 两台螺旋钻机在3207回风巷施工水平长度约为200m， 取同一时间段(1个月)各施工的28个钻孔深度对比如下图 在多个煤矿顺层长钻孔应用情况 w 在铁法煤业（集团）有限责任公司大兴煤矿 、淮南矿业集团丁集煤
15、矿、通化煤业集团松 树镇煤矿、平煤集团四矿等进行了推广应用 ，这些矿井都为煤与瓦斯层埋藏较深（如丁 集煤矿达910 m）、透气性差、瓦斯含量高， 通过现场钻孔施工试验，钻孔成孔深度都达 到了100 m以上。 4)西安院的研究成果 介绍 (1)成果简况 西安院对风力钻进排粉机理进行了研究，提出利 用中风压空气钻进工艺解决成孔问题，研制了配套 装备以及保障工艺，主要包括适于松软突出煤层的 ZDY3200L和ZDY3200S两种型号钻机; 多级无动力除尘器等； 大通孔中风压密封钻杆、宽翼片大通孔螺旋钻杆; 研制了内芯可脱式钻头，可实现从钻杆内孔下放筛 管以维护孔壁，大大提高了钻孔的深度，并解决了 后期的护孔问题，从而提高了瓦斯抽采效率，达到 降低煤与瓦斯突出危险性的目的。 (1)成果简况 大通孔中风压密封钻杆、宽翼片大通孔螺旋钻杆 一字铰接翼片可开闭前置式复合片钻头配大通孔宽 叶片螺旋钻杆钻具组合，在松软煤层中钻进，进尺 快、排粉效果好、成孔率高，内孔可通过护孔筛管 。 (1)成果简况 内芯可脱式钻头 一字铰接内芯可开闭钻头结构 一字铰接翼片可开闭前 置式复合片钻头是实现 软煤钻进全程快速下筛 管护孔的较合理钻头 (1)成果简况 抗静电、阻燃性聚氯乙烯护孔筛管与接头 筛眼直径10mm，眼间距200mm，四排，展开后孔 眼呈梅花型，筛管单根长度1.5m。 (2) ZD
