煤矿井下钻探技术与装备的应用及发展方向-李泉新.ppt

煤矿井下钻探技术与装备的应用及发展方向,汇报人：李泉新,中国煤炭科工集团西安研究院,2013贵阳,煤矿水害防治与瓦斯抽采技术与装备研讨会,提纲,2,一、煤矿井下随钻测量定向钻进技术与装备二、松软煤层中风压空气钻进技术与装备三、煤矿井下穿层钻孔施工技术与装备四、煤矿井下坑道钻进技术发的发展方向,一、煤矿井下随钻测量定向钻进技术与装备,煤矿水害防治与瓦斯抽采技术与装备研讨会,定向钻进过程,1.1随钻定向钻进技术原理,1-随钻定向钻进技术原理,5,配套钻进工艺,千米履带定向钻机,随钻测控仪器,专用定向钻具,1-随钻定向钻进技术原理,1.2随钻定向钻进装备系统组成,顶板高位长钻孔,本煤层长钻孔,底板穿层斜钻孔,目前我国煤矿井下瓦斯抽采钻孔常用的三种布置形式。,2-随钻定向钻进与常规回转钻进优势对比,2.1本煤层瓦斯抽采钻孔,常规回转工艺进行本煤层瓦斯抽采钻孔施工时，存在以下不足：,2-随钻定向钻进与常规回转钻进优势对比,近水平定向钻进工艺进行本煤层瓦斯抽采钻孔施工的技术优势：,2-随钻定向钻进与常规回转钻进优势对比,2.1本煤层瓦斯抽采钻孔,常规回转成孔工艺，需做高位钻场，且轨迹不可控制，不能保证钻孔在预定的裂隙带内延伸。,2.2顶板高位长钻孔,2-随钻定向钻进与常规回转钻进优势对比,近水平定向成孔工艺，只需利用煤层巷道做钻场，且轨迹可精确控制，有效保证钻孔在预定的裂隙带内延伸。,2.2顶板高位长钻孔,2-随钻定向钻进与常规回转钻进优势对比,底板岩巷,常规回转成孔工艺，钻孔轨迹不可控制，穿层钻孔过煤有效段短，抽采卸压效果不理想。,2.3底板穿层钻孔,2-随钻定向钻进与常规回转钻进优势对比,底板岩巷,近水平定向成孔工艺，钻孔轨迹可精确控制，可有效增加过煤有效孔短，提高穿层钻孔的瓦斯卸压抽采效果。,2-随钻定向钻进与常规回转钻进优势对比,2.3底板穿层钻孔,3.1定向钻机,3-定向钻进装备系统组成,针对国内巷道要求进行了钻机的系列化配套,分体式钻机：钻机与动力泥浆泵分开适合于小断面巷道,适应小型矿井巷道断面（长4m宽4m高3m）,适应中大型矿井巷道断面（长6m宽4m高3m）,ZDY4000LD,ZDY6000LD,ZDY6000LD(F),ZDY4000LD(A),ZDY6000LD(B),3-定向钻进装备系统组成,3.1定向钻机,一体式钻机：钻机与动力泥浆泵集成在钻进履带平台上适合于大断面巷道,ZDY6000LD(A),3-定向钻进装备系统组成,3.1定向钻机,中心通缆式高强度大通孔钻杆,3.2中心通缆钻杆,3-定向钻进装备系统组成,3.2中心通缆钻杆,通过钻具中心布设弹性接触式绝缘电缆，既能输送高压水流，又可实现孔底测量探管与孔口监视器信号传输。,3-定向钻进装备系统组成,测量精度：倾角：0.2方位：1.5工具面：1.5,3.3随钻测量系统,3-定向钻进装备系统组成,实现钻孔轨迹的精确测量、计算及三维显示,3-定向钻进装备系统组成,3.3随钻测量系统,4-定向钻进技术与装备的应用,煤矿瓦斯抽采中硬煤层和松软煤层,煤矿井下探放水煤矿井下底板注浆,煤矿井下隐蔽致灾地质构造探测治理,井下水平定向长钻孔最大主孔深度1212m，单孔最多分支孔24个，最大分支孔深度915m，水平偏差小于孔深的5，垂直偏差小于孔深的1，为各应用矿区在瓦斯抽采和利用方面创造了可观的间接经济效益。,4.1定向钻进技术与装备应用于井下瓦斯抽采,4-定向钻进技术与装备的应用,集束型定向钻孔抽采瓦斯,集束型定向钻孔是指在一个钻场内施工多个多分支定向钻孔，其主孔开孔点孔段相对集中，钻孔或分支孔方位呈扇型、花束型展开或平行延伸，主孔深度也基本相同的钻孔集合体。,集束型定向钻孔结构示意图,4-定向钻进技术与装备的应用,集束型定向钻孔瓦斯抽采（宁夏汝箕沟煤矿）,534工作面施工钻孔总进尺为12868.5m，共施工了23个孔，最大月进尺2308米，最大单班进尺108米，最大穿煤率96.7%。,工作面长度较短,集束型定向钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,集束型定向钻孔瓦斯抽采（宁夏汝箕沟煤矿）,32215工作面施工总进尺7000米，施工10个主孔，14个分支孔，最深孔961m，平均钻孔深度大于700m，穿煤率100%。,工作面长度较长,集束型定向钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,工作面长度较长,集束型定向钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,2011年8月大佛寺煤矿2#辅运大巷1#钻场4#钻孔（孔深1212m，探顶两次，开分支5次。纯瓦斯流量达到8.27m/min）,集束型定向钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,3#定向长钻孔主孔最大深度1212m，累计进尺1623m；4#定向长钻孔最大主孔深度933m，累计进尺1527m。,3#、4#定向钻孔日瓦斯抽采量变化曲线和累计瓦斯抽采量曲线,集束型定向钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,某矿每百米钻孔瓦斯抽采效果对比,某矿相同条件下工作面瓦斯抽采量对比,单孔瓦斯抽采量，随钻测量定向钻进装备施工钻孔瓦斯抽采量是常规回转钻进装备的3-5倍。整个工作面瓦斯抽采量，随钻测量定向钻进方法施工的钻孔覆盖的工作面抽采量是常规回转钻进施工方法的3-4倍。,集束型定向钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,煤层硬度系数小于1，煤质松软，在煤层中难以成孔，采用梳状钻孔进行瓦斯抽采。梳状钻孔技术是通过在目标煤层上（下）较稳定岩层施工水平长钻孔，并进行分支穿入煤层实现难成孔软煤层的瓦斯有效长期抽采。,梳状定向钻孔抽采瓦斯,顶板梳状定向钻孔示意图,底板梳状定向钻孔示意图,4-定向钻进技术与装备的应用,施工梳状定向钻孔分为前进式和后退式两种方式。,前进式梳状钻孔施工,后退式梳状钻孔施工,梳状定向钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,平面,剖面,2#钻孔轨迹孔平剖面,1#钻孔含分支孔8个，主孔最大孔深603m，分支孔最大孔深147m，总进尺1268m2#钻孔含分支孔9个，主孔最大孔深603m，分支孔最大孔深135m，总进尺1371m,淮北朱仙庄煤矿梳状定向钻孔施钻轨迹图,梳状定向钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,焦作九里山煤矿梳状定向钻孔施钻轨迹图（主孔深510m，梳状分支孔7个，试验总进尺848m）,梳状定向钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,某煤矿工作面高位钻场煤层气抽采量曲线图,某煤矿工作面梳状钻孔煤层气抽采量曲线图,梳状定向钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,顶板高位定向长钻孔抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,顶板高位定向长钻孔抽采瓦斯,在219工作面灌浆行距回采面450m处完成定向钻孔5个，最大单孔深度408m，累计进尺1380m，最大瓦斯抽采浓度达到64%，最大瓦斯纯流量达到1.8m/min。（即可以抽采采空区瓦斯，又可抽采采动影响区瓦斯）,铜川下石节煤矿高位定向长钻孔平面布置图,4-定向钻进技术与装备的应用,井上下联合抽采瓦斯,煤矿井下集束定向钻孔群穿过地面竖井压裂区域，利用集束型定向钻孔在井下排水并进行水位控制，地面竖井进行煤层气无动力抽采，实现采气、排水分离作业，形成地面、井下煤层气立体化抽采模式。,煤层气地面、井下立体化抽采示意图,煤层气地面、井下立体化抽采剖面图,4-定向钻进技术与装备的应用,目标直井（YH-075）是一口取芯生产井，2008年8月3日完井，完井深度为505.90m，完井方式为射孔压裂，钻井的是一方面是获取储层资料，另一方面是开发利用3#煤层的煤层气、降低煤层瓦斯含量。,YH-075井于2009年4月开始产气，最初日均产气量为750m左右；2009年9月后日均产气量达到3000m以上；2012年4月以来，日均产气量维持在3500m至4000m之间。,YH-075排采井场,YH-075产气历史数据,井上下联合抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,井下定向孔水平面内实钻轨迹,井下定向孔剖面实钻轨迹,井下水平定向孔施工钻场位于寺河矿西盘区W23014巷与W2301工作面辅撤交汇处；试验孔5月10日开孔，通过注水泥浆方式固定钢质封孔管，封孔长度9.0m；5月13日终孔，最大主孔深度252m，分支孔6个，总进尺536m。,井上下联合抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,井下定向钻孔与地面直井压裂区贯通后，由于井下负压抽吸，地面直井的产气量下降；井下钻孔封闭终孔后，地面直井日均产气量逐步达到了4200m以上，产气量平均增幅达到了20%左右。,井上下联合抽采瓦斯,4-定向钻进技术与装备的应用,40,4.2定向钻进技术与装备应用于井下水害防治,4-定向钻进技术与装备的应用,利用回转钻进施工下斜钻孔至预定层位，然后利用定向钻进技术进行造斜钻进，调整钻孔倾角与地层倾角一致后，使钻孔在欲加固的层位延伸，成孔后高压注浆，将钻孔钻遇的裂隙填满，形成隔水层。,底板注浆加固定向钻孔布置示意图,煤矿井下底板注浆加固,4-定向钻进技术与装备的应用,采用定向钻进技术加固煤层底板的优点实现区域煤层底板超前治理；增加钻孔钻遇含水层的有效孔段；对煤层底板地质构造进行超前探测；准确计算出水点坐标位置。,定向钻进和常规回转钻进钻孔注浆对比图,有效钻孔段一般小于总钻孔的50%不能按照有效的注浆半径布置钻孔易造成注浆盲区,煤矿井下底板注浆加固,4-定向钻进技术与装备的应用,在娇美赵固一矿进行了应用试验施工钻孔总进尺2893m，施工最大孔深610.5m。图中红色部分为施工完成钻孔轨迹，蓝色为钻孔分支孔轨迹。,煤矿井下底板注浆加固,4-定向钻进技术与装备的应用,4#钻孔剖面和平面轨迹图,4#钻孔平面轨迹图,4#钻孔剖面轨迹图,煤矿井下底板注浆加固,4-定向钻进技术与装备的应用,1#钻孔注浆量为14889.3m3，5#钻孔注浆量为1633.2m3，4#钻孔注浆量为921.294m3，2#钻孔注浆量为646.767m3.5-补#钻孔注浆量为58.938m3，3#钻孔注浆量为125.631m3,煤矿井下底板注浆加固,4-定向钻进技术与装备的应用,1#钻孔：610.5m，14768m35#钻孔：687m，1633.2m34#钻孔：527m，921.3m32#钻孔：519m，646.8m3,1#钻孔：8次，35m3/h5#钻孔：6次，11m3/h4#钻孔：3次，8m3/h2#钻孔：1次，10m3/h,煤矿井下底板注浆加固,4-定向钻进技术与装备的应用,煤矿井下底板注浆加固,如果采用常规回转技术对11151工作面进行加固，预计要施工130-140个钻孔，平均钻孔深度150m，需要钻孔19500m-21000m。,4-定向钻进技术与装备的应用,利用定向钻进技术进行向上造斜钻进，直至钻孔到达预定含水层位，调整钻孔倾角与地层倾角一致后，使钻孔在含水层内延伸，将钻孔内承压水放出。,定向探放水钻孔布置示意图,煤矿井下探水和定点防水,4-定向钻进技术与装备的应用,采用定向钻进技术探放水的优点可缩减大量钻孔工程量；延长疏放水时间；,增加钻孔在含水层中的延伸距离；可实现高效超前探放水。,煤矿井下探水和定点防水,4-定向钻进技术与装备的应用,现场试验施工钻孔总进尺2979m，施工最大孔深552m。图中紫色部分为施工完成钻孔轨迹，蓝色为钻孔设计轨迹。,煤矿井下探水和定点防水,4-定向钻进技术与装备的应用,3121工作面定向钻孔疏放水水量统计,煤矿井下探水和定点防水,4-定向钻进技术与装备的应用,4.3定向钻进技术与装备应用于隐蔽致灾地质因素探查,4-定向钻进技术与装备的应用,技术原理,利用定向钻孔侧钻分支技术在地质构造附近施工多个角度的分支钻孔，经过轨迹测量可计算出构造点的三维坐标，获取地质构造信息。,4-定向钻进技术与装备的应用,老空区探查及水害治理,在宁夏焦煤公司1号井进行老空积水探查及防治，施工2个探查钻孔，钻孔探查深度达到了500m。钻孔终孔点均探查到老空区，并进行了疏排水治理，钻孔平均出水量达到了150m3/h。,4-定向钻进技术与装备的应用,工作面地质异常体探查,在宁煤汝箕沟煤矿534工作面施工定向钻孔，探查出工作面小窑越界开采的巷道，为后续工作面煤层安全开采提供了地质保障。,4-定向钻进技术与装备的应用,工作面内断层的探查验证,在淮北朱仙庄煤矿10715工作面施工定向钻孔，探查验证了工作面内的1条断层，准确的获取了工作面的地质信息，回采时可预防断层造成不必要的地质灾害。,4-定向钻进技术与装备的应用,掘进巷道时的超前探查,在阳泉新景煤矿北八钻场施工超前施工定向钻孔，探查巷道掘进前方煤层赋存瓦斯异常、水异常及地质构造情况，探查钻孔深度达到405m，探查分支孔8个，显著降低掘进与超前探测交替的次数，提高了掘进效率。,4-定向钻进技术与装备的应用,工作面煤层厚度和产状探查（作为判断是否为构造煤的辅助手段）,探测煤层顶板倾角（宁夏汝箕沟煤矿）,探测煤层底板倾角（晋城寺河煤矿）,定向钻进过程中，按照一定的间距采用前进式分支钻孔施工工艺探测煤层顶底板，确定煤层产状和煤层厚度。,4-定向钻进技术与装备的应用,二、松软煤层中风压空气钻进技术与装备,煤矿水害防治与瓦斯抽采技术与装备研讨会,1-松软煤层中风压空气钻进技术原理,松软煤层中打钻困难、成孔深度浅、且成孔后孔壁易坍塌、瓦斯抽采效果差。,水力排渣钻进技术干式螺旋钻进技术低风压空气钻进技术,低风压空气钻进,常规螺旋钻进,松软煤层瓦斯抽采钻孔平均成孔深度有所增加，但仍然达不到瓦斯高效抽采的深度要求。,中风压空气钻进技术借助小体积大功率钻机，以独立防爆空压机作为风源，配合宽矮叶片螺旋钻杆以复合方式排渣；利,用多级无力动力源除尘器解决孔口粉尘污染问题；施工到预定孔深后，通过大通孔钻杆和脱芯钻头下入筛管护孔，防止孔壁坍塌影响瓦斯抽采效果。,1-松软煤层中风压空气钻进技术原理,中风压空气钻进成套装备,2-松软煤层中风压空气钻进装备组成,ZDY3200L钻机,钻机,ZDY4000L钻机,钻机扭矩大于3000Nm，转速大于120rpm，钻机起拔力大于15kN,2-松软煤层中风压空气钻进装备组成,宽叶片能够实现机械拧卸钻杆，减轻工人劳动强度叶片搅动钻孔内沉粉，提高排粉效果大通孔，减小过风阻力，为下入大直径筛管提供通道钻杆内径达到了50mm，可满足筛管下放,宽叶片螺旋钻杆,2-松软煤层中风压空气钻进装备组成,钻头由内芯和钻头体两部分组成。内芯在筛管作用下与钻头体分离。残留内芯尺寸对采煤没有影响。,配套钻头,钻头内芯采用铰接，可侧向张开。内芯与钻头不分离。对采煤没有影响。,2-松软煤层中风压空气钻进装备组成,空压机技术参数,钻进用风为断续用风，空压机频繁加载，降低了空压机可靠性和寿命。空压机安装在主巷道，利用专用输风管路作为储气罐，形成稳压系统。,防爆空压机,2-松软煤层中风压空气钻进装备组成,利用排粉的残余风压作为动力，结构简单、安全可靠采用惯性、水浴、文丘里除尘原理，按照大中小的顺序逐级分离钻屑，增强除尘效果,除尘器开启前后粉尘浓度实测数据,实物照片,三级无动力源孔口除尘器,除尘器,2-松软煤层中风压空气钻进装备组成,选用阻燃、抗静电的聚氯乙烯管质量轻、强度高，拉伸强度35MPa性能符合MT558.2标准要求筛眼直径10mm，间距200mm，四排，孔眼呈梅花型,整体式筛管,插接式筛管,阻燃式筛管,筛管局部示意图,2-松软煤层中风压空气钻进装备组成,筛管固定装置,重量轻，结构简单，安装与操作方便。满足固定护孔筛管强度的需要。可单个使用或多个串接，联接方式灵活。,筛管固定装置,筛管固定装置工作状态,2-松软煤层中风压空气钻进装备组成,70,钻杆内孔安设筛管护孔技术,钻进到预定孔深由钻杆内孔下入筛管顶掉钻头内芯提拔钻具,3-松软煤层中风压空气钻进护孔技术,71,淮北矿业集团芦岭煤矿,II827采面：煤层硬度系数0.20.45；施钻瓦斯抽采钻孔110余个，总进尺近8000m；平均成孔深度超过了70m，最大成孔深度120m。矿方原来用螺旋钻进技术平均成孔深度不足40m。使瓦斯实际抽采时间较预计缩短了4个月，保证了该采面顺利接续。,打钻现场照片,II827采面部分钻孔,4-松软煤层中风压空气钻进技术应用,72,打钻现场照片,34下3号工作面：煤层硬度系数0.50.8；施工瓦斯抽采钻孔50余个，总进尺超过了10000m；平均成孔深度达到了200m，最大成孔深度238.5m矿方原来用风钻进平均成孔深度100m左右。,713工作面：煤层硬度系数0.18左右；施钻瓦斯抽采钻孔150余个，总进尺超过了10000m；平均成孔深度达到了70.5m矿方原来用风钻进平均成孔深度30m左右,淮北矿业集团祁南煤矿,4-松软煤层中风压空气钻进技术应用,73,煤层气（瓦斯）抽采对比,4-松软煤层中风压空气钻进技术应用,74,在淮南矿区丁集矿1331（1）工作面运输顺槽，采用快速全程护孔筛管瓦斯抽采技术，平均下套管深度110m。与传统工艺相比，采用快速全程护孔筛管瓦斯抽采技术，下套管时间由8小时减少至40分钟以内，平均抽采浓度12%提高到45%，百孔抽采纯量由3m3/min提高到9m3/min。,煤层气（瓦斯）抽采对比,4-松软煤层中风压空气钻进技术应用,三、煤矿井下穿层钻孔施工技术与装备,煤矿水害防治与瓦斯抽采技术与装备研讨会,广泛应用于松软强突出煤层的防突、消突治理。钻孔穿过目的煤层的顶、底板进入或穿过煤层，达到抽采煤层瓦斯、降低煤层瓦斯压力、减小瓦斯突出危险性和突出规模的目的。,1-井下穿层钻孔钻进技术原理,2-井下穿层钻孔钻进技术存在问题,钻孔过煤有效段较短，钻孔利用率低，钻孔瓦斯卸压抽采效果不好。为达到较好的瓦斯卸压抽采效果，单个钻场布置的钻孔较多，加大了钻孔施工时间，缩短了工作面瓦斯预抽时间。,3-提高穿层钻孔瓦斯卸压抽采效果的技术方法,应用状况：应用于煤层底板的岩石巷中施工上仰孔，穿过煤层底板、煤层和顶板，为瓦斯采前预抽放提供通道。钻进原理：利用细钻杆减小钻杆对钻头的约束，加大钻头对孔底下侧孔壁的切削力，并在正常钻进时上仰倾角有变小趋势的导向作用下，加压后细钻杆进一步弯曲，加大钻头的向下切削力。使钻孔倾角快速变小，从而延长了钻孔见煤段的长度。特点：钻头直径越大，钻杆越细，造斜强度越大。,细钻杆造斜钻具钻进穿层瓦斯抽采孔,3-提高穿层钻孔瓦斯卸压抽采效果的技术方法,通过组合钻具的使用，使穿层钻孔过煤段钻孔长度由原来的15m提高到了75m，提高了瓦斯抽采效果。,3-提高穿层钻孔瓦斯卸压抽采效果的技术方法,穿层钻孔煤层段扩孔增透技术,通过采用可伸缩式钻孔实现钻孔在岩层段孔径小，在煤层段孔径大的钻孔结构，钻进过程中采用75mm或96mm的钻孔在岩层内成孔，钻进至煤层段利用高压水将钻头侧翼切削齿压开，实现113mm-400mm钻孔扩孔钻进。,3-提高穿层钻孔瓦斯卸压抽采效果的技术方法,穿层钻孔煤层段扩孔增