2煤矿井下钻探工艺

2.煤矿井下钻探工艺煤矿井下定向钻进技术培训系列1.煤矿井下钻孔类型2.回转钻进技术3.定向钻进技术4.成孔新技术2.煤矿井下钻探工艺——2.1煤矿井下钻孔类型煤矿井下定向钻进技术培训系列1.本煤层钻孔2.穿层钻孔3.顶板高位钻孔4.其它钻孔1.本煤层钻孔本煤层钻孔根据其目的不同分为2类：为采煤工作面回采服务的本煤层钻孔1.本煤层钻孔为巷道掘进服务的本煤层孔2.穿层钻孔穿层钻孔根据用途和施工方法也可分为2类：在专用的底板巷中施工的用于抽采具有突出危险煤层的穿层钻孔3.穿层钻孔在回风巷或专用巷中施工的抽采临近层或采空区瓦斯的穿层钻孔3.顶板高位钻孔顶板高位钻孔主要抽采裂隙带、部分采空区以及受采动影响的上覆邻近层瓦斯。4.其它钻孔在煤矿井下，除瓦斯治理所施工各类钻孔外，还会施工：a.地质勘探孔。b.工程孔：探放水孔、注浆孔、煤层注水孔、煤层预裂爆破孔。2.煤矿井下钻探工艺——2.2回转钻进技术煤矿井下定向钻进技术培训系列1.清水钻进2.空气钻进3.螺旋钻进4.适用范围1.清水钻进清水钻进指用清水做冲洗介质携带钻屑，并起冷却钻头作用的回转钻进方法。清水钻进的优点：（1）煤矿井下供水系统完备，清水供应比较充足和便利。（2）作业地点无扬尘。（3）在硬度系数f≥1的完整煤层、岩层中钻进时，清水能够迅速带走钻屑，钻孔冲洗较为彻底，有效降低了堵孔事故。1.清水钻进清水钻进的缺点：（1）水对孔壁的冲刷作用强，在松软煤层中钻进钻孔事故频繁。（2）水封闭了瓦斯涌出通道，阻碍了瓦斯的释放。（3）钻遇水敏性岩层时，岩石遇水膨胀钻孔缩颈，会导致卡钻事故。（4）在松软煤层中钻进，水易通过裂隙、解理渗入到煤层（煤体）内部，降低煤层的整体强度，加速煤的解体。2空气钻进是指采用压缩空气经过钻杆内孔、钻头进入孔底，在孔内形成高速风流，钻屑则浮在风流中被吹向孔口，从而实现排粉和对钻头的冷却。2.空气钻进空气钻进排渣2空气钻进主要优点：（1）空气对孔壁的冲刷小，不易破坏孔壁。（2）不影响煤层中的瓦斯解吸，使瓦斯得以自由、快速地释放。（3）钻孔内始终只有气、固两相流动，发生卡钻的可能性减小。空气钻进的缺点：（1）选用地面压风站供应的系统压风，供风压力低，流量不稳定。（2）作业地点粉尘不易控制，损害作业人员健康。2.空气钻进2中风压空气钻进中风压空气钻进相较于常风压空气钻进而言，指压风风压在0.8MPa至1.3MPa之间，一般需空气压缩机提供风源。通常还需配备孔口集尘器、除尘器、空气流量计等设备。2.空气钻进空气压缩机空气流量计2螺旋钻进指在钻进过程中，钻屑由螺旋叶片以推移方式向孔口输送，螺旋钻杆和钻孔之间组成了一个“螺旋运输机”，螺旋钻具在回转的同时不断地前进。3.螺旋钻进螺旋钻进排渣2螺旋钻进主要优点：（1）无重复破碎，辅助设备少。（2）螺旋叶片的阻挡作用，在一定程度上可以减弱喷孔。螺旋钻进的缺点：（1）纯螺旋钻进一般孔深较浅。（2）易发生卡钻断杆事故。3.螺旋钻进2小螺旋复合钻进小螺旋复合钻进指采用压风排渣，使用宽叶片螺旋钻杆为钻具的钻进方法。矮螺旋的设计，对孔壁的扰动小，有利于维护钻孔的稳定性，减少软煤钻进中容易出现的塌孔、卡钻等事故。3.螺旋钻进小螺旋钻杆2a.清水钻进：适用于较坚硬煤层及岩层中钻进。b.空气钻进：适于施工瓦斯高、喷孔严重、煤质松软易坍塌地层的钻孔。中风压适用于中深孔的松软突出煤层钻进。c.螺旋钻进:纯螺旋钻进一般适用于浅孔。小螺旋复合钻进适合松软煤层成孔。4.适用范围适用范围2.煤矿井下钻探工艺——2.3定向钻进技术煤矿井下定向钻进技术培训系列1.稳定组合钻具定向钻进2.螺杆钻具定向钻进1.稳定组合钻具定向钻进稳定组合钻具主要由钻杆、钻头和稳定器组成。在近水平状态下稳定器相当于支点，稳定组合钻具在重力、给进力的作用下产生变形，对钻杆和钻头产生作用，使钻孔上仰、下倾或基本保直。稳定组合钻具定向的特点：（1）钻具结构简单、便于操作、价格便宜。（2）只能用于调整钻孔倾角，精度不高。1.稳定组合钻具定向钻进(a)(b)(c)(a)上斜组合钻具结构(b)保直组合钻具结构(c)下斜组合钻具结构稳定组合钻具结构示意图1.稳定组合钻具定向钻进稳定器结构示意图1.稳定组合钻具定向钻进稳定组合钻具造斜钻进2.螺杆钻具定向钻进螺杆钻具是一种孔底动力钻具，其作用原理是将泥浆泵所提供的高压水的势能通过螺杆转化为动能，驱动钻头回转。主要由螺杆马达（定子、转子）总成、万向轴总成、传动轴总成三大部分组成。螺杆钻具之所以用于定向钻进，主要基于两个原因：一是螺杆钻具工作过程中，钻头回转破碎岩石，而整个钻具不回转；二是通过更换定向弯接头体或下万向节外管，使螺杆钻具弯曲，在钻压的作用下，将使钻头对孔壁四周产生不等的侧向力，从而实现造斜钻进。2.螺杆钻具定向钻进螺杆钻具螺杆钻具组成：主要由螺杆马达（定子、转子）、万向轴、传动轴三大部分组成。2.螺杆钻具定向钻进1-螺杆马达2-万向轴3-传动轴4-定子5-橡胶垫圈6-转子螺杆钻具内部结构2.煤矿井下钻探工艺——2.4成孔新技术煤矿井下定向钻进技术培训系列1.三角型钻杆成孔技术2.筛管完孔技术3.跟管钻进技术4.挠性钻具钻进技术1.三角型钻杆成孔技术技术背景松软突出煤层的高效成孔技术一直是制约我国煤矿井下瓦斯抽采的难题。煤层顺层长钻孔为沿煤层钻孔，由于没有无效进尺，成孔速度快，抽采效果好，所以如果施工条件允许时被作为首选预抽瓦斯钻孔的施工方法。采用常规钻具在松软突出煤层中施工顺层瓦斯抽采长钻孔，遇到的主要难题是钻进不长距离就发生抱钻、顶钻等事故，导致钻进效率低，成孔深度浅，从而严重制约着瓦斯抽采的效果。1.三角型钻杆成孔技术三角型钻杆特点三个面削出三个面后，大大增加了排渣空间，也有利于瓦斯的排出，同时，平面比曲面更能把煤屑搅动起来。六条棱在钻杆转动过程中，六条棱能将颗粒进行再次粉碎，颗粒更小，更容易排出。线面结合三角钻杆保留了部分圆钻杆的表面，有利于钻杆转动时的稳定。三角型钻杆排渣过程示意图1.三角型钻杆成孔技术三角型钻杆排渣优势第一类煤渣颗粒速度随钻孔长度变化第一类煤渣颗粒速度随时间变化在Flunet计算时共取了122个煤渣颗粒，它们的速度随钻孔长度的变化趋势主要有两类，第一类煤渣颗粒随风流吹出孔口，占总产渣量的11%，第二类煤渣颗粒滞留在钻孔内，占总产渣量的89%。1.三角型钻杆成孔技术第二类煤渣颗粒速度随钻孔长度变化第二类煤渣颗粒速度随时间变化煤渣颗粒大部分处于第二类状态，也就是说在不到1秒钟的时间速度就变为零，滞留在孔内。三角钻杆利用六条棱的旋转搅动将这部分沉积的煤渣很好地悬浮起来，然后经压风吹出孔内。1.三角型钻杆成孔技术三角型钻杆实物1.三角型钻杆成孔技术推广应用情况在安徽两淮、山西晋城、河南平顶山、辽宁阜新等北方典型软煤矿区，以及云南滇东及富源、重庆、贵州等南方软煤矿区得到了广泛应用，在晋煤集团赵庄矿、淮南矿业集团丁集矿及谢一矿、神华宁煤石碳井焦煤公司、阜新矿业集团恒大公司等矿井，三角钻杆占矿井钻具总量的比率超过了50%。2.筛管完孔技术技术背景随着煤矿生产规模扩大和开采深度不断增加，矿井地质条件越来越复杂。松软煤层、破碎煤层等施工本煤层钻孔时，由于地质结构复杂、孔壁稳定性差，成孔后孔壁易坍塌，造成瓦斯抽采通道堵塞，钻孔瓦斯抽采周期短、钻孔利用率低，存在一定的盲区，采掘过程中容易造成瓦斯事故。提钻下筛管技术在一定程度上提高了瓦斯抽放效果，但是由于塌孔的影响不能实现钻孔“打多深、管多深、抽多深”的问题。2.筛管完孔技术技术原理筛管完孔技术是利用ZDY系列全液压坑道钻机，配套大通孔宽叶片螺旋钻杆和内芯可开闭式钻头，采用中风压回转钻进成孔。成孔后不提钻，从大通孔宽叶片螺旋钻杆内孔下入带有筛眼的PVC抽放管，利用孔底悬挂装置进行固定，提出钻杆，将PVC抽放筛管留置在孔内，实现了“打多深、管多深、抽多深”的目标，是一种简单、高效瓦斯抽采治理新技术。2.筛管完孔技术技术特点不改变现有装备，技术操作简单、可靠；宽叶片螺旋钻杆排渣效果好，成孔率高；通过钻柱内通孔下入筛管，保证下入深度；筛管护孔保证抽采钻孔有效性，提高瓦斯抽采率。2.筛管完孔技术配套设备-钻机ZDY3200S钻机是西安院研制的成熟机型。该机型在软煤矿区使用广泛，工人对钻机的操作及维修熟练。2.筛管完孔技术配套钻具-钻杆强度大、排粉能力好；钻杆的接头内径Φ50mm；采用夹持器夹持，加接钻杆方便；工人劳动强度低。2.筛管完孔技术配套钻具-钻头一字铰接内心可开闭式PDC钻头；该钻头由钻头体、开闭式翼片等组成。2.筛管完孔技术配套筛管抗静电阻燃性；Φ32mm和Φ40mm两种规格，丝扣和插接两种连接方式；筛眼直径Φ10mm，间距200mm，四排，孔眼呈梅花型，单根长度1.5m。2.筛管完孔技术配套设备-孔底悬挂装置重量轻，结构简单，安装与操作方便；强度满足固定护孔筛管的需要；可单个使用或多个串接，联接方式灵活。2.筛管完孔技术推广应用情况淮南矿业集团淮北矿业集团丁集矿、潘集矿、张集矿等大部分矿区全面推广；累计进尺250000余米。芦岭煤矿；累计进尺8000余米。2.筛管完孔技术推广应用情况晋煤集团韩城矿业集团赵庄矿、胡底矿和长平矿；累计进尺22000余米。桑树坪矿；累计进尺6000余米。新安矿；累计进尺3000余米。义马矿业集团3.跟管钻进技术技术背景穿层抽采钻孔是抽采突出煤层瓦斯，消除煤与瓦斯突出问题的有效方法之一，但是，突出煤层特别是强突煤层瓦斯含量高、压力大，施工穿层孔往往会诱发瓦斯与煤突出从而引起喷孔、塌孔和卡钻等现象，造成瓦斯超限、钻孔深度浅、成孔率低，甚至能引起孔突和剧烈的煤炮，严重制约着突出煤层的瓦斯治理以及煤矿安全生产。针对这一问题，目前各个煤矿一般采取的措施是在钻孔施工过程中在孔口安装防喷装置，防喷装置在一般的突出煤层钻孔施工中使用具有一定效果，但是在煤层瓦斯含量更高、压力更大地点使用效果甚微，而且防喷装置安装和使用复杂，影响钻进效率，也不能提高穿层钻孔的穿煤长度和成孔率。3.跟管钻进技术技术方案-套管钻进工艺首先采用保直钻进施工完先导孔后，提出钻具，下入套管钻进钻具组合，通过钻具组合中的传扭装置，使预定长度套管与钻杆同步旋转钻进，套管将动力传递给套管钻头，套管钻头和小口径钻头同时破岩，套管替代了部分钻杆功能，预定长度套管跟进钻进至煤层段后，反转，提出钻杆和小口径钻头，套管留设在煤层段。1—钻杆2—传扭公接头3—传扭母接头4—对中器5—套管6—套管钻头7—小口径钻头8—孔壁套管钻进钻具结构示意图3.跟管钻进技术技术方案-偏心跟管钻进工艺采用保直钻进施工完先导孔后，提出钻具，下入偏心跟管钻具组合，预定长度套管通过套管靴或传扭装置与钻具连接，套管随钻跟进，当预定长度套管跟进至煤层段后，慢速反转，偏心钻头收缩，提钻，偏心钻头及钻杆从套管中间退出，套管留在孔内。1—钻杆2—传扭公接头3—传扭母接头4—对中器5—套管6—偏心钻头7—孔壁偏心双动跟管钻具结构示意图3.跟管钻进技术技术特点只跟进预定长度套管；只在目标孔段留管，非全孔跟管；传扭装置传递扭矩和给进力；对现有钻进设备改动不大。3.跟管钻进技术ZDY3200S全液压坑道钻机加长机身ZDY3200S钻机主机钻机行程由0.8m增加到1.25m，可实现在动力头与夹持器之间加接1m长套管；在夹持器安装了手动套管夹持装置。配套设备-钻机3.跟管钻进技术配套设备-夹持器大行程夹持器手动套管夹持装置大行程夹持器既可夹持钻杆，又能夹持套管；手动套管夹持装置能防止加接时套管下滑。3.跟管钻进技术配套设备-套管整体式套管平接头式套管平接头式套管壁薄、内径大、重量轻；整体式套管加接方便，但壁厚、内径小，重量较重。3.跟管钻进技术配套设备