煤矿井下碎软煤层泡沫钻进技术及应用

针对煤矿井下碎软煤层瓦斯抽采中风压空气钻进施工中排粉能力有限，易造成粉尘污染问题，提出采用煤矿井下泡沫灌注系统及宽翼螺旋钻杆进行高效泡沫钻进的技术方案。通过对钻孔环空间隙流场的数值模拟，研究宽翼螺旋钻杆结构对泡沫钻进高效排粉的影响，确定头数3、槽宽26 mm、螺距110 mm为宽翼螺旋钻杆的优化结构参数。在淮北某矿3204工作面碎软煤层中进行了深度达195 m的本煤层钻孔试验，结果表明，相对于中风压空气钻进工艺，钻进回转阻力降低了42%~48%，表现出高效的排粉效果，可提高煤矿井下碎软煤层钻孔深度和成孔率。该工艺可为类似煤矿井下深钻孔施工提供借鉴。      

宽叶螺旋钻中风压钻进技术在晋城某矿的应用

针对觜城某矿井下沿煤层瓦斯抽采钻孔在施工过程中遇到煤层含水量较大时,孔内返风不畅,排粉效果差,影响钻孔孔深和成孔率等问题,采用宽叶片螺旋钻杆巾风压钻进工艺及试验。现场试验证明该工艺在含水量较大的煤层沿煤层瓦斯抽采（放）孔钻进施工中较为理想,值得推广。     

富含FeS2结核松软突出煤层高效成孔技术与装备

针对河南义煤集团义安矿二1煤11080工作面富含FeS₂结核的松软突出煤层中的瓦斯抽采孔施工时,采用常规风压钻进技术出现的成孔深度浅、排粉困难、煤层钻遇率低等难题,提出了以钻杆翼片排粉为主、风压排粉为辅的复合排粉方式,通过对钻机能力的优选,钻具级配的参数优化,研制了Φ95/60.3 mm插接密封式螺旋钻杆和Φ98 mm胎体弧角型钻头,制定了钻进工艺参数,形成了一套可解决富含FeS₂结核的松软突出煤层施工的技术与装备。通过现场工业性试验,累计施工8个钻孔,最大成孔深度103.5 m,平均成孔深度近97 m,平均钻进效率10.4 m/h,纯钻进效率约18.3 m/h,表明了该套技术与装备在同类煤层施工中具有很好的应用效果。      

碎软煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯高效抽采模式

瓦斯区域超前治理是实现煤矿安全、高效及智能化开采的重要保障,针对碎软煤层区域瓦斯高效抽采难题,以陕西韩城矿区3号煤层为研究对象,提出井下煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯抽采模式。采用理论分析、数值模拟和现场试验等多手段相结合的方法,验证模式适用性,阐明紧邻煤层顶板梳状钻孔压裂裂缝延展规律、抽采机理和压裂曲线特征,进而建立适用于500 m孔深的集地质条件动态分析、分段水力压裂、封隔器遇阻解卡和压裂范围连续探查于一体的顶板梳状长钻孔裸眼分段水力压裂关键技术体系,实现煤层顶板梳状钻孔主孔轨迹距离煤层5 m左右、多段均匀压裂、压裂范围全孔监测和孔内事故高效处理。以此为基础,在韩城桑树坪二号井开展2孔次的工程实践:压裂主孔深度588 m、距3号煤层2 m左右,单孔压裂6段,压裂范围探查深度381 m、压裂影响半径20 m以上;压裂后,钻孔抽采瓦斯平均体积分数40%以上、瓦斯抽采量1 m3/min以上,抽采效果是常规钻孔的4倍,120 d瓦斯抽采有效半径可达9 m,实现了碎软煤层瓦斯区域高效抽采。并提出了适用于碎软煤层大区域瓦斯抽采以及高瓦斯压力碎软强突煤层远程区域抽采卸压等规模化应用技术思路。      

煤矿井下顶板梳状长钻孔分段压裂强化瓦斯抽采实践

为了解决碎软煤层本煤层钻孔施工困难,瓦斯抽采浓度低,抽采效果差,无法实现大面积区域预抽的问题,在现有煤矿井下定向钻进技术和水力压裂技术的基础上,结合前期研究成果,提出了顶板梳状长钻孔分段水力压裂技术,并在韩城矿区桑树坪二号井进行了现场试验。现场施工顶板梳状长钻孔主孔长度588 m,包含8个分支孔,钻孔总进尺1 188 m,主孔距煤层0~3.28 m,平面上覆盖约12.5 m。采用不动管柱分段水力压裂工艺,分4段进行水力压裂施工,累计注水2 012 m3,最大泵注压力8.74 MPa。压裂后最大影响半径大于30 m,且裂缝主要位于钻孔下方,向煤层延伸。压裂钻孔稳定抽采阶段瓦斯抽采纯量1.18 m3/min,抽采瓦斯体积分数平均43.54%。顶板梳状长钻孔分段水力压裂钻孔瓦斯抽采纯量是水力割缝钻孔的1.2倍,是本煤层顺层钻孔的4.0倍。试验结果表明,顶板梳状长钻孔分段水力压裂技术可有效避免本煤层常规钻孔施工过程中存在的塌孔、卡钻、喷孔等问题,实现了碎软低渗煤层大面积区域瓦斯预抽,为碎软低渗煤层区域瓦斯预抽提供了新思路和新方法。      

贵州青龙煤矿碎软煤层区域瓦斯递进式抽采技术

针对碎软煤层瓦斯抽采钻孔存在轨迹不可控、成孔深度浅和瓦斯抽采效果差的问题,分析了现有瓦斯抽采钻孔回转钻进技术瓶颈,集成了基于长距离顺层钻进技术和双动力复合排渣技术的压风定向钻进技术,在此基础上提出了利用压风定向钻进技术,开展碎软煤层区域递进式瓦斯抽采技术。选取黔北煤田中部青龙煤矿21606运输巷道进行现场试验,在坚固性系数为0.37碎软煤层中,施工完成253个顺煤层压风定向钻孔,95%钻孔达到设计孔深,累计进尺超过3万m,单孔瓦斯抽采纯量是普通回转钻孔的10倍以上,单孔瓦斯抽采甲烷体积分数提高约50%以上。试验表明,采用压风定向钻进技术钻进碎软煤层钻孔轨迹可控,成孔率在95%以上,区域递进式瓦斯抽采技术具有无抽采盲区的显著优势,有效缓解了采掘接替紧张局面,提升了矿井瓦斯治理技术水平,为碎软煤层瓦斯治理提供了新的技术途径。      

井下碎软煤层双管双动空气定向钻进工艺研究

碎软煤层钻进过程中易发生喷孔、塌孔,造成钻孔深度浅、成孔率低,严重制约碎软煤层瓦斯高效治理。随着“以孔代巷”、递进式抽采等瓦斯治理模式的兴起,煤矿对碎软煤层瓦斯抽采钻孔成孔提出了更高的要求,为了进一步提高碎软煤层钻孔深度、钻孔精度和成孔率,以满足煤矿安全、高效、精准瓦斯治理的需要,提出煤矿井下碎软煤层双管双动空气定向钻进工艺方法。针对该钻进方法涉及的关键钻具和钻进工艺,根据煤矿井下空气螺杆钻具规格和通过性试验,分析确定外管套管、内管螺杆钻具、领眼钻头以及扩眼器等钻具级配;通过理论分析螺旋钻进煤粉颗粒运动速度,优化套管螺旋叶片螺距、头数等参数;根据钻进排粉需求、空气螺杆钻具用风要求,计算双管钻进用风量、风压;采用数值模拟方法,研究排粉规律和最佳钻进工艺参数,最后通过现场钻进试验,验证双管双动钻具级配和钻进工艺的合理性。结果表明:增加风量比增加转速提高排粉效果更明显;钻进时套管转速40 r/min时,对应风量应最小达到500 m3/h,内管钻具滑动定向造斜完成后,应尽快复合钻进排粉,当风量低于400 m3/h时,应当充分回转扫孔排渣;采用?90 mm领眼钻头+?120 mm扩眼器+?73 mm空气螺杆钻具+?73/35 mm宽叶片螺旋钻杆的内管钻具+?140 mm套管钻头+?120/96 mm反螺旋套管的外管钻具组合,采用风量1 000 m3/h、风压1.25 MPa以上的风源、转速40~120 r/min的工艺参数,钻孔深度达到350 m以上、套管护孔深度168 m以上,钻孔轨迹可控制在煤层内,有效提高了钻孔深度和精度,为碎软煤层随钻护孔精确钻进提供新工艺方法。      

定向钻进技术与装备在穿层定向长钻孔中的应用

针对硫磺沟煤矿工作面常规施工单孔深度不足、有效孔段短、钻进施工效率低、钻孔孔径小等诸多问题,提出采用窄体式ZDY4000LD（C）型履带钻机、第二代随钻测量系统（YHD2-1000（A）型）等附属定向设备进行穿层定向长钻孔成孔技术,以提高钻孔成孔精度、钻孔深度,增大钻孔孔径等参数,减小煤层因受采动影响,导致工作面瓦斯涌出量增大的问题。现场试验施工了4个大直径穿层定向长钻孔,孔深300 m以上钻孔成孔率达到100%,孔深最深399 m,最大钻孔孔径193 mm,钻进总进尺1581 m,平均孔深395.25 m,钻孔抽采效率显著增加。其中3号钻孔最大抽采混合流量8.3 m³/min,最大抽采纯量1.6 m³/min,瓦斯抽采浓度51%,瓦斯抽采效果显著。     

松软煤层瓦斯抽采孔PVC管护壁技术应用研究

针对晋城煤业集团赵庄煤业矿区地质构造复杂、煤层松软及透气性差,瓦斯抽采孔由于煤层松软引起孔壁稳定性差,成孔提钻后,短时间内孔壁坍塌,导致瓦斯抽采通道堵塞,抽采率低,抽采效果差的问题。利用在钻孔施工完成后不提钻杆,先在钻杆内部下入抽采筛管进行护壁,提钻后形成瓦斯抽采通道,应用结果表明：该技术与传统提钻后下套管工艺相比,下管效率大幅提高,下管深度达到孔深的98%以上,有利于提高瓦斯抽采效率,对煤矿安全具有重要意义。     

井下?550 mm超大直径煤层孔钻进技术装备及工程应用

为提高“U”型通风工作面采空区瓦斯治理效率、降低瓦斯治理成本,提出采用?550 mm 超大直径钻孔替代横川埋管的技术方案进行采空区瓦斯抽采。针对井下超大直径钻孔技术特点及施工中存在的技术难题,研制了一款最大扭矩 15 000 N·m、最大给进力 700 kN、最大行程 1.3 m 的ZDY15000LP 型煤矿用超大直径螺旋钻进钻机,采用主机和泵站分体式布局,并创新设计了主机、泵站、机械臂、动力头等关键零部件;配套开发了?426 mm 大螺旋钻杆和?550 mm 大直径扩孔钻头,开发了基于“先导孔+二次扩孔”的超大直径钻孔成孔工艺,形成了成套的超大直径钻孔施工技术装备。在山西天地煤业有限公司王坡煤矿 3307 工作面进行了工业性试验,共施工大直径瓦斯抽采钻孔17 个,累计进尺 583 m,施工周期 30 d,综合施工效率提高 20%。试验结果表明:钻机输出扭矩大,整体稳定性好,能够实现跨皮带施工以及快速移位等功能,配套钻具性能可靠,钻进工艺可操作性强,能够满足超大直径煤层成孔需求。研究成果为超大直径煤层钻孔施工提供了技术装备支撑,为地质条和开采条件类似矿井瓦斯治理提供了技术经验。      

中硬煤层瓦斯穿层钻孔无泵式双通道机械掏穴钻头设计与应用

为了解决随钻式掏穴技术钻进中需要配套泥浆泵调节流量以切换钻进、掏穴状态,控制效果不甚理想等问题,开发了无泵式双通道机械掏穴钻头,该钻头配套双通道钻杆及双通道送水器使用,在钻具内形成2套互不连通的水路,环空水路用于冷却钻头携带岩粉进行正常钻进,中心水路用于控制刀翼开合,大大提高了刀翼开合的控制精度,同时无需配套泥浆泵,提高了随钻掏穴技术应用范围。通过钻头结构设计、齿轮齿条计算以及水路结构优化等,提高了钻头可靠性,采用设计的钻头在淮北朱仙庄煤矿进行了现场试验,试验共完成了?120 mm的钻孔101个,施工总进尺2 861.5 m,钻孔平均深度28.3 m,出煤量0.20~0.69 t/m,单孔平均出煤量0.22 t/m。采用双通道造穴技术可将原常规施工?120 mm钻孔直径扩大至4.1倍。试验证明:设计的双通道机械掏穴钻头,能够满足无泵式机械掏穴的需求,大大提高了施工效率。本研究为低透煤层瓦斯抽采增透提供了钻具支撑,为本行业类似掏穴钻孔施工提供了技术方案。      

多工艺钻进技术在塔山煤矿瓦斯抽采钻孔中的应用

大同煤矿集团公司塔山煤矿4号瓦斯抽排孔终孔口径为1200 mm,孔深423.66 m,孔底位移≯2 m。孔径大、钻孔深、精度高是本工程的主要难点。钻进施工中采用了气动潜孔锤、双壁钻杆气举反循环及组合牙轮多级扩孔等多种工艺,提高了钻进效率,保证了孔身质量,取得了良好的经济效益和社会效益。     

煤矿井下碎软煤层顺层钻完孔技术研究进展

我国碎软煤层赋存层位多、分布广,普遍存在构造应力复杂、瓦斯压力高、煤体力学强度低、渗透性差等特点,钻进时易塌孔、喷孔、孔壁失稳,导致钻进困难、孔内事故频发、成孔深度浅、钻孔堵塞、存在抽采盲区等问题。随着煤炭开采深度的不断增加,碎软煤层瓦斯抽采钻完孔就更加困难。因此,碎软煤层高效、深孔、精准钻进技术以及增透、增产、护孔的完孔技术一直是碎软煤层瓦斯治理的重大技术需求和研究热点。从护孔、排渣、轨迹控制、完孔等成孔的关键技术难题方面,总结了碎软煤层顺层钻完孔技术研究现状和应用情况,分析了目前碎软煤层钻进技术存在的问题,提出了改进完善建议,分析了内控导向式旋转定向钻进技术,多孔介质充填式筛管、折叠膨胀管完孔技术等碎软煤层钻完孔技术新进展,为进一步完善现有碎软煤层钻完孔技术提供了思路。      

多功能旋挖钻机长螺旋钻具的研制

通过对长螺旋钻进过程中阻力矩的计算,得出了不同直径和孔深情况下的阻力矩值,依此对长螺旋钻具的强度进行比对,给出了不同口径的长螺旋钻具参数。还介绍了长螺旋钻头的不同结构形式及配套器具,简述了多功能钻机长螺旋钻进施工工艺。     

小直径特深孔绳索取心口径系列及钻柱方案

现行绳索取心口径系列主要适用于3000 m以内浅钻孔。在4000 m左右的特深孔绳索取心钻进中,存在一定的技术“瓶颈”,如地层复杂,甚至无法安全钻达设计深度。论证3000～5000 m特深孔绳索取心合理口径系列和钻柱方案是为特深孔成套钻探装备研制、绳索取心钻具开发提供技术依据的重要前期工作,也是一项公益性和开放性的技术工作。简述了特深孔绳索取心口径系列及钻柱方案的初步设想,期望国内钻探专家、一线技术人员广泛参与,进一步论证。