俞启香教授-煤矿瓦斯抽采新技术

煤矿瓦斯抽采新技术俞启香(教授、博导、国家安全生产专家）中国矿业大学国家煤矿瓦斯治理工程研究中心主要内容1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术2、松软煤层抽放钻孔关键技术3、立体交叉钻孔布孔增透技术4、高压水射流扩孔5、水力导喷增流提透技术6、深孔预裂控制爆破增流提透技术7、V锥流量计1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术1）简介（1）长钻孔是实施“先抽后采、抽放达标”的重要前提。近年来，西安院、重庆院等，研制成功了施工长500-1000m钻孔系列装备。（2）定向钻进工艺和稳定组合钻具也是实现长钻孔施工成功的关键。1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术2）钻机（1）近水平深孔500～1000m全液压坑道钻机型号ZDY6000S(MK-6)ZDY8000SZDY10000S(MK-7)额定扭矩/N.m6000~16008000~210010000~2600额定转速/r.min-160~21045~16035~130最大起拔/给进力/kN190/250给进/起拔行程/mm1000主轴倾角/o-10~10给进/起拔速度/m.S-1主副泵合流给进0~0.25副泵给进0~0.05液压系统额定压力/MPa主油泵28副油泵21电机功率/kw7590油箱有效容积/L280配套钻杆直径/mm73/8989总质量/kg5600主机外形尺寸（长X宽X高）mXmXm2.66X1.43X1.921、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术ZDY8000S/ZDY10000S全液压钻机（MK-7型）一．适应范围：ZDY8000S/ZDY10000S型钻机是目前国内煤矿巷道钻进能力最大的全液压近水平孔钻机。它具有大扭矩、给进/起拔力强等特点。适用于煤矿井下瓦斯抽放大直径（φ=150~200mm）近水平长钻孔的施工。1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术ZDY8000S/ZDY10000S全液压钻机（MK-7型）二、结构特点：1.采用全液压动力头结构，由主机、泵站、操纵台三大部分组成，解体性强。主机设有步履行走机构和转向机构，使搬迁更方便，钻场布置更加灵活；2.双泵液压系统，使回转与给进工艺参数可以独立调节。变量油泵和变量马达的有机组合使转速和扭矩调整范围扩大并实现无级调速，提高了钻机对不同钻进工艺的适应能力；3.液压自动拧卸钻具，减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率；4.双油缸给进/起拔钻具，使给进/起拔能力增大，提高了处理孔内事故的能力；5.通孔式的回转器结构设计，通过更换不同尺寸的卡瓦组可适用不同直径的外平钻杆，钻杆长度也不受钻机结构尺寸的限制；6.用支撑油缸调整机身的倾角既方便省力又安全可靠；7.操纵台集中操纵，使操纵人员可远离孔口，确保了人身安全；8.完备的液压保护装置和通用性强的液压元件，提高了钻机运行的稳定性和可靠性。1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术ZDY8000S/ZDY10000S全液压钻机（MK-7型）三、应用实例情况简介2002年12月8~19日，在陕西铜川矿务局陈家山煤矿415区段附近施工。试验历时11天，纯钻进时间约138小时，累计进尺1667.5m，平均时效为12.13m/h，采用一次成孔的钻进工艺，先后完成了钻机能力孔和试验孔两个钻孔。该钻孔用于抽放瓦斯，平均瓦斯抽放量达到14m3/min，抽放瓦斯浓度为80%。其中一个钻孔孔深865m，最高时效达到28m/h，开孔直径Φ300mm，终孔孔径Φ150mm，是当时我国煤矿井下施工成孔最长、孔径最大的近水平定向全煤钻孔。煤层情况简介钻孔在4#–2煤层中施工，该煤层含数层夹矸，夹矸多为泥岩或炭质泥岩。施工区段地质构造主要以褶皱构造为主，属高瓦斯地区，煤的平均厚度为10m，煤层倾角5~7°。1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术ZDY8000S/ZDY10000S全液压钻机（MK-7型）1#钻孔施工简介：开孔倾角上仰6°，方位平行于415运顺，孔深802.5m（其中孔深0~420m段，孔径为φ193mm；孔深420~500m段，孔径为φ153mm；孔深500~802.5m段，孔径为φ113mm）。在钻进过程中，先后穿越煤层及泥岩（其中前380m在煤层中钻进，测斜仪对钻孔倾角进行测量，钻孔倾角最大为6.5°，最小为6°，与开孔倾角大致相同）。孔深380m以后先是换用φ113mm四翼刮刀钻头，钻头后跟3个稳定器。钻孔轨迹一直保持在泥岩中钻进至802.5m终孔。1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术ZDY8000S/ZDY10000S全液压钻机（MK-7型）2#钻孔施工简介：开孔倾角上仰5.3°，方位右偏415运顺3°。终孔孔深865m（孔深0~712m段，孔径为φ153mm；孔深712~865m段，孔径为φ113mm）。钻进施工时，先后通过煤层、炭质泥岩。用造斜组合钻具钻进至337m时，经测斜仪对钻孔进行倾角测量，最大倾角为-1°，最小倾角为-1.5°，钻孔下斜。根据矿上提供的地质资料，为使钻孔轨迹保持在煤层中，换用保直组合钻具钻进，钻进至855m时，进入炭质泥岩，继续钻进10m，（其中855m在煤层中钻进）。1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术ZDY8000S/ZDY10000S全液压钻机（MK-7型）钻具应用情况简介在此次施工中采用煤科总院西安研究院研制的8类金刚石复合片钻头：φ75mm的内凹三翼金刚石复合片钻头；φ113mm内凹三翼金刚石复合片钻头；φ113mm四翼刮刀金刚石复合片钻头；φ94金刚石复合片组合扩孔钻头；φ113mm金刚石复合片组合扩孔钻头；φ153mm金刚石复合片导向扩孔钻头；φ193mm金刚石复合片导向扩孔钻头和φ300mm金刚石复合片导向扩孔钻头，8类钻头经使用，效果良好，特别是对于坚固性系数f=0.8~2.5煤岩互层地层有很好的适应性和钻进性能。在煤层中钻进时，平均时效可达18m/h以上。1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术ZDY6000S型全液压钻机(MK-6型)一．适应范围：ZDY6000S型全液压钻机是动力头式全液压钻机，具有扭矩大、给进/起拔力强等特点。适用于煤矿井下瓦斯抽采大直径近水平长钻孔和地质勘探孔等。1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术ZDY6000S型全液压钻机(MK-6型)二、结构特点：1.采用全液压动力头结构，由主机、泵站、操纵台三大部分组成，解体性强。主机设有步履行走机构使搬迁更方便，钻场布置更加灵活；2.双泵液压系统，使回转与给进工艺参数可以独立调节。变量油泵和变量马达的有机组合使转速和扭矩调整范围扩大并实现了无级调速，提高了钻机对不同钻进工艺的适应能力；3.液压自动拧卸钻具，减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率；1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术ZDY6000S型全液压钻机(MK-6型)二、结构特点：……4.双油缸给进与起拔钻具，使给进、起拔能力增大，提高了钻机处理孔内事故的能力；5.通孔式的回转器结构设计，通过更换不同尺寸的卡瓦组可适用不同直径的外平钻杆，钻杆的长度也不受钻机结构尺寸的限制；6.用支撑油缸调整机身的倾角既方便省力又安全可靠；7.操纵台集中操纵，使操纵人员可远离孔口，确保了人身安全；8.完备的液压保护装置和通用性强的液压元件，提高了钻机运行的稳定性和可靠性。1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术ZDY6000S型全液压钻机(MK-6型)三、应用实例现场使用情况一：1998年12月-1999年1月，在阳泉煤业集团一矿井下4108工作面进行现场试验，历时35天,沿煤层顶板定向钻进试验孔2个。1号试验孔孔深508m，2号试验孔孔深603.5m。试验钻孔布置在距12号煤层约36m的灰白色中砂岩顶板中，硬度6-7级。岩层厚约7m。采用全回转、二次成孔钻进工艺。配用Φ89mm专用钻杆、钻孔定向稳定器、复合片钻头及其它配套机具。2号试验孔，开孔仰角2.5°，使用Φ113mm复合片钻头钻进，用稳定组合钻具控制钻孔方向，施工先导孔，钻至603.5m终孔；再换用Φ193mm的复合片扩孔钻头，扩孔至502.9m，之后又使用Φ153mm扩孔钻头钻至603m。先导孔平均每班进尺50m，Φ193mm钻头扩孔平均每班进尺30m，钻孔历时22天（包括处理孔内事故）。1号试验孔，开孔仰角2°，终孔深度508m，先导孔最高班进尺118m，钻孔历时10天。经测斜终孔位置偏差小于孔深的1％，达到了设计孔的要求。1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术ZDY6000S型全液压钻机(MK-6型)三、应用实例现场使用情况二：2000年10月1日－11月23日，在抚顺老虎台煤矿-780m运输岩巷内施工钻孔三个。钻孔一：钻孔直径94mm，采用φ73mm外平钻杆，开孔方位18°,仰角10°，从开孔到终孔相继钻过地层为玄武岩层－凝灰岩层－主煤层。玄武岩硬度5～6级。灰白色凝灰岩硬度4级，遇水膨胀，夹有凝灰质角砾岩、集块岩和凝灰质砂岩，并含硅化木和植物碎片。主煤层是由5～38个自然分层组成的复合煤层，夹薄层黑色页岩、碳质页岩、烛煤、灰白色泥岩、灰褐～灰黑色泥质粉砂岩和细砂岩等。钻进过程中经过三个重要分煤层，分层厚为20～25m。总计钻进孔深521.5m(其中钻孔在岩石中钻进301.5m，在煤层中钻进220m)。钻孔进入煤层220m后，由于煤层瓦斯含量较大，喷孔、塌孔现象严重，造成孔内不返水，无法正常钻进而终孔。测钻孔仰角最大11.2°，最小10°，与开孔设计仰角10°，基本一致。1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术ZDY6000S型全液压钻机(MK-6型)三、应用实例现场使用情况二：2000年10月1日－11月23日，在抚顺矿务局老虎台煤矿-780m矿车巷道内施工钻孔三个。钻孔二：开孔方位50°，仰角5°，地质条件和一号钻孔相近，在孔深117m时钻进到F25和F24两条断层的交汇带，岩层破碎，钻孔塌孔严重，孔内不返水，无法正常钻进。据地质资料推测，前面还要经过4个大断层带，最大断层落差72m，按矿地测科建议停钻。钻孔三：开孔方位235°，仰角10°，主要地层为橄榄玄武岩和少量凝灰岩的软硬互层，设计孔深700m，实钻孔深722.6m。1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术ZDY6000S型全液压钻机(MK-6型)三、应用实例现场使用情况三：2001年9月25日~10月10日，在山西晋城寺河煤矿东二盘区102017S巷道南侧端部实验。巷道宽4.5m、高3.5m。钻场所处位置在3号煤层底板之上。煤层平均厚度6.5m，煤性脆、光亮型，硬度4-6级。煤层含夹矸0-4层，一般为1-2层，厚度0.1-0.5m不等。煤层下部有内生裂隙发育。煤层瓦斯含量较大。煤层上下均为深灰色泥岩和细粒砂岩，其硬度为7-8级。1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术ZDY6000S型全液压钻机(MK-6型)三、应用实例现场使用情况三：1#钻孔：位于巷道南端的底板以上1.5m，仰角1.5°、方位角170°，基本平行于102015S巷道开孔。采用φ94mm保直稳定组合钻具成孔后，又用φ153mm的钻头扩孔，以满足封孔要求。纯钻进时间20.85小时，完成钻孔孔深509.03m，平均钻进时效24.4m/h。在钻进至280m时，发现进尺缓慢，提钻后发现钻头磨损严重，换用侧切削钻头继续钻进直至终孔。在孔深280m和350m处对钻孔倾角分别进行测斜，倾角分别为1º和-1º。1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术ZDY6000S型全液压钻机(MK-6型)三、应用实例现场使用情况三：2#钻孔：采用保直组合钻具一直钻进到135m，后因孔口瓦斯过大，从安全施工的角度考虑，矿上决定提钻封孔。3#钻孔：从80m处遇到煤层夹矸一直钻进至519.5m终孔，钻孔在煤层夹矸中延伸。在孔深240m处对钻孔轨迹进行测量，测量倾角为1º。这三个钻孔都从开始进行瓦斯抽采，瓦斯浓度为97%，瓦斯涌出量2-2.5m3/min。1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术2）钻机（2）中深孔钻机(西安研究院)主要技术参数：型号ZDY1200SZDY600SGZDY900SGZDY1900SZDY3200SZDY4000S钻孔深度/m300/200350/2503503