5.煤矿井下防治水定向钻进技术与装备

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1、煤矿井下防治水定向钻进技术与装备中煤科工集团西安研究院有限公司汇报人：李泉新2014 山西2014年山西省煤矿防治水专项技术培训汇 报 提 纲一 技术背景二 水害防治定向钻进技术原理三 定向钻进技术与装备四 水害防治定向钻进技术应用五 稳定组合钻进技术与装备六 钻孔轨迹计算七 定向钻进技术装备新进展一、技术背景煤矿水害 是指煤矿在建设和开发过程中，不同形式、不同水源的水通过特定的途径进入矿井，并给矿山建设或生产带来影响或灾害的过程与结果，与瓦斯、煤尘、火灾和冲击地压一起是我国煤矿主要 五种自然灾害 ，在 事故严重度 方面仅次于瓦斯事故和顶板事故。2008-2012年较大煤矿事故死亡人数统计图2

2、2008-2012年煤矿事故死亡人数统计图一、技术背景 钻机 、泥浆泵、钻杆、钻头等； 水风做 冲洗介质携带岩、煤粉； 受到钻具自重的影响，钻孔轨迹自然 弯曲； 钻孔终孔位置不能确定。常规 回转钻进常用钻具组成示意图目前 煤矿 一般采用 常规 钻孔 进行水害隐患防治 。 利用 钻机回转 通过 钻杆柱带动 钻头回转 破碎孔底岩石的钻进方法。 其又称为常规回转钻进技术。问题一 ： 常规 钻孔 钻具级配简单， 钻孔 轨迹 不能控制， 钻孔为直 孔或斜孔， 钻孔钻遇含水层的 有效孔段较短 ，钻遇含水体和裂隙带的几率较低。钻孔多以发散形式布置， 易造成防治水 盲区。常规回转钻进底板注浆钻孔布置示意图 常

3、规回转钻进探放水钻孔布置示意图一、技术背景问题二： 常规回转钻进技术不具备轨迹随钻测量装置，不能准确 计算异常区位置 ，如对井下老空积水进行疏放时，需施工很多钻孔，不能保证钻孔进入老空区，不能实现 定点探放老空积水 。常规回转钻孔 探查异常区 常规回转钻孔探测老空积水常规回转钻进预测探查点实际探查点一、技术背景一、技术背景问题三： 钻孔孔深一般较浅，只能 边掘（边采）边 进行水害致灾因素 探查与治理 ，在未形成工作面运顺和回顺前， 无法 实现 超前防治水 ，给煤矿安全高效采煤带来一定的压力。问题四： 钻孔 工作量大 ，施工 周期长 ，施钻人员劳动强度高。工作面已形成 常规防治水钻孔施工 工作面

4、未形成 常规防治水钻孔施工巷道巷道切眼钻孔工具面示意图系统连接示意图增倾角 稳方位稳倾角 增方位降倾角稳方位稳倾角减方位二、水害防治定向钻进技术原理针对现有水害防治与地质异常体探查方法存在的不足，提出利用 定向钻进技术进行水害防治和地质异常体探查 。剖面轨迹图 平面轨迹图1.定向探放水及探查治理老空水以先进的 随钻测控技术 为依托 ， 通过对实钻 钻孔轨迹 的 实时测量 和 精确控制 ，保证定向孔在 目的层位延伸 或 精确中靶 ， 并可进行分支孔施工 ， 提高钻孔覆盖面积 ， 成孔用于 疏顶板放水 或 老空水 ， 减少水害发生概率 ， 保障煤矿安全高效生产 。定向孔探放顶板水原理示意图 定向孔

5、探放老空水原理示意图二、水害防治定向钻进技术原理在井下主巷道内即可开拓钻场，利用 定向钻进技术 进行造斜钻进，使钻孔进入欲加固 层位并在其内部延伸 ，成孔后 高压注浆 ，将钻孔钻遇的 裂隙填满 ，形成 隔水层 。底板注浆加固定向钻孔布置示意图2.工作面底板注浆加固改造二、水害防治定向钻进技术原理3.地质异常体探查钻进参数返渣情况岩层判识轨迹参数轨迹测控轨迹计算确定探测点三维坐标利用定向钻孔主孔施工技术实现远距离 超前探查 ，利用 侧钻分支技术 在地质异常体附近施工多个角度的 分支钻孔 ，经过轨迹测量可计算出 地质异常体的三维坐标 ，获取地质异常体空间信息。二、水害防治定向钻进技术原理利用 造斜

6、工具 使近水平钻孔轨迹按设计要求延伸钻进至 预定目标 的一种钻探方法，即有目的地将钻孔轴线由弯变直或由直变弯。 同时 随钻测量仪器 实时监测 钻孔参数 ，进而确定造斜工具的造斜方向。钻 进 原 理定向钻进过程示意三、 定向钻进技术与装备1.定向 钻进原理 千米定向钻机 随钻测量仪器 专用定向钻具 配套钻进工艺系统组成2.定向 钻进系统组成三、 定向钻进技术与装备三、 定向钻进技术与装备采用了负载敏感传动控制 +先导控制的液压系统，节能效果明显，实现了远程控制，具有良好的操控性。钻机在坑道内移动方便 。履带式全液压定向钻进钻机 (孔深 800m)ZDY4000LD(A)型全液压坑道钻机ZDY40

7、00LD型全液压坑道钻机3.1 定向钻机三、 定向钻进技术与装备3.1 定向钻机采用了负载敏感传动控制 +先导控制的液压系统，节能效果明显，实现了远程控制，具有良好的操控性。钻机在坑道内移动方便。履带式全液压定向钻进钻机 (800m 孔深 1500m)ZDY6000LD(A)型全液压坑道定向钻机 ZDY6000LD(B)型全液压坑道定向钻机三、 定向钻进技术与装备3.1 定向钻机采用了负载敏感传动控制 +先导控制的液压系统，节能效果明显，实现了远程控制，具有良好的操控性。钻机在坑道内移动方便 。履带式全液压定向钻进钻机 (孔深 1500m)ZDY12000LD型全液压坑道定向钻机三、 定向钻进

8、技术与装备三、 定向钻进技术与装备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。三、 定向钻进技术与装备3.2 中心通缆钻杆测量精度： 倾 角： 0.2 方 位： 1.5 工具面： 1.53.3 随钻测量系统三、 定向钻进技术与装备YHD1-1000随钻测量装置（孔口监视器）YHD1-1000随钻测量装置（防爆计算机）YHD2-1000随钻测量装置 (信号中继器 )YHD2-1000(A)随钻测量装置 (孔口供电 )实现钻孔轨迹的精确测量、计算及三维显示三、 定向钻进技术与装备3.3 随钻测量系统三、 定向钻进技术与

9、装备3.4泥浆泵泥浆泵是定向钻进孔底切削的动力来源，泥浆泵的性能参数决定钻孔成孔效率。BMW-320泥浆泵 BLY260/9履带式全液压泥浆泵车 BLY390/12履带式全液压泥浆泵车四、随钻测量复合定向钻进装备系统组成3.5 定向钻头96mm 胎体式三翼圆角钻头实物图96mm 三翼平角型钻头实物图96mm 钢 体式三翼圆角型钻头实物图120/96mm 组合式扩孔钻头实物 120mm 三翼平角型钻头实物图 无孔底侧向钻进 技术 随钻测量定向技术 岩层侧钻分支技术三、 定向钻进技术与装备3.6 随钻测量定向钻进技术 无孔底侧向钻进 技术低速磨削开分支 方法反复磨削法开分支 方法开分支工艺流程三、

10、 定向钻进技术与装备复合定向钻进工艺是在钻进过程中 孔底马达切削岩层 的同时自身也 在钻机回转带动下旋转切削岩层 ，当随钻测量监测钻孔轨迹偏离设计轨迹时，将钻进方式改为孔底马达定向钻进对钻孔轨迹进行纠偏。复合钻进技术原理三、 定向钻进技术与装备提高孔 底钻具切削速 度，试验表明 相对于 煤矿井下现有 定 向 钻进工艺 可 提高 机械钻速 2-3倍（下石节煤矿试验结果） 。钻孔 轨迹平滑 ，钻进过程中 钻具阻力小，钻机系统压力小 。钻孔弯曲强度小 ，负压抽采阻力小，有利于孔内 煤层气抽采 。寺河矿 813m定向钻孔复合定向钻进系统压力 复合钻进与滑动定向钻进钻孔轨迹全弯曲强度对比三、 定向钻进技

11、术与装备1.定向钻孔探放顶板水技术3121工作面地层柱状图施工地点 ：西北侏罗系裂隙水害 宁煤红柳煤矿 3121工作面。水文地质条件 ： 3121工作面主采煤层为二 1煤层，煤层上部有 两层含水层 ，上段含水层厚度大于 3.37m，下部含水层厚度大于 9.32m。试验目的 ：对直罗组粗砂岩裂隙孔隙含水层进行超前区域探放水。四、水害防治定向钻进技术应用成孔情况 ：现场试验共施工 6个定向孔， 5个分支孔，钻孔总进尺达到 3363m，最大孔深为 594m，最大出水量 216 m3/h。图中 蓝色 为 施工完成钻孔轨迹 ， 红色 为 钻孔设计轨迹 。红柳煤矿 3121工作面探放水定向孔实钻轨迹平面图

12、1.定向钻孔探放顶板水技术四、水害防治定向钻进技术应用成孔情况 ：施工的 6个定向孔，其中 2#和 4#钻孔布置在含水层 下分层中， 其余钻孔 布置在含水层 上分层中 ，解决了试验区上部两个含水层的水患问题。图中 蓝色为 施工完成钻孔轨迹 ，红色 为 钻孔设计轨迹 。含水层上分层探放水 3#定向孔实钻实钻剖面图含水层下分层探放水 4#定向孔实钻实钻剖面图1.定向钻孔探放顶板水技术四、水害防治定向钻进技术应用3121工作面定向孔放水量图（上左）、水压变化图（上右）和放水情况统计表（下）孔号 终 孔深度(m)水量 水温 ( c) 水压 (Mpa)平均 水量 (m3/h) 终孔水量 (m3/h) 放

13、水 量 (m3) 终孔 目前 终孔 目前1# 456 14.7 90 28190.876 14 18 1.3 0.022# 459 22.9 129 90840.174 23 18 0.85 0.063# 480 94.1 162 337744.316 14 18.2 1 0.254# 492 33.6 129 111874.301 23 18 0.4 0.135# 594 120 120 336442.256 14 18.5 1 0.66# 288 49.9 216 57308.96 18 18 1.2 0.05合计 3363 962400.883 050000100000150000200

14、0002500003000003500001# 2# 3# 4# 5# 6#放水量（m3 ）00.20.40.60.811.21.41# 2# 3# 4# 5# 6#水压(Mpa)终孔水压 放水后水压1.定向钻孔探放顶板水技术四、水害防治定向钻进技术应用与常规钻孔探放水效果比较 :定向孔最大出水量 216 m3/h，终孔时平均出水量 133.66 m3/h，疏放水周期约 7个月时放水 962400.883m3，平均放水量为 160400.147 m3，是临近工作面常规钻孔终孔平均出水量的 2.69倍 、平均放水量的 41.5倍 （相同疏放水周期）。钻孔数量个平均钻孔出水量m3/h放水量 (m3

15、)总放水量 平均放水量定向钻孔 6 133.66 962400.9 160400.11121工作面常规钻孔 119 49.66 460000 3865.546比值 0.05042 2.69 2.09 41.5红柳煤矿定向孔与常规钻孔探放水效果对比表1.定向钻孔探放顶板水技术四、水害防治定向钻进技术应用地点 ：石炭井焦煤公司一号井位置关系 ：一、二号井间以 F0正断层和 勘探线为界，勘探线两侧煤层自上而下留设梯形隔离煤柱，大多数煤层个别地段煤柱小于规定值，且无专门的防隔水煤柱。治理方案 ：在二号井 +970m轨道石门内 泄水巷道 中距保护煤柱 82.6m处 布置泄水钻场 ，施工 定向孔精确钻至老空区内巷道 进行老空积水疏放，将一号井老空水全部引入二号井排水系统。工程 概况四、水害防治定向钻进技术应用2.定向钻孔探放老空积水技术2.定向钻孔探放老空积水技术施工地点 ：石炭井焦煤公司一号井位置关系 ：一、二号井间以 F0正断层和 勘探线为界，勘探线两侧煤层自上而下留设梯形隔离煤柱。大多数煤层个别地段煤柱小于规定值，且无专门的防隔水煤柱。治理方案 ：在二号井布置泄水钻场，施工 定向孔精确钻至老空区内巷道 进行老空积水疏放，将一号井老空水全部引入二号井排水系统。四、水害防治定向钻进技术应用石炭井一号井探放老空积水定向孔实钻