复杂工况下顺煤层空气定向钻进应用研究

碎软煤层在我国煤炭资源中占比大,一般顺煤层钻孔成孔性差、成孔深度浅,而以空气作为冲洗介质的定向钻进工艺是解决碎软突出煤层钻进问题的有效方法。部分矿区受复杂工况影响,致使冲洗介质产生大量凝结水造成碎软煤层顺煤层空气定向钻进效率极低、甚至难以钻进的情况。因此,本文从井下碎软煤层空气定向钻进技术出发,对复杂工况下空气冲洗介质中凝结水形成机制以及空气钻进中凝结水对定向钻进作业的影响进行分析与研究,并通过改进冲洗介质管道装置解决了这一复杂工况下产生的钻进低效问题。该研究成果在西南某矿得以验证和应用,在使用改进工艺时空气螺杆马达在软煤顺层定向钻进的单班最大进尺达到51 m、单孔钻进最大平均速度达到34.5 m/班次,为相似工况下顺煤层钻孔施工提供了范例,对复杂工况下碎软煤层钻孔成孔研究有重要推进意义。

空气定向钻进螺杆马达润滑关键技术

采用空气定向钻进技术进行钻孔施工时,螺杆马达能否得到良好的润滑是影响其寿命的关键因素。结合空气螺杆马达的结构特点,介绍了2种支撑孔口润滑技术的关键装备,并给出了其结构组成和工作原理;结合装备的使用情况,分析了孔口润滑技术存在的不足;针对性的提出了螺杆马达孔底润滑技术,分析了该技术的优势;研制了一种空气螺杆马达专用孔底润滑钻杆。专用孔底润滑钻杆可以安装在螺杆马达前端,润滑距离不再受钻孔深度的影响,改善了润滑效果,减少润滑油液浪费。

空气定向钻进智能多功能除尘车研制与应用

为解决碎软煤层空气定向钻进施工过程中粉尘污染、螺杆马达润滑不良、易发生孔内高温的问题,首次研制了一型空气定向钻进用智能多功能除尘车,开发了额定处理能力32 m3/min的湿式射流孔口除尘系统,解决了施工过程中的煤尘污染问题;研制了空气螺杆马达自动油雾润滑系统,实现了润滑介质的长距离输送和螺杆马达的持续润滑,保障了马达使用寿命;搭建了自动孔内应急降温系统,通过对孔口进风和孔内返风温度的实时监测与计算,系统可自动判断孔内温度异常,并自主采取降温措施,降低了钻孔施工过程中孔内火灾的发生风险;构建了压风监测预警系统,实现了对压风流量、压力和温度数据的实时监控和异常预警。空气定向钻进智能多功能除尘车的成功研制,解决了空气定向钻进施工中的关键问题,为碎软煤层空气定向钻进技术和“一孔两消”瓦斯治理模式的推广与应用奠定了装备基础。

井下碎软煤层双管双动空气定向钻进工艺研究

碎软煤层钻进过程中易发生喷孔、塌孔,造成钻孔深度浅、成孔率低,严重制约碎软煤层瓦斯高效治理。随着“以孔代巷”、递进式抽采等瓦斯治理模式的兴起,煤矿对碎软煤层瓦斯抽采钻孔成孔提出了更高的要求,为了进一步提高碎软煤层钻孔深度、钻孔精度和成孔率,以满足煤矿安全、高效、精准瓦斯治理的需要,提出煤矿井下碎软煤层双管双动空气定向钻进工艺方法。针对该钻进方法涉及的关键钻具和钻进工艺,根据煤矿井下空气螺杆钻具规格和通过性试验,分析确定外管套管、内管螺杆钻具、领眼钻头以及扩眼器等钻具级配;通过理论分析螺旋钻进煤粉颗粒运动速度,优化套管螺旋叶片螺距、头数等参数;根据钻进排粉需求、空气螺杆钻具用风要求,计算双管钻进用风量、风压;采用数值模拟方法,研究排粉规律和最佳钻进工艺参数,最后通过现场钻进试验,验证双管双动钻具级配和钻进工艺的合理性。结果表明:增加风量比增加转速提高排粉效果更明显;钻进时套管转速40 r/min时,对应风量应最小达到500 m^(3)/h,内管钻具滑动定向造斜完成后,应尽快复合钻进排粉,当风量低于400 m^(3)/h时,应当充分回转扫孔排渣;采用ø90 mm领眼钻头+ø120 mm扩眼器+ø73 mm空气螺杆钻具+ø73/35 mm宽叶片螺旋钻杆的内管钻具+ø140 mm套管钻头+ø120/96 mm反螺旋套管的外管钻具组合,采用风量1000 m^(3)/h、风压1.25 MPa以上的风源、转速40~120 r/min的工艺参数,钻孔深度达到350 m以上、套管护孔深度168 m以上,钻孔轨迹可控制在煤层内,有效提高了钻孔深度和精度,为碎软煤层随钻护孔精确钻进提供新工艺方法。

碎软煤层空气定向钻进煤粉运移规律数值模拟研究

为研究粒径和风量对煤粉在钻杆与孔壁环空内沉积、运移和分布规律的的影响,以碎软煤层空气定向钻进成孔为背景,利用欧拉-欧拉模型,对压缩空气输送煤粉颗粒形成的气固两相流进行数值模拟。结果表明:风量越大,颗粒粒径越小,煤粉的沉积程度越小,对煤粉的输送能力越强,相应的孔底压强越大;在同一风量下,小粒径煤粉主要呈现螺旋线翻滚向孔口输送,大颗粒煤粉则主要位于中下部沿特定轨迹向孔口移动。

碎软煤层空气定向钻进工艺最小供风流量

为解决碎软煤层空气定向钻进工艺关键参数最小供风量的选取范围较难确定的问题,对空气钻进岩屑受力情况进行分析,计算不同粒径不同倾角情况下岩屑临界起动速度,最小供风流量;通过数值分析手段对空气流速在钻孔中的分布和变化情况进行分析。结果表明:当钻孔倾角为-30°左右时,岩屑的临界起动流速最大;在不同钻孔倾角、不同粒径情况下,岩屑携岩起动的临界流速和最小供风流量的变化趋势一致;在径向上,空气流速在环空截面中心处最大,向两边孔壁、钻杆外壁或钻头壁以及钻杆内壁逐渐减小;在轴向上,从孔口至孔底空气流速逐渐增大,在孔底形成明显的高低流速分区,空气流经钻头与钻杆连接处时,产生突扩效应,使空气速度突然减小,形成明显高低速层流区,随后在钻杆与孔壁间环状间隙空气流速趋于稳定。

煤矿井下碎软煤层空气复合定向钻进技术与装备

针对碎软煤层瓦斯高效抽采与治理已成为制约煤矿安全高效生产的关键技术瓶颈问题,在分析碎软煤层顺层钻孔钻进关键技术难题的基础上,提出采用空气复合定向钻进技术与装备进行碎软煤层钻孔施工的技术方案,介绍了其技术原理与技术优势,开发了复合定向钻进技术、顺煤层长距离成孔技术和复合强排渣技术,选配了矿用空压机和孔口除尘器,研制了空气螺杆马达、空气流量与压力监控系统、配套钻具等钻进装备。在贵州省青龙煤矿开展了现场试验,在普氏系数为0.37的碎软突出煤层中,完成5个定向钻孔和2个定向主分支孔施工,最大孔深385 m,总进尺3 014 m,最大单孔瓦斯抽采纯量超过1 500 m^3/d,取得了碎软煤层定向钻孔成孔深度和瓦斯抽采效果的重大突破。空气复合定向钻进技术与装备可在工作面圈闭之前对碎软煤层瓦斯进行超前区域递进式抽采治理,掩护巷道掘进和工作面回采,具有钻孔施工周期短、成本低、瓦斯抽采效果好等显著优势,可对革新井下碎软煤层瓦斯治理模式、助力煤矿企业降本增效提供技术参考。

青龙煤矿碎软煤层顺层定向钻孔钻进试验研究

针对青龙煤矿碎软煤层瓦斯抽采钻孔成孔深度浅、轨迹控制精度低及瓦斯抽采效果差等问题,在分析矿井瓦斯地质情况与预抽采方式现状基础上,介绍了采用空气复合定向钻进技术进行顺层定向钻孔施工的原理和关键技术,制定了钻场与钻孔设计、钻进装备和钻具组合选套、钻进技术要求总结的整体试验方案,并在21608轨道巷迎头钻场进行了顺层钻孔空气复合定向钻进试验。试验结果表明,采用空气复合定向钻进技术可实现碎软煤层内顺层定向钻孔施工,完成7个主孔和2个主分支孔,总进尺为3 929m,最大孔深达406m,300m以上钻孔成孔率达88.9%;试验钻孔瓦斯抽采体积分数均超过68%,平均单孔瓦斯抽采纯量超过1m^3/min,最大单孔瓦斯抽采纯量超过2.55m^3/min,抽采纯量是常规钻孔的10倍以上,瓦斯抽采体积分数提高了50%左右,钻孔成孔与瓦斯抽采效果显著。

碎软煤层顺层定向孔区域递进式精准瓦斯抽采模式与实践

针对碎软煤层矿井工作面开采和巷道掘进对瓦斯抽采治理的需要,分析了现有技术的基本原理、特点和不足,提出顺层定向孔区域递进式精准瓦斯抽采模式,介绍了其基本原理、技术内涵、技术优势,开发了顺层定向孔空气钻进技术与装备。在贵州青龙煤矿进行了工程实践,在2个钻场共完成碎软煤层顺煤层定向孔主孔及主分支孔264个,总进尺35473 m,最大孔深345 m,300 m以上钻孔成孔率超过70%;抽采初期单孔平均瓦斯抽采纯量达到0.4 m^(3)/min左右,抽采末期仍为0.3 m^(3)/min左右,是常规钻孔的10倍以上,累计抽采瓦斯纯量超过410万m^(3),取得了碎软煤层顺层钻孔施工和瓦斯抽采效果的重大突破。

矿用电磁波随钻测斜仪在松软煤层钻进中的应用研究

在松软煤层钻进中,因煤层起伏变化,容易出现采用常规回转钻进顶板或底板钻孔施工不到位和采用基于水力驱动的随钻测量系统易造成塌孔和埋钻等问题,基于此,提出了矿用电磁波随钻测斜仪配套空气动力螺杆马达进行松软煤层顺层钻进的新思路,开发了基于无线电磁波传输的随钻测量系统及基于空气驱动的螺杆马达等关键技术与装备,并在淮河能源集团潘三煤矿开展了可行性试验应用。应用结果表明,矿用电磁波随钻测斜仪能够满足在松软煤层顺层定向钻进的实际生产需求,指导钻具沿煤层钻进,降低无效进尺,有效提高见煤率及瓦斯抽采量。

煤矿井下负压抽吸分级净化除尘装置应用研究

针对碎软煤层空气定向钻进过程中煤尘具有产生量大、流速快和瓦斯含量高的特性,基于负压抽吸惯性干式除尘原理,设计了一种适用于煤矿井下碎软煤层空气定向钻进的负压抽吸分级净化除尘装置;装置主要由孔口集尘器、一级除尘器、二级除尘器、除尘布袋和配套管路等组成;孔口集尘器收集钻进过程中孔口返出煤渣和含瓦斯气体;一级除尘器分离中等、大颗粒煤渣,除尘布袋收集中等颗粒煤渣并向外排出非瓦斯气体;二级除尘器利用井下瓦斯抽采负压主动抽吸含瓦斯气体,小颗粒煤渣由二级除尘器安装的空滤进行过滤。在青龙煤矿碎软煤层瓦斯抽采钻孔施工中进行了应用试验,完成9个空气定向长钻孔孔口煤尘的降尘作业,孔口集尘器密封良好,煤尘和瓦斯无外泄现象,钻场降尘效率在96%以上,有效改善了施工现场的作业环境;同时,降尘过程中不需要使用水,煤渣清理方便、快捷,节约水资源。

大风量有线随钻测量螺旋钻杆设计及流场分析

碎软煤层在我国分布广泛,高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井的瓦斯治理问题对我国煤矿安全开采具有重要意义。实践证明,空气复合定向钻进技术是解决碎软煤层瓦斯抽采钻孔、成孔难问题的有效手段。针对空气复合定向钻进需要低压耗、大风量驱动空气螺杆和高效排渣要求,优化设计钻杆间信号传输结构,开发了变截面过流形式的支撑环,设计了大风量有线随钻测量螺旋钻杆,并采用计算流体动力学分析方法,对钻进过程中钻杆内部流场的速度和压力进行数值分析,揭示了钻杆内部的流体运动规律,结果证明:相对于目前采用的有线随钻测量螺旋钻杆,大风量有线随钻测量螺旋钻杆内气体介质传输稳定率提高46%,压力损耗率均减小44%,较好地满足了空气复合定向钻进技术要求,为提高碎软煤层瓦斯抽采钻孔的钻进效率及成孔率提供了技术保障。