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中煤科工集团西安研究院有限公司钻探技术与装备研发中心2016年11月三高效钻进与事故处理技术二ZDY12000LD定向钻进装备一背景介绍1四现场试验与推广应用2煤矿井下定向长钻孔是进行瓦斯高效抽采、顶板超前疏排水、底板隔水层注浆改造（加固）、井下隐蔽致灾地质因素探查等的有效技术手段。自2005年国内已经开始进行煤矿井下定向长钻孔施工装备及配套技术开发。定向钻机专用钻具随钻测量仪器系统定向钻进工艺技术煤矿井下随钻测量定向钻进系统组成3ZDY4000LDZDY6000LDZDY6000LD(A)ZDY6000LD(F)ZDY4000LD(A)ZDY6000LD(B)定向钻机结构形式：分体式、一体式钻进能力方面：机型系列化600m→800m→1000m→1200m定向钻机适应范围小，集成化程度相对较低,钻进能力需进一步提高1.定向钻机主要参数：钻机扭矩小于6000Nm钻进起拔力小于180kN主轴制动扭矩1000Nm钻进深度小于1200m42.泥浆泵冲洗钻屑、冷却钻头、驱动螺杆马达常见型号3NB-300、3NB-320，电机驱动，分档位调节泵流量小、压力低，不适应大直径深孔定向钻进近水平钻孔深度在800m以上时泥浆泵压力一般大于6MPa，钻孔越深，泥浆泵排量会越小，钻孔内岩粉堆积越多，从而导致钻孔无法继续成孔。主要特点：最大流量小于320L/min最大泵压小于6MPa井下移动困难，劳动强度大恒压定排量泵居多53.随钻测量系统2021/11/24YHD1-1000随钻测量装置（孔口监视器）YHD1-1000（A）随钻测量装置（防爆计算机）孔内电池筒供电，有线传输信号衰减快，传输稳定性差，传输距离受限，最大传输距离1212m结构复杂，探管长度1916mm，频繁拆卸，易发故障，使用维护成本高64.专用钻具平底式定向钻头φ73mm中心通缆定向钻杆实物图通缆钻杆和螺杆马达直径73mm，限制了钻孔直径螺杆马达扭矩仅约300Nm，制约了钻进效率定向钻头和扩孔钻头，煤层中应用效果较好，坚硬岩层中使用寿命较短铍铜硬脆，易发断裂；钻具强度和密封性有待提高铍铜无磁钻杆损坏实物图钢体式扩孔钻头75.孔口装置与钻进冲洗液清水钻进，自然沉淀，不循环使用孔口装置管路连接示意图85.定向钻进技术钻孔轨迹弯曲严重钻孔摩阻大、延伸能力差、成孔深度受限排渣效果差增加了卡钻风险、辅助冲孔时间长定向工作量大难度大、耗时长连续滑动定向钻进工艺：钻进过程中保持钻杆柱不回转，只在动力头带动下滑动给进，依靠孔底螺杆马达碎岩，并连续定向造斜钻进。96.事故处理井下定向钻孔事故处理钻具与工艺技术不配套发生钻孔事故盲目处理，常发生二次事故，造成无法挽回的经济损失现有的打捞钻具直接采用地矿垂直钻孔的打捞钻具，不能满足水平孔要求晋城寺河矿近四年定向钻孔事故统计钻孔事故发生机理不明原因分析不清无对应处理措施无事故预防机制10随着煤炭资源开采向大型化发展，工作面走向长度一般大于2000m，钻孔成孔深度大于1500m既可扩大抽采钻孔在掘、采工作面内的覆盖范围，以孔代巷可抽采采空区和上隅角瓦斯以降本增效。井下瓦斯主要开发方式示意图井下定向钻孔布置示意图缺少井下1500m以上本煤层超长钻孔定向钻进施工工艺方法缺乏井下顶板岩层大直径定向长钻孔快速钻进施工工艺方法11由定向钻机、泥浆泵车、有线随钻测量系统、专用钻具、事故处理钻具和冲洗液净化系统等组成。具备1500m钻孔施工能力，适用于孔底马达定向钻进、孔口回转钻进以及复合钻进等多种施工工艺；即可用于煤矿瓦斯抽采钻孔施工，也可用于井下探放水、地质构造探测、煤层注水灭火、顶底板注浆等各类高精度定向钻孔的施工。12ZDY12000LD定向钻进装备钻孔深度m1500制动扭矩Nm2000额定转矩Nm12000/3500额定转速r/min50/170最大起拔力kN250主轴倾角/°-10～20额定功率kW132配套钻杆直径/mm73/89/102/127整机质量/kg9000运输尺寸/mm4200×1600×1900钻机主要技术参数ZDY12000LD定向钻机1.定向钻机——组成与技术参数由主机、操纵台、液压泵站、防爆电脑、流量计、履带车体、稳固装置等部分组成，各部分之间通过高压胶管和螺栓连接。1314回转器主要特点：液控双马达驱动，带压力切断功能；行星轮减速机构实现较大降速比，输出转矩和转速大范围无极可调；主轴通孔式结构，通孔直径φ135mm，可通过φ73mm、φ89mm、φ102mm、φ127mm四种规格钻具；采用湿式摩擦片式结构，2000Nm主轴制动功能。回转器结构图1.定向钻机——组成与特点15给进装置主要特点：“V”型机身导轨，对中性好，长度1.2m；通过调整两侧V型块连接螺钉可补偿磨损产生的间隙；仅拆卸两侧竖板即可更换铜垫板，维护方便；整体式前后夹头，更加安全可靠。给进装置结构示意图1.定向钻机——组成与特点16夹持器主要特点：顶部开放式对称布局结构；便于下方粗径钻具和螺杆马达；复合式结构夹紧力大，夹紧可靠，防止施工过程中的掉钻现象；可在底座上左右浮动，实现钻进过程中的自动对中，减少钻杆磨损。夹持器结构示意图1.定向钻机——组成与特点17调角装置主要特点：主机仰俯角-10°～20°调节；具备主机水平开孔高度调节功能；一体式横梁夹头设计，螺母卡扣式结构设计方便拆装。1.多级油缸2.辅助稳固支撑3.给进机身调角装置结构示意图1.定向钻机——组成与特点18操纵台操纵台实物图主要特点：包括主操纵台、行走操纵台和副操纵台单动操作模式，实现各执行机构单独控制；集成随钻测量系统，方便测量和查看设置流量计和急停按钮，配备水泵截流和卸荷控制阀，便于施钻人员集中操作。1.定向钻机——组成与特点主要特点：增加前顶油缸，减去上稳固支撑增加锚固拉环履带车体中部采用内凹式的结构，有效的降低了钻机的整体高度19履带车体和稳固装置履带车体结构示意图1.定向钻机——组成与特点20钻机钻进操作常规钻进工况：回转+给进定向钻进工况：定向+给进复合钻进工况：定向+回转+给进快速起/下钻具工况履带行走操作速度控制+协同工作整机稳固操作车体稳固+机身调角系统控制方式恒功率+负载传感+恒压变量系统保护功能回转转矩限制逻辑功能保护+防卡钻保护+钻杆丝扣保护1.定向钻机——液压系统21钻机液压系统原理图主要特点：三泵系统独立工作，满足回转参数与给进参数独立调节的要求；回转、给进系统设计快、慢速两档模式，满足正常钻进、复合钻进、钻孔方位调节等多种要求；快、慢速回转与给进动作分别由Ⅰ泵和Ⅱ泵实现，Ⅲ泵实现稳固调角，卡盘、夹持、抱紧单动操作；Ⅰ泵、Ⅱ泵恒功率、负载敏感控制，Ⅲ泵恒压变量控制，配合负载敏感阀和先导控制手柄，操作灵敏省力方便。1.定向钻机——液压系统22功能与保护回路快慢速切换：回转和钻进操作设置快/慢两档控制卡盘单动：单独控制液压卡盘的张开和夹紧夹持器单动：单独控制夹持器的张开和夹紧卡转联动：回转器正反转时卡盘自动夹紧钻杆转矩切换：回转器输出转矩根据施工需要分档调整1.定向钻机——液压系统23功能与保护回路定向钻进保护：定向钻进时回转回路自动闭锁钻杆丝扣保护：上卸钻杆时给进油缸主动浮动钻进操作保护：钻进相关操作时行走操作闭锁行走操作保护：行走操作时钻进相关操作闭锁防掉钻杆保护：拧卸丝扣时夹持器先夹紧马达后反转稳固油缸保护：外因导致超压过载时油缸自动卸荷1.定向钻机——液压系统24由液压泵站、履带车体、操纵台、泥浆泵组件、机车灯组件、电磁起动器、甲烷传感器等部分组成；集成定向钻进配套用附属装置，具备自行走能力，可显著减少辅助时间，机动灵活、适用性强。泥浆泵量L/min390泥浆泵压MPa12电动机功率kW110外形尺寸m3.25×1.3×1.76泵车主要技术参数2.泥浆泵车全液压泥浆泵车25泥浆泵组件泥浆泵组件外形图主要特点：排量和性能稳定、输出压力高。泥浆泵采用液压驱动控制，可实现泵量的无级调节。使用寿命长，故障率低，工作稳定可靠。2.泥浆泵车26电磁起动器电磁起动器外形图主要特点：采用矿用隔爆型真空电磁起动器，用于控制防爆电机的起动、停止及防爆照明灯的开合；采用远距离起动和停止，具有过载、断相、短路、漏地闭锁等保护功能；具备多路127V低电压输出，可为防爆电脑、防爆机车灯等提供电源；自带温度、液位等过载保护功能（外接传感器）。2.泥浆泵车27控制系统泵车电控系统原理图主要特点：配备甲烷传感器、瓦斯断电仪，实现对瓦斯浓度连续监测，进行瓦斯超限断电保护；泵车集中控制钻车和泵车的启停，也可实现钻车远程启停控制。2.泥浆泵车283.随钻测量系统系统实物图使用时间不受限制；传输信号强度大、抗干扰能力强；测量精度高（软件自动补偿），功耗低；结构尺寸小(直径35mm，长度532mm)；工作稳定可靠、故障率低、使用和维护费用低等。孔口防爆计算机供电式294.专用钻具采用“双顶双锥”结构，研制了Φ89mm中心通缆式钻杆和送水器选配了Φ89mm螺杆马达，扭矩达到1000Nm以上可配套钻进Φ120mm以上钻孔钻杆规格mm钻杆长度mm抗拉强度kN抗扭强度Nm通缆装置电阻Ω绝缘电阻Ω承压能力MPaΦ89300098015000＜0.5＞2M8Φ89mm中心通缆式钻杆技术参数Φ89mm螺杆马达实物图304.专用钻具选用高性能无磁钢作为无磁钻杆材料，为测量探管提供一个无磁干扰的环境，避免对测量方位角造成的干扰，保证测量数据准确强度高、延伸性好、不易断裂材质试验结果屈服强度Rp0.2(MPa)抗拉强度Rm(MPa)伸长率A(%)夏比冲击功Akv(J)铍铜110511302.5234钛合金9209915.5111213定制无磁钢≥992≥1085≥29≥210螺旋无磁港钻杆室内测试结果和实物图314.专用钻具开发了适用于中硬岩层的平角刮刀型PDC定向钻头开发了适用于坚硬岩层的弧角刮刀型PDC定向钻头开发了适用于岩层扩孔的螺旋刀翼型扩孔钻头平角刮刀型PDC定向钻头弧角刮刀型PDC定向钻头螺旋刀翼型扩孔钻头325.事故处理钻具研制了Φ102mm和Φ127mm套铣钻杆，内径分别为81mm、103mm，用于处理Φ73mm钻具和Φ89mm套铣打捞研制了Φ133-82mm和Φ153-104mm先导式套铣打捞钻头研制了大通孔打捞公锥和打捞母锥先导式套铣钻头实物图打捞钻杆实物图6.冲洗液净化系统振动筛和离心机两级净化，处理量约200L/min完成厂区试验，获得煤安证书，暂未进行现场试验。泥浆净化系统厂区试验图341.复合定向钻进技术——技术原理复合定向钻进工艺回转给进稳斜钻进动力头螺杆马达滑动给进造斜钻进螺杆马达回转给进稳斜钻进滑动给进造斜钻进•典型轨迹控制以回转给进为主、滑动给进为辅•成孔特点：实钻轨迹平滑、钻进阻力小、孔内清洁效果好1.复合定向钻进技术——轨迹控制35技术优势能力强本煤层超长钻孔顶底板岩层定向孔事故处理能力效率高机械钻速综合效率顶板定向钻孔转速叠加复合1.复合定向钻进技术——技术优势3612341-2008.11陕西亭南矿2-2010.11山西寺河矿3-2011.06山西保德矿4-2011.08陕西大佛寺5-2014.08晋城寺河矿常规定向钻进装备连续滑动定向钻进工艺ZDY120000LD定向钻进装备复合定向钻进工艺13m53m100m669m51.复合定向钻进技术——技术优势372.顶板高位钻孔大直径成孔技术岩层大直径扩孔钻具组合与螺旋刀翼型组合式扩孔钻头采用二次扩孔成孔技术，先施工先导定向孔，再回转扩孔形成了岩层大直径钻孔扩孔钻具组合。383.套铣打捞事故处理技术利用套铣打捞钻具套取事故钻具进行回转扩孔钻进的工艺方法；冲洗液通过套铣打捞钻具与事故钻具之间环空后经套铣打捞钻具与孔壁环空返出孔口。转速：30~60rpm机械钻速：≤15m/h技术参数掉钻事故套铣打捞工艺技术原理图卡钻