千米定向钻机

千米定向钻机（共4篇）

千米定向钻机 篇1

1 概述

为了更好地解决神华宁煤集团的水害问题, 神华宁煤能源工程公司经与中煤科工集团西安研究院多次论证和分析后, 通过对原千米定向钻机及工艺技术进行改造并于2011年8月底采用改造后的定向钻机在神华宁煤集团红柳煤矿3121工作面北端布置了1个试验钻场对设备及探放水工艺进行了试验, 试验于同年11月中旬圆满结束。

2 设备性能及应用

2.1 设备性能

ZDY6000LD钻机是由中煤科工集团西安研究院自行研制和生产, 最大驱动力180 k N, 最大扭矩为6000Nm, 本项目配套使用钻杆直径为73mm的中心通缆式钻杆, 钻机主轴通孔设计为95mm, 主轴倾角调整范围为-10°~35°。

2.2 ZDY6000LD钻机应用

根据鸳鸯湖矿区所属各煤矿水文地质勘查报告, 对于工作面顶板含水层富水采用常规钻机施工钻孔进行疏放时必须待工作面完全开拓成功且工作面具备排水通道及排水能力后方可进行疏放水钻孔施工;对于老空积水由于条件所限, 施工钻孔时需精确施工至目标区域疏放水最佳靶点处, 采用常规钻机施工无法对钻孔轨迹进行控制, 从而导致钻孔无法施工至有效区域内解决老空积水的问题。

为解决工作面顶板水超前疏放及老空水疏放问题, 采用了ZDY6000LD定向钻机分别在神华宁煤集团红柳煤矿3121工作面和I020202工作面、石槽村煤矿1102210工作面、梅花井煤矿1102206工作面和114202工作面、枣泉煤矿11202工作面切眼区域、石炭井焦煤公司一号井老空水等水害治理中进行了应用。

2.2.1 钻场和钻孔设计

定向疏放水钻孔在矿井水害治理过程中根据各矿井项目区周边巷道排水系统及排水能力情况选择合适的位置设计钻场及布置钻孔, 钻场及钻孔具体设计以红柳煤矿3121工作面钻孔设计为例。

根据工作面周边巷道条件本次共布置了4个钻场。其中1号钻场钻场布置在距离冲刷带北242m处的边界泄水巷内HF1测点处, 钻场布置在此处钻孔形成后孔内涌水可直接通过泄水巷自流至永久水仓内;2号钻场布置在工作面机巷内距离工作面开切眼北40m处;3号钻场布置在距离3121工作面运输巷二部皮带安装联络巷北113m处, 4号钻场布置在3121工作面回风巷内距离31采区2煤回风巷北383m处。钻孔布置过程中根据钻场所处区域地质条件分别沿工作面走向及倾向进行布置, 其中1号钻场主要控制区域为紧靠3121工作面切眼北端的冲刷带, 共布置了6个主孔4个分支孔, 共计10个钻孔。2号钻场布置了7个主孔;3号钻场布置了7个主孔1个分支孔共计8个钻孔;4号钻场布置了5个主孔2个分支孔共计7个钻孔。鉴于该项工艺为新工艺, 结合钻机能力及地质条件, 钻孔长度设计为222m~594m之间, 设计工程总量为11202m。具体见钻孔平面布置图。

2.2.2 钻孔工艺技术

1) 钻孔结构

钻孔开孔后采用φ165mm扩孔钻头进行扩孔后下设φ127mm, 壁厚6mm的孔口管, 在含水层中以φ96mm裸孔钻进至终孔位置。

2) 孔口装置

探放水或需要收集放水时的水量、水压等资料时, 需要安装质量合格耐压达2Mpa (需根据具体水头压力进行调整) 的控水阀门 (φ127mm闸板阀) 和压力表。

3) 钻孔施工技术要求

(1) 固孔要求

①固孔必须采用固孔专用设备进行固孔, 固孔深度穿过煤层直接顶板粉砂岩、泥岩段0.5m~1m;

②孔口管外端必须超出巷帮0.2m~0.3m, 并采用固孔专用设备向孔内注入固孔液 (油井水泥) , 注完后必须保证静置到固孔液凝固为止;

③固孔凝固结束后对孔口管必须进行耐压试验, 试验压力为2.5MPa (需根据具体水头压力进行调整) 并稳定30min后, 孔口管周围不渗水时方可钻进。

(2) 定向探放水钻孔施工技术要求

①钻进过程中每3m对钻孔参数进行一次测量, 根据测量参数的情况及时调整钻孔轨迹, 确保钻孔在预定层位中钻进;

②钻进时, 发现钻孔内的水压、水量突然增大, 以及有顶钻等现象时, 必须立即停钻, 记录其孔深并同时将钻杆固定;

③钻进中发现有害气体喷出时, 应立即停止钻进、切断电源, 将人员撤到有新鲜风流的地点, 并立即报告矿调度室, 采取措施;

④为防止钻孔施工过程中孔内水压过大时大量的水及切屑喷出伤及现场工作人员, 钻孔施工过程中下钻前必须连接孔口闸阀及三通并在钻机前端安装具有一定强度的防护网。

2.2.3 钻孔施工及疏放水情况

红柳煤矿3121工作面共完成了4个钻场的21主孔7个分支孔共计28个钻孔的施工, 完成总进尺为10245m。钻孔完成后截止到工作面安全开采时 (2012年5月开始回采) 累计疏放水量达到200万m3。施工过程中对1号钻场钻孔水文参数进行了详细观测, 具体情况见表1:

3 定向疏放水钻机应用效果分析

3.1 千米定向钻机适用条件

千米定向钻进技术在神华宁煤集团矿井水害治理应用过程中通过现场施工总结及摸索, 总结出以下适用条件:

1) 岩石硬度系数1.0

2) 含水层距离开孔点标高不超过100m, 钻孔长度不超过650m;

3) 泥岩层段可以采用套管进行固孔。

3.2 千米定向钻机优越性

通过定向疏放水钻孔施工, 总结处千米定向探放水钻机较常规探放水钻机具有以下优势:

1) 单孔成孔距离长, 常规疏水钻孔深度一般在180 m左右, 定向钻孔深度在650m左右, 平均单孔孔深为常规钻孔的3倍;

2) 补充精确的地质资料, 定向钻进可以通过其分支技术, 来探明含水层顶、底板及断层等地质情况, 可为矿方补充精确的地质资料;

3) 可沿含水层进行钻进, 在含水层中穿行距离长, 钻孔无效进尺少, 常规疏水钻孔在含水层中穿行距离有限;

4) 定向钻孔可超前对工作面顶板水进行疏放, 常规钻孔必须在区段开采巷道形成后才能进行施工, 定向钻进不受此限制, 可以在现有的巷道内通过其钻机精确定向技术施工至目标层位。

4 结论

采用井下定向探放水定向钻机在神华宁煤集团进行水害治理, 其精确的施工精度及长距离施工较常规钻机具有很大优势, 尤其是该项工艺可超前对工作面顶板赋水进行疏放, 延长了疏放水时间, 其意义重大和深远, 在神华宁煤集团具有广阔的推广应用前景。

参考文献

[1]姚宁平, 张杰.煤矿井下定向钻孔轨迹设计与控制技术.煤炭科学技术, 2013, 3.

[2]国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定释义, 2009.

[3]石智军, 等.煤矿井下定向分支孔钻进技术的研究[R].西安:煤科院西安分院技术报告, 1994.

[4]刁文庆, 唐大勇.定向钻进用胎体式PDC钻头烧结工艺研究, 煤炭科学技术, 2013, 3.

千米定向钻机 篇2

关键词：定向钻机,煤矿,探放水,应用

0 引言

中国煤矿在水害防治方面比较成熟的技术和措施有水害预测、探放水、疏干降压和注浆堵水等。近年来发生的水害事故基本上都是老空 (窑) 透水事故, 开展调查论证、查明矿井周边老空积水情况, 并安全排放或隔离是一项有效预防的技术措施。沈阳北方交通重工集团研制的ZDY3500L (A) 型煤矿用履带式液压坑道钻机 (通称:近水平千米定向钻机) 为煤矿瓦斯抽采、水害防治、煤层地质勘探等领域的工程施工钻孔提供了一种全新、有效、专业的解决方案, 兼顾了生产安全的问题, 又能有效提高效率。在山西晋煤集团寺河矿、同煤集团塔山矿和辽宁沈阳煤业集团西马矿等大型矿井试用, 取得了较好的效果[1]。

1 煤矿基本情况

兰花宝欣煤业属于兼并重组整合矿井, 采用主斜井、副立井和回风立井三个井筒、+742 m单水平开拓方式。现主要开采2号、3号煤层, 埋深约为400 m~670 m, 煤层间距为12.7 m~14.1 m, 平均13.4 m, 煤层在奥灰水位以下, 属于全区带压开采。目前矿井正常涌水量为22.3 m3/h, 主要涌水源为井筒渗水、巷道冲尘和生产用水。

由于该矿井边界周边相邻小煤矿多, 采掘范围不明, 需要采用物探、超前钻探、化探等综合技术手段查清水文地质条件[2], 查明相邻矿井的边界防隔水煤 (岩) 柱是否按要求留设, 是否存在老窑积水、煤层采空区积水等水害威胁。2012年10月委托山西山地物探技术有限公司采用瞬变电磁法和氡气放射性测量法等物探方法进行地面勘探提交了物探勘查报告, 发现井田北部边界内有两处低阻异常区, 推断为煤层顶板奥灰水富集及其积水大致范围, 并划出“缓冲安全带”的积水线、探水线、警戒线。

2 定向钻孔施工方案设计

为保证后续采掘衔接施工安全顺利, 采用近水平千米定向钻机施工钻孔对物探圈定异常区域进行探放水工程, 查明矿界周边老空水赋存情况并排放, 彻底消除水害隐患。

2.1 施工设备

考虑现有实际矿井条件, 采用租赁设备厂家的ZDY3500L (A) 型近水平千米定向钻机及配套YST42型随钻测量系统和ZG70/3m型通缆钻杆、Φ73 mm型孔底驱动螺杆马达、Φ96 mm PDC高强金刚石复合片9齿钻头、孔口放水装置和2ZBQ30/30型注浆泵等设备[3]。

2.2 钻孔布置

根据目标区域范围及钻机施工能力, 布置了两个定向探放水钻孔, 沿3号煤层顶板1 m~1.5 m岩层内开孔及封孔, 然后通过钻机的定向钻进一定深度进入煤层, 施工近水平顺层钻孔, 距煤层顶、底板间距控制在0.5 m以上。深度设计为遇见采空区或老空水满足排放条件为止, 预计一号400 m, 二号600 m, 终孔位置探测至矿界, 间距为50 m~100 m, 钻孔终孔位置分别为矿界边界+820 m~850 m标高处 (见图1) 。为减少工程费用, 一号孔基本查明范围内的适当位置开分支钻孔施工二号钻孔。

2.3 钻孔轨迹的设计要求

合理确定整体探放水的区域或目标层位, 计算好开孔点和终孔的坐标, 便于在测控计算机界面查看与控制轨迹[4];全面考虑钻孔轨迹所处的层位关系, 确保设计能够覆盖含水区域。

3 钻孔施工方法及结果

ZDY3500L (A) 型近水平千米定向钻机采用孔底马达为钻头提供动力, 配置随钻测量系统, 分别对孔底位置的重力场和磁场微变进行测量, 通过随机计算机得出钻具倾角、方位角、工具面角等参数, 并描绘出实际钻进轨迹, 为定向钻进提供依据。并通过不断调整钻头的方向, 来引导钻具的姿态朝着设计的轨迹钻进, 从而实现定向钻孔。钻进参数要求见表1。

3.1 施工工艺

根据实际施工, 其工艺流程为:钻场准备→安装固定钻机→开孔及孔口装置的安设、耐压试验→定向钻进施工→成孔退钻 (分支钻进施工) →数据分析处理成图。

3.1.1 钻场准备

在3号煤层轨道大巷迎头左侧施工半煤岩联巷20 m (该段巷道底板标高为+813 m) , 设置钻场高度2.5 m, 宽度4 m;采用锚喷支护, 底板坚硬无浮煤;安设电话并保持通讯畅通;巷内开挖排水渠道及一个沉淀池, 规格为1.2 m×1.2 m×1.0 m (长×宽×深) , 中间隔断高500 mm;并设排水量不小于18 m3/h的一用一备风动水泵, 水泵出口连接到巷道排水沟内;钻场配电点设置1 140 V/660 V的动力电源, 功率保证钻机和通风、照明等用电设备的需求;巷道内采用局部通风方式, 风量不小于200 m3/min。需要考虑钻杆码放、附属设备的摆放及人员安全通道。钻场布置见图2所示。

3.1.2 钻机运输的安装和固定

受井巷运输条件限制, 钻机无法整体下井, 采用了大部件模块解体分部下井运输, 进入钻场后先装配、调试钻机正常运转, 再调钻机方位角和倾角, 用液压支柱将钻机固定, 用道木、背板将支撑柱的爪, 垫平、垫实。再校正一次, 保证开孔方位和倾角符合设计要求。固定后要用地锚和锚链、花篮螺栓将钻机进行加固, 防止打钻过程中钻机发生移位。

3.1.3 开孔和封孔管安装及注浆封孔

开孔采用“一开钻进、一扩”方式, 使用Φ96 mm金刚石复合片钻头回转钻进至15 m, 然后扩孔用Φ96mm/Φ153 mm胎体式扩孔钻头。安装Φ127 mm孔口承压套管:a) 下管。扩孔后, 向孔内下入5"钢管, 要求在每根钢管的中间位置每间隔120°均匀焊接三根长度为100 mm~120 mm、直径为Φ12 mm钢筋 (钢筋两头必须有斜切口) 作为扶正器使用, 钢管与孔壁形成不小于20 mm的环形带, 以保证封孔质量;b) 注浆。孔口管外端必须超出巷帮0.3 m, 并采用2ZBQ30/30型注浆泵向孔内注入膨胀剂和水泥浆液, 直至环形圈带注满位置。水泥浆液的比重为1.6, 为保证封孔质量, 凝固时间要求不低于36 h;c) 孔口试验。待注入孔内的水泥浆凝固72 h后, 用Φ96 mm的钻头进行扫孔, 扫孔16m;检验封孔质量, 必须进行拉力及清水耐压试验, 压力不低于3 MPa、拉力不低于4 MPa, 并保证孔口管周围不漏水、漏气。否则重新注浆封孔, 直至合格为止;d) 安装孔口安全装置。安装顺序依次为Φ127 mm孔口管、高压闸门、压力表、三通、泄水阀、盘根座等 (见图3) 。安装质量合格的控水阀门。连接孔口装置时必须使用M16的螺栓, 每个连接面保证为8条螺栓;e) 安设封孔管防护装置是为了防止孔内压力过大, 将封孔管顶出。在孔口附近四角打上四根锚杆, 用Φ10 mm的钢丝绳、卡扣将四个锚杆和法兰的四个螺栓孔紧密连接;f) 在前一个钻孔水泥浆凝固时间内, 进行下一个钻孔的注浆封孔。

3.1.4 保证开孔质量的技术措施

严格按设计参数开孔、倾角、方位角在设计±2°范围内, 开孔、扩孔深度达到设计要求;开孔时操作要稳, 遵循轻压慢转的原则;扩孔必须采用带导向的钻头进行扩孔;使用规定组合钻具开孔, 达到钻孔开孔阶段的保直性要求。

3.1.5 定向钻进施工技术措施

定向钻进严格遵照审定的设计、措施、技术要求、操作规程。钻进参数的选择要合理, 严禁超负荷运转;施工时钻机操作人员要密切观察仪表情况, 其他人员密切观察返水返渣情况;要时刻注意观察水量、水压等情况, 若遇水压突然增大, 要及时停钻、观察, 确定原因后方可继续钻进。每钻进一根钻杆 (3 m) 测一次, 利用随钻测量系统实时显示轨迹及孔底马达弯头方向, 时刻注意电脑界面并根据实钻情况及时调整工具面角[5], 保证钻孔轨迹符合设计要求。

3.1.6 数据分析处理成图

孔口管封孔前, 先使用孔底马达+测斜装置+无磁钻杆+无磁短接直到封孔段孔底, 建立孔口和封孔段数据基准。必须坚持每班对实钻参数及实钻轨迹进行分析讨论, 分析清楚后由技术员将实际数据编辑成图, 绘制到平面图和剖面图上, 发现问题及时调整技术参数。施工时必须认真填写当班钻孔情况的原始记录, 然后交接到下一班组, 以做后续钻孔施工指导和分析使用。终孔后组织人员进行验孔, 并在2 d内将钻孔数据等相关资料整理完成, 采用excel导入模式进行CAD自动成图。

3.2 定向钻进施工结果

待钻孔水泥浆凝固好后, 安装好钻具可进行探水作业。完成一个钻孔的探水作业后, 如无异常情况, 进行下一个钻孔探水作业。下一个钻孔的作业必须严格按照以上顺序进行。一号钻孔开孔方位259.24°, 标高815.6 m, 轨迹长度366 m, 终孔方位282°, 终孔标高833.54 m, 终孔点位置距离矿井田北部矿界的水平垂直距离为73.20 m。二号钻孔在1号钻孔轨迹180 m处开设分支施工, 开孔方位242.92°, 轨迹长度525 m, 终孔方位282°, 终孔标高845.25 m, 终孔点位置距离矿井田北部矿界的水平垂直距离为18.43 m。定向钻孔轨迹如图4所示。

钻孔现场情况是一号孔施工到351 m处时无法继续钻进, 不返水反渣、无涌水, 钻杆抽拉不动, 强行退钻12 m继续送钻送不到孔底, 退至300 m处缓解, 返水返渣正常, 但返淤水, 送钻只能送至终孔深336 m;二号孔孔深525 m无法继续钻进, 返水量变小, 停钻观察涌水量很小且不均匀, 疏水时间延续25 h左右;探查结果表明, 矿井边界的20 m~73 m范围内存在原有小煤矿采空区但无大量积水, 解除了小煤矿老空水对矿井的威胁, 提前考虑按开采规定留设防水煤柱, 在采掘工程范围内进行补充勘探。

3.3 可能存在的问题及采取的措施

由于ZDY3500L (A) 型近水平千米定向钻机整体设备自身载重和矿井巷道轨道运输条件限制, 而无法将整机运至工作地点的问题, 生产厂家在整体结构设计上, 开发设计了模块化组合结构, 可以拆解使不可拆卸的最大件及载重满足井下运输的条件要求, 分部下井后在坑道内大部件模块装配, 方式灵活, 解决了中小型煤矿井下运输条件限制存在的问题。

钻孔施工过程中可能与采空区积水造成贯通, 必须按照《煤矿防治水规定》要求, 孔口必须安装封孔管及安全装置, 钻孔发生大量涌水后确保人身和设备安全, 避免揭露老空水而引发事故。

针对定向钻进工作特点, 当钻进较深, 仰角较大时, 应注意观察夹持器状态, 避免发生突然退钻的现象。打钻过程中, 水压忽大忽小、返水量变小、返渣有大块均为垮孔、抱钻的预兆, 返水变小或不返水都有可能抱钻, 应退出钻杆至安全可控位置, 反复洗孔, 切不可盲目钻进, 不能旋转时不能强拉强转, 防止钻杆断裂。

4 结语

在矿井边界实施近水平定向钻探工程勘查采空区及积水情况, 并进行老空水探放, 减少矿井区域水害威胁, 消除安全隐患, 保证采区正常接替的巷道掘进安全施工, 达到预期效果;可节省钻探工程量, 减低成本, 缩短时间具有一定优势。近水平千米定向钻机钻进深度可达到1 000 m, 在中小型煤矿瓦斯抽采、探放水的工程钻孔也具有推广应用前景。

参考文献

[1]宋红娟, 王彦青, 周建军.千米定向探放水钻机在神华宁煤集团水害治理中的应用前景展望[C]//中国煤炭机械工业协会.全国煤矿机械与救援装备高层研讨暨新产品技术交流会论文集.沈阳:北方交通重工集团, 2011.

[2]武强, 李周尧.矿井水灾防治[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2002.

[3]曹主军, 周建军, 宋红娟.井下定向钻进技术在矿井老窑水治理中的应用[J].煤炭科学技术, 2014, 42 (10) :106-108.

[4]姚宁平, 张杰.煤矿井下定向钻孔轨迹设计与控制技术[J].煤炭科学技术, 2013, 41 (3) :7-11.

千米定向钻机 篇3

关键词：定向钻孔,瓦斯抽采,千米钻孔

0 引言

随着矿井开采深度、开采强度的增大, 地质构造愈加复杂, 矿井瓦斯涌出量、瓦斯突出危险性增加, 瓦斯涌出呈不规律性。但是, 瓦斯又是经济的可燃气体, 是一种清洁、方便、高效的能源, 其发热量33.5~36.8 MJ/m3, 并且不存在环境污染问题。大力开发煤层气, 既可以充分利用地下资源, 又可以改善矿井安全条件, 提高经济效益, 并有利于改善地方环境质量和全球大气环境[1]。矿井目前瓦斯抽采钻孔施工效率较低, 和煤矿瓦斯灾害治理对瓦斯抽放的要求相比, 我国煤矿瓦斯抽放效果亟待提高[2]。钻孔施工设备不足, 施工过程和打钻深度受采掘的制约, 影响了矿井瓦斯的高效抽采。矿井瓦斯抽放是从源头上防止瓦斯事故的治本措施, 是减少瓦斯向采掘空间涌出, 降低井下空气中瓦斯浓度的有效方法[3]。但是我国目前的平均抽放率仅有23%, 低于俄罗斯、美国、澳大利亚等主要采煤国家的50%[4。因此需要先进的瓦斯抽采技术用于区域瓦斯治理, 提高瓦斯抽采率, 解决煤矿高瓦斯区域工作面瓦斯安全问题。

1 矿井概况

神华乌海能源公司乌达矿区目前有黄白茨、五虎山两个高瓦斯矿井, 拥有煤炭储量1.3×108 t, 瓦斯地质储量1.1×109 m3。五虎山煤矿主采9#、10#、12#煤层, 核定生产能力为200万t/a, 矿井绝对瓦斯涌出量为87.43 m3/min, 相对瓦斯涌出量38.2 m3/t, 采面最大绝对瓦斯涌出量为23.8 m3/min。黄白茨煤矿绝对瓦斯涌出量为50.81 m3/min。

钻孔施工设备为澳大利亚威利朗沃集团有限公司的VLD-1000系列长距离定向钻机, 是世界煤层钻进最先进的千米定向钻机。该钻机在钻机定位、钻具安装、煤层钻进、完孔接抽等方面具有完备、系统的技术工艺。每根钻杆直径70 mm、长3 000 mm;钻头直径96 mm, 钻孔实际直径110 mm, 封孔管直径108 mm, 长8 00 mm。

2 治理瓦斯钻孔施工总体方案

2.1 钻孔布置参数设置

瓦斯治理大致可分为本煤层瓦斯、邻近层瓦斯及采空区瓦斯, 要根据不同的瓦斯来源采取相应的技术进行瓦斯治理, 如图1所示。本项目针对乌达矿区五虎山和黄白茨煤矿开采煤层进行钻孔参数设置, 其中以五虎山矿12#煤层的瓦斯钻孔设计为例进行说明。

施工采用VLD-1000型定向钻机, 开孔直径145 mm, 然后用长度为6 000 mm, 直径100 mm孔管封孔, 壁间采用专用水泥密闭凝固后用直径96 mm钻头, 钻进至终孔。钻孔设计情况如图2所示。

采用千米定向钻孔对开采煤层进行瓦斯抽采具有工程量小、工期短的优点, 从而比普通钻孔技术获得更长的瓦斯抽采时间。1205工作面钻孔设置情况如表1所示。

2.2 钻孔施工工艺

采用VDL-1000型定向钻机, 其具体施工工艺为: (1) 钻机定位。根据推测煤层倾角, 按设计开孔方位和设计钻机开孔倾角定位钻机, 使用专用的液压支柱及拉力为1.5 t的机械式紧线器固定钻机; (2) 煤层开孔。使用直径150 mm三牙轮岩石钻头开孔, 煤层中开孔深度6~12 m。成孔后使用直径100 mm专用封孔管和专用水泥注浆封孔, 封孔结束后4 h安装孔口设施; (3) 钻具安装。安装孔底马达、DGS钻杆和无磁铜钻杆, 校正马达弯头方向; (4) 岩石钻进。使用96 mm三牙轮钻头进行岩石钻进, 从孔口开始一般每6 m (2根钻杆) 测量1次孔底参数; (5) 煤层钻进。钻孔揭煤后洗孔, 待返水稳定后退出钻杆, 更换成96 mm (PCD) 钻头按设计方位及倾角进行钻进, 一般每6 m进行1次孔底参数测量; (6) 措施孔钻进。一般煤矿缺乏详细的煤层资料, 为保证实现煤层钻进, 在钻进中每75~100 m间距探煤层顶板一次, 以确定煤层状况并指导钻进。探顶结束后退钻杆至预留的分支点, 继续主孔钻进; (7) 钻孔封孔。钻进开孔时采用直径150 mm的钻头开孔, 然后下长6 m、直径100 mm的孔管封孔, 管壁与煤壁之间用专用水泥封闭。采用注浆机向壁间灌注水泥, 水泥凝固后, 用直径96 mm的钻头钻进; (8) 完孔接抽。完孔后安装孔板流量装置并将钻孔并入矿井主抽放系统进行联网抽放。接抽后第一个月内每周5次对钻孔流量进行测量, 从第2个月开始每周至少2次对钻孔瓦斯流量进行测量, 直到项目结束, 测量结果形成抽采日报表及月报表。

3 千米定向钻孔抽采效果及优势

千米定向钻孔技术分别应用在黄白茨、五虎山的瓦斯治理上, 所施工钻孔抽采效果良好, 平均抽采瓦斯浓度为61%, 最高达90.1%。由表2、3可知, 矿区瓦斯抽采效率达40%, 抽采瓦斯3.152×107m3, 对神华乌海能源公司的瓦斯治理工作起到了积极的作用。

104m3

煤层中的瓦斯主要有吸附和游离两种状态, 其中吸附态瓦斯占煤层瓦斯含量的80%~90%, 吸附状态与游离状态瓦斯处于一种动态平衡。定向钻孔可沿钻孔长度方向在周围煤体内形成一个卸压圈, 能够改变煤体原有的应力平衡状态, 从而打破煤体内瓦斯吸附-解析的动态平衡。由于钻孔负压与煤体的孔隙形成一定的压力梯度, 处于正压状态下的瓦斯会通过卸压圈裂隙不断流向钻孔空间, 补充流失的游离瓦斯以达到新的平衡。煤体吸附瓦斯向游离状态转换, 使周围煤体瓦斯得到有效排放, 引起煤体发生收缩变形、坚固性系数增大、透气性系数大幅增高、地应力与瓦斯压力梯度减小, 而千米定向钻孔影响范围扩大, 对提高抽采效果起到积极作用。

千米定向钻孔与普通倾向钻孔的抽放流量、抽采浓度效果比较如图3、4所示。从图3、4中可以看出千米钻孔最大瓦斯流量和瓦斯浓度分别是普通钻孔的3.6倍和8.5倍, 千米定向钻孔抽放效果大大优于普通钻孔。

4 结论

(1) 乌达矿区高瓦斯矿井五虎山煤矿和黄白茨煤矿应用千米定向钻孔技术大大提高了瓦斯抽采效率, 由以前的平均不足30%提高到40%以上, 瓦斯抽采浓度平均为61%, 单孔最大浓度达90.1%, 为乌达矿区高瓦斯煤矿安全生产提供了技术保障。

(2) 千米定向钻孔施工方便, 操作简单, 施工工期短, 一定程度上可提高煤层透气性系数, 相对于普通钻孔, 施工能够提供较长的瓦斯抽放时间, 有利于提高瓦斯抽采率。

参考文献

[1]吴财芳, 曾勇, 秦勇.煤与瓦斯共采技术的研究现状及其应用发展[J].中国矿业大学学报, 2004, 33 (2) .

[2]王兆丰, 刘军.我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨[J].煤矿安全, 2005, 36 (3) .

[3]程建军, 程绍仁.煤矿瓦斯抽放存在问题及对策[J].煤炭工程, 2005 (1) .

千米定向钻机 篇4

关键词：千米钻机,成孔距离,轨迹,高效

1 前言

中煤能源鄂尔多斯分公司母杜柴登煤矿是中煤蒙陕亿吨级煤炭基地的主力矿井之一, 一期工程设计生产能力为6.0Mt/a, 二期设计生产能力为10.0 Mt/a, 现处于矿井建设阶段尚未正式投产, 井下主要掘进巷道为首采30201工作面的2条回风巷和2条运输巷, 30201工作面长度为3500m, 宽度为240m, 设计生产能力为4.2 Mt/a。威胁该工作面的主要含水层是3-1煤与2-2中煤之间的延安组砂岩孔隙裂隙承压含水层以及直罗组底部中粗砂岩孔隙裂隙承压含水层, 现已施工的3-1煤顶板超前探水钻孔, 实测单孔最大涌水量达到220m3/h, 最大水压达到3.8MPa;因此巷道掘进阶段的超前探水工作在巷道快速掘进、安全施工方面显得尤为重要。母杜柴登矿是全机械化生产的现代化矿井, 并在超前探水中大胆引进了千米定向钻探技术, 已累计完成8个钻孔, 钻进进尺4056m, 取得了良好的效果。

2 ZDY6000LD钻机介绍及应用

2.1 钻机各部分介绍

ZDY6000LD钻机最大扭矩6000N·m, 最大驱动力180k N, 配套Φ73mm中心通缆钻杆, Φ96mm平底烧结胎体式PDC钻头和Φ153mm、Φ193mm扩孔钻头;同时配备YHD1-1000随钻测量系统, 该系统可随钻测量钻孔倾角、方位角及螺杆钻具面向角等主要参数, 可实现钻孔参数、钻孔轨迹的即时显示, 便于施钻人员随时了解钻孔施工情况。

2.2 钻探施工

(1) 钻孔设计和钻场布置

根据钻孔用途、钻具所允许的弯曲强度、钻孔类型以及实际的地质状况设计钻孔, 钻场均利用联络巷进行布置, 钻场尺寸设计为6.5m×5.5×2.5m。母杜柴登矿已先后分别在30201工作面1号和2号回风巷中间利用回风联络巷施工钻场4个, 成孔8个, 钻进深度单孔580~708m。

(2) 钻进

开孔:首先依据设计的钻孔倾角和方位角, 用Φ96mm钻头开孔至孔口管埋设深度;

扩孔:再用Φ153mm钻头第一次扩孔到孔底, 接着用Φ193mm钻头第二次扩孔到孔底;

固管:埋设孔口管并进行注浆固管, 待凝固后进行定向钻机;

钻进:使用Φ96mm定向钻头+Φ73mm螺杆马达+Φ76mm下无磁钻杆+Φ76mm测量探管+Φ76mm上无磁钻杆+Φ73mm通缆钻杆+Φ76mm水鞭, 利用泥浆泵产生的压力水进行定向钻进, 并根据实际情况每前进一段距离, 测量一次钻孔倾角、方位角和工具向角及时参照设计调整钻探轨迹。

(3) 取得效果

千米定向钻机从投入使用到现在, 在4个钻场共完成8个钻孔, ZDY6000LD钻机在岩层中钻进的最长距离708m, 包括钻机搬家、钻场硬化、孔口管埋设等共耗时11天, 保证安全掘进678m, 取得良好的实际效果, 并消除了探水时间和掘进的接续矛盾。

3 千米定向钻探技术应用效果分析

3.1 钻探作业可与掘进同步进行

常规钻探方式在探水作业期间, 要求将钻机稳固在掘进工作面, 掘进设备必须退后10m范围, 并且在探水作业期间, 掘进作业无法正常施工、只能停工, 这极大的束缚了高产高效掘进设备的生产能力。

千米定向钻探的钻场布置在掘进工作面侧后方, 由于钻探轨迹可控, 在掘进工作面后方开孔后, 可控制钻头绕行到掘进工作面前方探水区域, 再继续前行探水, 探水作业与掘进作业同步平行进行、互不影响, 保证了快速掘进, 释放了高产高效掘进设备的生产能力。

3.2 单孔成孔距离长

目前常用的常规钻探技术单孔成孔距离一般为130m, 超前距30m, 有效超前探距离仅为100m, 每掘进1000m则需要搬迁钻机10次, 频繁的搬迁增加了作业人员的劳动强度, 降低综合作业效率。

千米定向钻探单孔平均成孔距离为500m (最低钻进深度) , 平均每掘进1000m只需要搬家2次, 增加了综合作业效率。

3.3 提高功效降低成本

常规钻机和千米定向钻机每次钻探均要根据水头压力、岩性情况施工相同长度的孔口管, 消耗的管材、注浆固管材料、每次钻探后留设的超前距都是一样的, 这样常规钻机钻探距离短, 搬家、固管的次数多, 正常钻探前的准备时间多, 造成了施工成本高, 耗费时间长, 不利于快速高效掘进设备潜能发挥。

3.4 钻探轨迹可控性高

常规钻探技术因为没有准确的定向系统, 而无法准确控制钻孔轨迹, 实际轨迹与预想轨迹偏差较大, 产生了比较多的无效钻探距离, 甚至可能出现钻孔导通含水层的现象。

千米定向技术在进行探水钻孔施工时, 利用钻机的定向造斜纠偏功能, 通过测量系统精确测量, 利用电脑软件的分析处理, 可及时控制钻头及钻进轨迹。并且可对物探探测的异常区域进行精确靶区探测。

3.5 探测有效区域大

常规钻探技术由于轨迹不可控, 探测区域可能不都在影响巷道安全掘进的范围, 造成大量无效探测。

千米定向钻探技术由于钻探轨迹精确控制, 可对影响巷道安全掘进的所有范围进行准确探测, 不会超出目标探测范围, 所有探测区域均有效。

3.6 补充精确的地质资料

常规钻探技术也可以提前揭露地质构造, 补充地质资料, 但由于钻探轨迹位置不可知, 所以不能精确说明揭露的地质资料的准确位置。

千米定向钻探技术, 钻探轨迹的每一点坐标都可准确测得, 对于揭露的地质情况, 可以进行精确描述, 详细地补充了地质资料。

3.7 钻探作业安全性高

常规钻探技术若发生孔底压力, 则会造成突然退钻, 容易给作业人员和设备带来伤害。

千米定向钻探技术在钻进过程中, 始终保持夹持器夹紧状态, 当发生孔底压力时, 避免发生突然退钻事故, 提高了钻探作业的安全性。

4、总结