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1、岳 城 矿 科 技 创 新 论 文第 1 页 共 7 页浅谈千米钻机在松软、多层理煤层中的浅谈千米钻机在松软、多层理煤层中的 打钻技术打钻技术Discussion on kilometer rig in soft, multilayer and in the coal seam drilling technology冯亚楠（山西大同大学毕业，现工作晋煤集团沁秀公司岳城煤矿） 摘要：摘要：千米钻机是目前世界上较为先进的定向长钻孔施工设备，在本煤层定向长钻孔施工 中有很好的应用基础。定向长钻孔的施工主要应用于掘进巷道的掩护抽放，从而实现巷道 的“边掘边抽” ，使矿井的“抽、掘、采”达到最优化。但在
2、现实的情况中，定向（千米） 长钻孔只能在煤层较为坚硬、且煤层层理简单的地质条件下施工成功，在较为松软、层理 复杂的煤层下往往因为煤层塌孔而导致钻孔施工失败。针对上述现象我们提出了改变开孔 角度（即与层理走向方向平行或近平行开孔） ，改变钻进速度（低压低速给进） ，百米旋转 开孔等方法，大大提高了千米钻机在松软、多层理煤层中的成孔率，有效发挥了定向长钻 孔的在掘进中抽放优势。 Abstract: Kilometer rig is currently the worlds more advanced long directional drilling construction equipment
3、in the coal seam, long directional drilling construction has the very good application foundation. Long directional drilling is mainly applied in the excavation roadway cover drainage, thereby realizing roadway“ driving while pumping“, make mine “pumping, digging, collecting“ achieve optimization. B
4、ut in realistic situations, directional ( km ) long borehole in coal seam, and the only relatively hard coal bedding simple geological construction under the condition of success, in the relatively soft, bedding complex coal seam often because of hole collapse in coal seam drilling failure. For the
5、above phenomenon we propose changes of opening angle ( i.e., and bedding toward a direction parallel or nearly parallel hole ), change the drilling speed ( low pressure and low speed feed ), 100 meters rotary hole method, greatly improving the kilometer rig in soft, multilayer seam the pore-forming
6、rate, effective play a directional long drilling in the process of digging drainage advantage. 关键词：关键词： 瓦斯抽放 松软、多层理煤层 定向长钻孔 千米钻机 Key Words: Gas drainage, multilayer soft seam, directional drilling long, kilometer rig 概况概况 沁秀煤业公司岳城煤矿位于沁水县郑村镇、沁水煤田东南部、寺河井田东区和北区的 交界处。矿井井田面积为 6.6557km2,可采储量约 4608.2 万吨，均为
7、高变质程度的无烟煤。 于 2009 年 3 月正式建成投产，年设计能力 90 万 t/a,批准开采煤层 3# 、9# 、15#，先开采 的 3#煤层厚度 5.5-6.5m，平均为 6m，伪顶为炭质泥岩，厚 0.2-0.3m，直接顶为砂质泥岩， 厚 6-7m，老顶为砂岩，厚 8m 左右。煤体瓦斯含量平均 14.54m3/t。矿井瓦斯鉴定结果为高 瓦斯矿井，其中矿井相对瓦斯涌出量为 234.53 m3/min，相对瓦斯涌出量为 75.03 m3/t。 3#煤层瓦斯参数分别测定如下：瓦斯压力 0.68Mpa，平均瓦斯含量 14.54（m3/t） ，透气性系数 18.7352.38 m2/（Mpa3d
8、） ， 瓦斯放散性指数P 为 1622，煤的坚固系数为 0.32.9，钻孔瓦斯流量衰减系数为 0.04030.0417d-1。对照图表 1，可判断 3#煤层为可以抽放煤层。 1、岳城煤矿定向（千米）钻孔瓦斯抽放施工现状、岳城煤矿定向（千米）钻孔瓦斯抽放施工现状 岳城矿于 2009 年 10 月引进西安煤科院的定向钻机，2010 年 3 月引进了澳大利亚的 VLD1000 钻机，正式开始了本煤层定向瓦斯钻孔的施工。主要在掘进巷道布置钻场施工掩 护钻孔和在回采工作面布置钻场施工回采面预抽钻孔，但因为煤层塌孔，大多数钻孔在类别 钻孔流量衰减系数 m2/MPa2d 煤层透气性系数 d-1 容易抽放 0
9、.003 10 可以抽放 0.0030.05 100.1 较难抽放 0.05 0.1岳 城 矿 科 技 创 新 论 文第 2 页 共 7 页200300 米就因为塌孔不得退钻，而且常常出现塌孔压钻、卡钻、堵孔等现象。表 11.1 岳城煤矿定向（千米）钻孔抽放设计岳城煤矿定向（千米）钻孔抽放设计 定向（千米）钻孔在掘进巷道进行掩护抽放，在掘进巷道布置抽放钻场，设计施工定向 长钻孔进行掩护抽放，然后让定向钻进或千米钻机在钻场内进行施工。如果达到设计有求 的话，可以大大延长巷道的掘进时间，实现“边掘边抽” 。如图所示：实际施工钻孔设计施工钻孔该钻孔为在西翼 23011 巷和 23012 巷三钻场设计
10、掩护钻孔，该掩护钻孔设计深度 600 米， 直接延伸至工作面切眼尾巷处。钻孔扩孔直径 125mm,终孔直径 96mm。预计抽采浓度达 30%80%，抽采流量达 1020 m3/min，预计抽采时间 90180 天，抽采完后煤体瓦斯含量 降低至 5 m3/t 以下。但由于煤层塌孔，钻进过程中煤渣排放不利，钻杆多次被压，直接导致施工深度在 200 米处不能正常钻进，退钻封孔。特别是在 23012 巷三钻场施工的钻孔，开孔就有塌孔现象， 1、2 号钻孔施工至 70 米不能正常施工，直接退钻封孔。定向（千米）钻孔在回采工作面宽度方向进行钻孔设计，对回采工作面进行瓦斯抽放， 实现回采工作面的预抽，提高回
11、采工作面的预抽时间。该钻孔设计要求是确保钻孔的轨迹 在下层回采面中间，确保上层工作面回采时钻孔仍能实现瓦斯抽放，达到“边采边抽” 。如岳 城 矿 科 技 创 新 论 文第 3 页 共 7 页图所示：实际施工钻孔设计施工钻孔该钻孔为西翼 2301（上）回采工作面设计钻孔，该钻孔设计深度 600 米，钻孔轨迹控 制在下层回采工作面内。钻孔开孔直径 125mm，终孔直径 96mm。预计抽采浓度 30%80%， 抽采流量达 1525 m3/min，预计抽采时间 120360 天，抽采完后煤体瓦斯含量降低至 5 m3/t 以下。该设计钻孔要求钻孔轨迹控制在 2301（下）工作面，这样可以确保在 2301
12、（上） 工作面回采时该钻孔继续施工，有效延长钻孔瓦斯抽放量和钻孔时间，达到“边采边抽” 。 1.2 岳城煤矿定向（千米）钻孔施工情况分析岳城煤矿定向（千米）钻孔施工情况分析岳城煤矿煤层属于多层理、松软煤层，由于定向、千米钻孔的钻机属于马达驱动钻头。 大部分钻杆在钻孔内是不旋转的，这样导致钻孔排渣成为定向钻孔首先需要解决的问题。 针对我矿煤层地质条件（松软、多层理煤层）分析，定向钻孔在施工中的失败因素： A、我们施工的钻孔好多因为钻孔排渣不利导致钻孔施工失败。钻孔钻屑主要取决于钻 进速度，钻进速度过快，钻屑粒度就大，这样排渣就会不利，最终钻孔压力大，钻孔失败。B、钻孔塌孔成为钻孔施工的最大限制因
13、素。根据钻孔成孔原理和现场总结经验，钻孔 在百米范围内的塌孔最为严重，百米范围外钻孔成孔效果会逐渐成型。岳 城 矿 科 技 创 新 论 文第 4 页 共 7 页C、开孔方位角的选择也是较为关键的因素。开孔倾角成负角会导致钻孔排渣不利，另 外开孔方位角和煤层层理夹角过大会破会煤层层理的整体性，导致塌孔频繁。2、定向（千米）钻孔施工工艺改进、定向（千米）钻孔施工工艺改进针对松软、多层理煤层的定向（千米）钻孔施工中出现的问题，我们分别提出了改变钻 孔开孔方位角、控制钻进速度（地压低速） ，百米钻孔选择开孔等方式，大大提高了定向 （千米）的成孔率，提高了定向（千米）钻孔瓦斯抽放效果。2.1 沿煤层层理
14、走向开孔提高成孔率沿煤层层理走向开孔提高成孔率岳城矿多层理煤层的条件是钻孔塌孔的主要因素。通过不断的总结试验，我们对开孔倾 角度做了改变，在 12 度的开孔角度之间，可确保钻孔能再 100 米范围内，成上仰趋势， 这样钻孔的排渣会非常的顺畅。另外沿着煤层层理方向开孔（使用与钻场掩护孔） ，或与煤 层层理方向成一定角度（510 度）方位角，可大大提高钻孔在多层理煤层中的成孔率。多层理煤层最佳开孔方位角煤层层理走向钻场该方法的应用大大提高了钻孔成孔率，我们在 13052 巷 2、3、4 钻场应用此方法，总计 施工 11 个，成孔 10 个，其中 2 钻场 5 号孔施工主孔深度达 1011 米，创我
15、矿记录。2.2 低压低速给进降低钻孔压力低压低速给进降低钻孔压力钻机的钻进速度直接影响着钻孔煤屑粒度，煤屑粒度过大导致钻孔排渣不利，钻孔压力 过大，导致钻孔失败。通过对 13052 巷 2 钻场 4 号孔所做的跟踪记录如下表：岳 城 矿 科 技 创 新 论 文第 5 页 共 7 页压力（psi）速度（m/min）10020030040050060070080000.20.40.60.811.21.4100200300400500600700压力 速度4 号孔记录表 通过图表可知，钻孔在 400 米前，钻孔深度压力不大，随着钻孔深度增加，钻机压力逐渐 增大，这样我们通过降低钻机速度，降低煤屑粒度
16、，大大增加冲孔时间，将钻孔内煤泥冲 洗干净。这样钻孔深度到了 800 米，钻孔的压力也变化不大。我们在 13052 巷 2 钻场施工 4 号孔中，严格控制钻进速度，以低压低速给进，提高了钻 孔的施工效果，主孔深度达到 813 米。2.3 百米旋转开孔法应用效果百米旋转开孔法应用效果百米旋转开孔法，就是把 MK 系列钻机的钻进方法和定向钻进方法相结合的一种钻进方 法，该方法有效避免钻孔塌孔的现象，特别是钻孔百米范围内塌孔，有较为广泛的推广价 值。 方法介绍： 首先用普通开孔方式进行扩孔、封孔；然后用普通钻进方式进行旋转钻进进行初次探顶， 退钻；安装 DGS 和孔底马达，在钻孔中间选择分支点进行开分
