煤矿井下水平定向钻进技术与装备的新进展

煤矿井下定向钻进技术作为一项工程领域的新技术,已经广泛应用于煤矿井下瓦斯抽采、防治水、地质勘探和精确工程钻孔施工等领域。经过在国内30多个矿区推广应用,煤矿井下定向钻进技术和装备逐渐完善并取得新进展,形成了ZDY12000LD型大功率定向钻机、无线随钻测量系统、地质导向钻进装置及复合定向钻进工艺。结合现场试验完成了主孔深度1881 m的煤层定向长钻孔和1026 m岩层定向长钻孔,充分说明了ZDY12000LD型钻机功率大、钻进及事故处理能力强,无线随钻测量系统测量精度高,配套复合定向钻进技术形成的钻孔孔壁光滑、沉渣少、钻孔曲率小,钻进效率高。     

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。      

ZDY12000LD大功率定向钻机装备研发及应用

针对常规定向钻机不能完全满足长距离回采工作面瓦斯预抽钻孔和顶底板岩层大直径钻孔施工需求所存在的主要问题,分析了研制煤矿井下大功率定向钻机装备和配套定向钻进工艺方法的必要性,提出了成套钻机装备钻车和泵车两体式布局及配套复合定向钻进工艺的技术思路,重点解决总体布局及关键部件设计、复合定向钻进用多功能逻辑保护液压系统和大流量泥浆泵车设计等关键技术问题。在煤矿井下实际生产应用中取得了本煤层孔径Φ120 mm深度1 881 m顺层定向长钻孔和孔径Φ153 mm深度1 026 m顶板岩层定向长钻孔的创造性成果,并探讨了ZDY12000LD大功率定向钻机装备在顶板大直径定向长钻孔替代高抽巷和配套无线随钻测量系统技术方面的应用前景。      

煤矿井下复合定向钻进技术研究与应用

针对传动滑动钻进方法施工千米以上长距离定向钻孔遇到的问题,借鉴石油钻井领域先进技术经验,提出煤矿井下近水平复合定向钻进技术,对其高效钻进机理与钻孔轨迹控制原理进行了分析探讨。根据复合定向钻进工艺技术要求,完成了泥浆脉冲无线随钻测量系统选型,完善了复合定向钻进技术装备配套,形成了泥浆脉冲无线随钻测量复合定向钻进工艺,开展了煤矿井下长距离定向钻孔复合定向钻进现场试验,完成一个1 566 m本煤层定向长钻孔。试验结果表明,与传统滑动定向钻进技术相比,在钻进安全性显著提升的基础上,复合定向钻进技术综合钻进效率显著提升,实现了本煤层定向长钻孔的安全高效钻进。      

煤矿井下智能化钻探配套钻具研究进展

作为智能化钻探的重要组成部分,钻具系统的智能化对煤矿井下钻探的智能化发展起着至关重要的作用。为深入探究智能化钻具的发展方向,结合石油天然气行业发展经验,从定向钻具、随钻测量系统以及智能化钻杆、钻头等方面系统梳理了煤矿井下智能化钻探配套钻具的研究成果与技术特点,总结了存在的不足。指出目前煤矿井下智能化钻探定向钻具多以螺杆马达为主,主要研究集中于螺杆马达的线形设计、定子橡胶抗疲劳研究与不同工艺个性化定制,旋转导向钻具的开发与石油天然气行业存在较大差距,仅处于起步阶段;随钻测量系统可监测参数较少,监测的数据以轨迹参数为主,逐步加入了伽马地层识别,数据传输以有线与泥浆脉冲方式为主,存在数据容量小、传输效率低的问题,无线电磁波方式传输距离较短,仅能满足500 m以内钻孔;智能化钻杆研究主要为通缆钻杆的优化与改进,智能化钻头的研究尚未开展。为实现煤矿井下智能化钻探,提出开展以旋转导向为主,多种定向钻具综合运用的钻具定向系统研究;随钻监测系统应集成瓦斯监测、地下水探测及地应力感知煤矿钻进特种需求的功能,并配合多种传输方式并存的随钻测量系统研究以适配不同钻进工艺,同时提升传输速率,实现信息高速双向传输...     

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。      

煤矿井下智能化钻机及问题探讨

煤矿井下智能化钻探技术及装备是煤炭生产企业急需的先进技术装备。文章介绍了相关科研院所及企业在研制自动化钻机方面取得的一些阶段性成果。由于钻探施工环节多、工艺复杂、现场条件多变,许多关键技术仍未解决,智能化程度、可靠性、适应性和实用性还需进一步提高。文章分析了钻机装备适应性、工艺复杂性及需求的多样性问题、防爆问题和钻杆连接及钻杆补充问题。指出需要开展导航与定位、程序控制自动钻进、自动装卸钻杆、参数实时监测及传输等技术攻关,从而达到智能钻机功能实用、施工高效及性能稳定的目标。同时指出真正意义上的智能化钻机大量应用还需要持续的研发投入和数年的时间过程,并提出逐步按全自动钻机阶段、智能化钻机阶段和钻孔机器人3个阶段分级实现井下智能化钻探较为适宜。     

顺煤层超长定向钻孔复合钻进摩阻规律研究

煤矿井下超长孔定向钻进中孔内摩阻是限制其成孔率及成孔效率的主要因素, 为适应大盘区瓦斯抽采模式的客观需求, 研究实钻过程中摩阻及其影响规律。为顺煤层超长定向钻孔复合钻进减摩阻工艺参数选取提供依据, 对煤矿井下顺煤层近水平复合钻进工况下钻柱的钻具运动特性及受力状态进行分析。通过一定的条件假设, 建立复合钻进轴向摩擦阻力和旋转摩擦扭矩力学模型, 通过数值计算, 针对常用?89 mm定向钻具组合, 在不同孔深及钻进工艺参数匹配下的摩阻规律特性进行分析。结果表明:机械钻速、钻具转速、钻孔深度是滑动摩擦阻力和旋转摩擦扭矩的主控影响因素, 与超长定向钻孔实钻参数统计分析对比, 推进阻力和旋转扭矩变化规律与模型计算结果吻合, 该结果对于指导近水平钻孔复合定向钻进工艺参数选取、钻进工况判断具有重要的现实意义, 同时, 对于煤矿井下自动化、智能化定向钻进控制系统设计开发具有借鉴意义。      

煤矿井下3 000 m顺煤层定向钻孔钻进关键技术

保德煤矿大盘区工作面采前瓦斯超前治理模式要求井下定向长钻孔能够沿煤层钻进3 000 m以上,针对现有技术装备在超长定向钻孔施工中存在滑动钻进困难、进水水路压耗大、有线随钻测量信号传输距离受限、冲洗液无法循环利用等问题,开发了煤矿井下基于螺杆马达水力加压和超长钻具正反扭转给进的滑动钻进减阻工艺、基于回转钻进倾角控制和侧钻分支的复合钻进轨迹控制技术,设计了低压耗进水水路系统、泥浆脉冲无线随钻测量系统和冲洗液净化循环系统,结合保德煤矿生产需要,完成了主孔深度3 353 m、孔径120 mm的顺煤层超长贯通定向孔。钻进效果表明:滑动钻进减阻工艺有效降低了给进力,显著提高了深孔滑动定向钻进能力;基于复合钻进的轨迹控制技术,保证了钻孔轨迹沿煤层定向延伸,并提高了钻进能力和钻进效率;泥浆脉冲无线随钻测量信号长距离传输稳定可靠,克服了有线随钻测量信号传输的局限性;井下冲洗液净化循环系统净化效果良好,实现了井下定向钻进冲洗液循环利用。研究成果对支撑煤矿大区域瓦斯超前治理、以孔代巷工程、水害防治及地质勘探等技术进步具有重要意义。      

碎软煤层双管定向钻具自动加卸系统关键技术与应用

为提高双管定向钻进钻孔施工时钻具加装和拆卸的自动化水平,提高装卸效率,开发一种双管自动加卸装置,实现不同工况下钻具的全自动装卸,解决双管定向钻进过程中钻杆和套管的同时加装和拆卸的技术难题,完成装置结构和控制系统的设计,运用末端柔顺技术,限制施工过程中装置承受的载荷,明确控制程序关键边界条件,制定不同工况下钻具自动装卸施工工艺流程。在安徽淮北矿业祁南煤矿展开工业性试验,试验顺利完成4个钻孔的施工,共进尺1 170 m。试验过程中双管自动加卸装置运行平稳,能够满足不同工况下钻具组合的加装和拆卸需求。将原本需要2～3人密切配合才能完成的钻具组合自动装卸工作,变为依靠程序控制自动完成,钻杆和套管同时装卸和单独装卸平均效率较人工装卸分别提高了350%和110%,保证了双管定向钻进综合施工效率,减少了作业工人数量,降低了工人劳动强度,保障了施工安全。试验结果表明：双管自动加卸装置运行稳定可靠,施工工艺流程合理,装置各项性能满足双管定向钻进需求。研究成果为双管定向钻孔施工钻具的自动装卸提供了技术和装备支撑,为双管定向钻进技术在煤层气开采相关领域的推广应用奠定了基础。     

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。     

ZDY4000LD定向钻机关键技术研究

ZDY4000LD定向钻机和配套随钻测量系统(MWD)适用于煤层定向长钻孔瓦斯抽采作业。介绍了钻机研制过程中针对稳固系统、主轴制动装置进行的仿真分析;阐述了定向钻机液压系统、主轴及夹持系统等关键技术。该型号定向钻机已为煤矿用户所接受,具有很大的技术发展空间。      

煤矿井下大盘区瓦斯抽采定向钻进技术与装备

以顺煤层超长定向钻孔组覆盖整个工作面,对矿井大盘区瓦斯进行采前预抽是区域瓦斯治理的新模式。从大盘区瓦斯抽采顺煤层超长定向钻孔施工工艺出发,介绍了顺煤层超长定向钻孔成孔的几大关键技术,包括钻孔递进式轨迹延伸技术、复合钻进轨迹控制技术、水力加压减阻钻进技术、正反扭转减阻钻进技术及复合侧钻分支技术等。还介绍了顺煤层超长定向钻孔施工的主要配套装备,包括ZDY15000LD大功率定向钻机、BLY460/13泥浆泵车、YHD3-3000泥浆脉冲测量系统、无缆大通孔钻杆、水力加压螺杆马达等。利用该技术与装备在保德矿二盘区进行了工程示范应用,应用结果表明,该套工艺技术与装备具备施工长度超过3 300 m顺煤层超长定向钻孔能力。最后对瓦斯抽采效果进行了分析,结果显示超长定向钻孔抽采周期长,抽采量高,可以对大盘区瓦斯进行超前综合治理。      

ZDY4500LFK全自动钻机开发与应用

为加速推进煤矿智能化建设,满足矿井透明地质保障系统构建需求,提高各类钻孔施工的自动化程度,减少井下工人数量,开发了ZDY4500LFK型全自动钻机,并配套开发了钻机的地面监测和控制系统。提出了该钻机结构设计方案,钻机地面监测和控制系统的组成和方案。并结合钻机在淮河能源西部煤电集团唐家会煤矿透明地质保障系统钻孔施工应用中遇到的问题,提出了杆仓列定位、自动接卸扣等关键技术,提高了钻机的可靠性、自动化程度。工业性试验结果表明:开发的地面监测和控制系统功能性、实时性满足使用要求,采用相关技术后,全自动钻机各系统运行可靠,杆仓列定位精准,主动钻杆丝扣磨损明显减少。研制的ZDY4500LFK型全自动钻机及其配套监测和控制系统减少了井下施工人员的数量,实现了稳定的全自动钻孔作业,为唐家会煤矿透明地质保障系统提供了可靠装备支撑。      

高位定向长钻孔技术在桃园矿采空区瓦斯治理应用

针对工作面回采后采空区瓦斯易超限问题,采用螺杆马达结合随钻测量技术的定向钻进工艺,在桃园矿1029工作面施工了3个长距离煤层顶板大直径定向钻孔,最大孔深531 m,累计进尺1701 m（含分支孔）,通过精准控制钻孔轨迹,使钻孔沿煤层顶板裂隙带延伸,有效抽采煤层回采后采空区内瓦斯,总结了一套适用于采空区瓦斯治理的高位顶板长钻孔施工方法,保障了煤矿安全高效生产。