煤矿井下钻探装备技术现状及展望

煤矿井下钻探装备对保障矿井安全高效生产起着至关重要的作用,经过四十多年的发展,其技术水平得到很大的提高。结合产品特点、技术类型和应用领域,总体介绍了国内外煤矿井下钻探装备的技术现状,分析了国外钻机的应用效果和存在问题,重点对国内钻机开发的历程和现状进行概述,详细论述了分体钻机、履带式钻机、电液控制钻机、胶轮自行式钻机和定向钻机5个具有代表性机型的技术现状,对产品开发思路和相关应用情况也做了必要阐述,最后分析了煤矿井下钻探装备的信息化、自动化和智能化的发展趋势。      

我国煤矿井下复杂地质条件下钻探技术与装备进展

针对我国煤矿井下碎软煤层、坚硬岩层、冲击地压地层、破碎带、水敏性地层等复杂地质条件下钻探技术需求和存在的问题，总结了碎软煤层本煤层钻进与筛管护孔、碎软煤层梳状钻孔定向钻进、复杂顶板高位钻孔定向钻进、全断面硬岩穿层钻进、冲击地压卸压钻进等技术与装备方面的研究和应用情况。提出了碎软煤层双管护孔定向钻进及碎软煤层旋转定向钻进技术与装备的研究思路，有助于提升碎软煤层钻进的钻孔深度、护孔筛管直径和钻进效率等，而碎软煤层定向钻进技术与配套装备的完善也将促进碎软煤层瓦斯抽采模式的变革。防冲防突钻孔机器人的研究是煤矿井下复杂地质条件下钻探技术与装备的发展趋势，可为无人化矿井建设奠定基础；除此之外，还应着力解决好局部复杂地层对钻进的影响，更好地促进智能化钻探技术装备的进步，为煤矿安全高效生产提供保障。      

我国煤矿井下近水平定向钻进技术的发展

煤矿坑道近水平定向钻进技术是钻探工程领域的一项新技术,主要应用于岩层和较稳定、较硬煤层的瓦斯抽放钻孔和地质勘探孔。简述了国内外煤矿井下近水平定向钻进技术的发展概况,对目前煤矿井下近水平定向钻进技术所采用的稳定组合钻具钻进和孔底螺杆马达钻进两种主要方法的特点与适用范围作了分析。结合我国煤矿井下地质条件、煤层特征和定向钻孔的技术要求,对我国煤矿井下定向钻进技术的应用提出了几点建议,并对我国煤矿井下定向钻进技术与装备进行了展望。     

煤矿水害精准探查钻探技术

为了保证煤矿井下安全生产,对煤矿水害精准探查钻探技术进行了系统的分析与研究。针对桑树坪煤矿3110工作面230 m皮带巷道物探探测结果,对富水异常区域布设探查钻孔,采用随钻测量定向钻探技术与常规回转钻探技术相结合的钻探方法进行区域探查试验。桑树坪煤矿现场试验结果表明,精准钻探技术能通过富水区域空间位置灵活布设钻孔的方式对煤矿井下富水异常区域进行探查,同时,可以有效地推断出地质异常区域范围,避免异常富水区域突水淹井事故,确保了桑树坪矿11号煤巷道的安全掘进,为煤矿区地质异常区探测提供技术支持,为煤矿井下安全生产提供保障。     

煤矿井下智能化钻探装备发展现状及展望

经过近60年的发展,煤矿坑道钻探装备已经形成满足多种用途、适用于多种钻进孔深要求的多规格、多系列产品,但现有成熟钻探装备主要以全液压驱动和人工操作为主。随着我国煤矿企业在智能化方面建设的大力投入,传统全液压驱动的坑道钻探装备已无法满足当前煤矿智能化发展需要。结合坑道钻探的施工特点,分析了国外典型坑道钻探装备的技术现状和功能特点,以及存在的问题,重点针对国内坑道钻探装备不同施工需求的智能化方面的进展情况进行概述,分别介绍了常规自动化钻机、钻孔机器人、大功率自动化定向钻机、自动化防冲击钻机等方面的研究进展,提出了我国煤矿井下钻探装备智能化建设方面还需解决的关键问题,并通过分步实施方式,加快推进煤矿井下钻探装备的智能化水平。     

郑州煤矿区井下水文观测孔施工技术

郑州地区煤矿水文观测孔以前均在地面施工,由于施工和维护成本较高,近年来逐渐推广在井下施工。2013年国家煤矿安全监察局将《高压水探放技术与装备》列入《水害防治关键技术与装备研究课题》。随着井下钻探技术和装备日趋成熟,特别是井下专用探放水钻机、孔口防喷装置、松软破碎地层跟管钻进技术、硬岩层高效定向钻进技术等方面的难题相继被攻克,煤矿井下钻探已实现了安全型作业。针对井下钻探施工的特殊性,主要从水文观测孔施工难点和解决方法进行了详细阐述,包括设备选型、钻孔定位、破碎地层潜孔锤跟管钻进、固井和井控防喷以及成孔后酸化洗井等方面。     

深部煤炭资源安全高效开发地质保障系统研究

在分析深部煤矿床就位机制和理清影响深部矿井安全高效开采各种地质因素的基础上,将深部煤矿床勘查类型划分为2类5型12亚类,讨论了不同勘查类型的地质保障任务、勘查方略与技术保障体系:新区和老矿区的深部煤炭资源勘查采取"快速扫面、筛选靶区、地面物探先行、深钻验证"方略;生产矿井深部资源勘查采取"物探先行、井下钻探验证";采区地质条件探测实施"物探先行、长钻验证";工作面地质条件探测实行"井下物探先行、长钻验证、短钻保证、巷探跟踪"。采取地面与井下结合的立体式勘查模式,优化配套勘查技术开展综合勘探,通过多手段相互补充与多成果互相验证,为深部矿井生产建设提供可靠的地质保障,是解决"有煤难采"问题的关键。      

矿井事故垂直救援孔快速钻进技术研究

近些年来,在矿井事故应急救援中,钻探垂直救援井是重要手段之一。当矿井事故发生后,人员被困井下,地面救护人员无法通过井巷进行快速救援的情况下,在被困井下人员生命尚存的“黄金救援”时限内,运用先进的钻探工程技术方法,可安全、快速、精准地打通地面直通井下巷道的钻孔,从而达到维持生命、营救井下被困人员的预期目的。本文根据宁东煤田羊场湾煤矿地质条件,进行矿山钻探垂直应急救援小口径钻孔孔身结构设计、钻井方法选择、钻具结构设计、钻井液设计及钻井参数设计等快速钻井技术研究,旨在为宁夏矿山钻探垂直救援孔提供支持,促进矿山事故救援成功率的提升。     

煤矿井下深立孔钻探施工技术方法

近年来，随着煤矿开采深度的不断增加和钻探技术的发展，矿井井下补勘钻孔施工量也明显增多，本文以济北矿区葛亭煤矿250采区水文地质补充勘探井下钻孔的施工为例，介绍了井下超深钻孔的施工技术方法，总结了煤矿井下深立孔钻探的施工经验，为以后同类工程施工提供了参考。     

我国煤矿井下智能化钻探技术装备发展与展望

煤矿井下智能化钻探技术装备是煤矿智能化建设的重要组成部分,也是当前煤矿企业深入推进减人增效工作所急需的先进技术装备。系统总结了“十三五”期间我国煤矿井下智能化钻探技术装备所取得的阶段性成果,重点介绍了自动化钻机、随钻参数监测系统和旋转导向系统等关键技术装备的发展现状。全面分析了制约井下智能化钻探技术装备研发与应用的关键因素:钻机智能化水平较低、随钻探测数据类型少、多系统集成控制难。在此基础上提出深入推进数字化、网络化、智能化技术与传统坑道钻探技术结合,强化多学科融合和协同创新能力;并不断加强智能化钻探技术装备研发与应用人才的培养力度,以技术装备为支撑、以数字化平台为保障、以人才队伍建设为基础;在智能化钻机、高精度数据获取与传输技术、钻孔轨迹智能优化与控制技术、辅助关联设备集成控制技术、数字化钻进平台开展攻关,以实现煤矿井下钻孔全流程智能化施工作业。      

钻探技术在煤矿水害防治工作中的应用

钻探作为煤矿水害防治工作一种重要的技术手段,得到了广泛的应用。煤矿大口径排水井钻进技术、底板多分支水平井地面定向钻进及注浆加固改造技术、井下定向探（疏）放水钻进技术、注浆封堵突水通道钻探技术和矿井突水灾害快速钻进救援技术等煤矿防治水钻探技术,在煤矿水害防治工作中得到了广泛应用,取得了良好效果。加强防治水钻探配套设备的研发和相关钻探工艺技术研究,将有力促进煤矿水害防治工作的发展。     

矿井地质工程专家吴璋

<正>吴璋(1973.6-),男,汉族,陕西富平人,工学博士,研究员。现任中煤科工集团西安研究院有限公司工程地质研究所副所长。吴璋多年来主要从事煤矿井下钻探工艺、矿山工程地质和岩土工程领域的研究、咨询与管理工作。先后参与完成了煤矿井下受控和随钻测控千米定向钻进装备与工艺的研究,使我国的煤矿井下定向钻孔的施工水平稳步提升;在矿山地质和岩土工程方面,重点进行了井巷特殊支护、浅埋煤层开采和地质灾害防治等方面的研究。主持的陕西省工业攻关项目"神府矿区浅埋煤层薄基岩松散富水区域井下顶板改造加固技术研究"在神东     

ZDY25000LDK智能化定向钻进装备关键技术研究

利用顺煤层、顶板高位钻孔抽采煤层气是当前煤矿井下煤层气综合治理最直接、有效的方法。提高定向钻孔钻进速度和起伏变化大、薄厚不均煤层中的钻遇率,降低施工人员劳动强度,提高钻孔事故预防能力,适应煤矿智能化发展需求,满足煤矿井下长距离定向钻孔施工的智能化钻进装备是当前煤矿井下钻探领域亟待解决的重要问题。基于地质导向和旋转导向钻进施工对钻机精确控制的实际需求,以及煤矿智能化发展的迫切需要,提出了基于防爆电液控制技术的煤矿井下长距离定向钻进装备自动化控制和分体紧凑布局设计的集成化解决方案。重点解决总体紧凑布局设计、关键执行部件设计、自动装卸钻杆技术、防爆电液控制技术、大流量泥浆泵单元设计等设计和技术。研制的ZDY25000LDK智能化定向钻进装备,实现了长距离定向钻进施工过程中自动化装卸钻杆控制、智能化定向钻进施工、参数实时监测以及典型故障智能诊断与预警等功能,使定向钻进装备的智能化水平得到全面提升,为旋转导向和地质导向施工,以及“以孔代巷”大直径定向钻孔高效施工提供了可靠装备保障。      

我国煤矿区钻探技术装备研究进展

煤矿区钻探技术装备在煤层气（瓦斯）开发、保障煤矿安全生产等领域发挥着关键作用。我国煤层赋存地质条件、开采条件复杂,决定了煤矿区钻探技术装备的发展必须立足于我国煤矿区基本现状、走自主创新的道路。系统总结了"十一五"和"十二五"期间我国煤矿区钻探技术装备取得的代表性成果,全面介绍了煤矿区地面钻井与井下钻孔在煤层气（瓦斯）开发、水害防治、应急救援通道构建等方面取得的重要成果。针对新形势下煤矿安全高效生产对钻探技术装备的发展需求及其所面临的关键难题,提出了开发高可靠性、智能化钻探技术装备的发展方向,以期进一步提升煤矿区钻探技术水平、推动国产化钻探装备转型升级。      

煤矿井下钻探用系列泥浆泵车研制

为了解决煤矿井下大功率钻探设备外形尺寸增大而带来的井下运输和钻场使用不便等问题,基于将大功率设备多体化的思路,提出了煤矿井下钻探用泥浆泵车这一煤矿井下新型钻探设备。通过对泥浆泵单元水力端与液力端参数计算及低速大扭矩液压马达特性的匹配设计了泥浆泵单元,泵车总体设计集成了履带车体、操纵台、泵站等关键部分,并且对泵车完成了以人机工程学为基础的工业设计。泥浆泵车系列化扩大了该类型产品的应用范围,为煤矿井下钻探装备在瓦斯抽采、防治水、底板治理、大直径高位钻孔等煤矿安全治理方面提供关键设备。      

我国煤矿坑道钻探装备技术进展与展望

煤矿坑道钻探装备技术在发展过程中受到诸多不利条件的限制,导致新技术发展滞后,随着我国煤矿大力推进智能化建设,给煤矿坑道钻探装备技术带来了革命性的发展机遇。通过分析了国外坑道钻探装备的技术特点和发展状况,以及国内坑道钻探装备技术的三个阶段发展,包括初级阶段的分体式钻机与稳定组合钻具轨迹控制方法,蓬勃发展阶段的履带式钻机、定向钻进装备技术及松软煤层钻进技术,新发展阶段的自动化和智能化装备技术,提出了今后我国煤矿智能化发展阶段钻探装备技术需要解决的关键问题,为推进钻探装备技术的智能化水平提高提供支撑。     

基于井下定向钻孔的矿井地质异常体探查方法与应用

地质异常体是矿井灾害发生的主要隐蔽致灾因素,井下钻探工程是进行地质异常体探查、验证和治理的重要技术手段。针对常规钻孔探查距离短、精度低,且易存在探查盲区的不足,介绍了采用井下定向钻孔进行地质异常体探查的方案。总结地质异常体空间形态、岩性和钻探等识别特征,给出探查定向钻孔轨迹布设原则,得到基于定向钻孔的地质异常点和地质异常体空间计算定位方法,并从钻孔布设间距、钻孔轨迹测控精度、地层和地质异常识别精度、地质异常体发育规模等方面分析定向钻孔探查精度影响因素与解决方法。在焦作赵固二矿和宁东梅花井煤矿开展地质异常体探查试验,采用主孔与分支孔结合实现巷道条带煤层稳定性探查,探查距离达到621 m;采用定向钻孔群实现工作面充水水源区域探查,单孔最大出水量为10.2 m3/h,并对充水水源进行了疏放。试验结果表明,井下定向钻孔具有探查精度高、距离远等优点,实现地质异常体精确定位,为矿井灾害事故防治提供技术保障。      

关闭煤矿的资源开发利用与地质保障

在关闭煤矿中除煤炭剩余外,还赋存丰富的煤层气、矿井水、地下空间、地热等资源,具有巨大的二次开发潜力。依据全国煤层气、矿井水、地热等资源赋存现状,梳理部分重点关闭煤矿资源的绿色开发与清洁高效利用发展趋势;通过系统介绍集钻探、物探、遥感、计算机等勘查技术于一体的综合勘探体系,总结了其在关闭煤矿资源有效开发利用的地质保障作用,并从资源、环境、技术体系及数据库等七个方面提出关闭煤矿资源开发利用地质保障工作建议。     

中国煤炭科工集团西安研究院有限公司

中国煤炭科工集团西安研究院专业从事地面煤层气钻井、煤矿井下钻井、防治水地面及井下注浆孔施工、大口径钻井的技术咨询和工程服务,在国内各大煤矿区得到广泛应用。持有地质灾害治理工程勧察、设计、施工甲级资质,固体和气体地质勘查甲级资质,地质钻探甲级资质,及多项相关技术发明专利。在煤层气钻并领域取得了良好的经济效益和社会效益。     

煤矿井下坑道钻机电控自动化技术研究

为顺应煤矿井下钻探装备自动化、智能化发展方向，根据煤矿井下坑道钻机特点，研制了一套钻机电控系统，实现了钻机远程控制、参数监测、工况判断和安全互锁等功能，并在钻机单动控制基础上进行了钻机自动钻进和自动起钻技术研究，大大提高了煤矿井下钻机自动化程度。地面功能性试验与现场工业性试验表明:设计的电控系统功能性、实时性和可靠性满足使用要求。研制的钻机电控系统配套在钻机上，可提高钻机自动化水平，更好地保障了施工人员和设备的安全，对推动煤矿井下钻机智能化发展有积极作用。