松软薄煤层条带消突下斜定向钻孔成孔护孔技术研究与应用

针对松软薄煤层煤巷条带消突长距离下斜钻孔,存在成孔难、易钻遇煤层顶底板、积水堵塞瓦斯抽采通道的难题,提出了氮气排渣下斜定向钻进成孔与护孔技术,采用高压氮气排渣、大功率气动螺杆钻具定向、“波浪式”轨迹控制和三层管护孔排水技术,在河南省平煤股份一矿开展现场试验,完成8个孔深超300 m下斜定向长钻孔,煤层钻遇率90%以上,全孔段下三层护排水管,平均下入深度302 m,支管平均抽采纯量1.66 m^(3)/min,平均瓦斯浓度17.5%。试验结果表明:该技术可有效解决松软薄煤层下斜钻孔长距离定向成孔、全孔段筛管护孔和排水的技术难题,提高了钻孔成孔深度和煤层钻遇率,实现了下斜孔全孔段护孔和排水,保障了瓦斯抽采效果,为松软薄煤层煤巷条带长距离消突提供技术保障,在类似地层条件具有广泛的应用推广价值。

松软煤层钻进钻杆减重降阻机制及应用研究

施工瓦斯抽采钻孔是治理瓦斯危害的必要手段,针对松软煤层钻进因钻杆自重大引起的钻进阻力大、钻进效率低及劳动强度高等问题,提出了优化钻杆结构以减少自重并降低钻进阻力的研究思路,通过设置四翼内凹结构达到减小钻杆自重及降低钻进阻力的目的,并依此设计了四翼内凹刻槽钻杆,兼顾钻杆推进阻力和旋转扭矩损失,建立了钻杆钻进阻力模型,结合ANSYS数值模拟方法对四翼内凹刻槽钻杆进行强度校核分析与参数优化,研制了四翼内凹刻槽钻杆,并进行了现场工业性试验。研究表明:(1)对于100m钻孔深度,四翼内凹刻槽钻杆相对于圆状刻槽钻杆质量减轻了21.88%,在正常钻进时,四翼内凹刻槽钻杆与圆钻杆相比旋转扭矩损失降低了25.10%;与圆状刻槽钻杆相比降低了20.90%。在塌孔10m的情况下,四翼内凹刻槽钻杆钻进阻力相对于圆钻杆降低了51.44%,相对于圆状刻槽钻杆降低了43.65%。(2)对四翼内凹刻槽钻杆进行强度分析与参数优化,结果显示,在常规坑道钻机作用下,钻杆最大应力与内凹深度呈正相关,与壁厚呈负相关,壁厚对于应力的影响大于内凹深度的影响,且在内凹宽度为33mm、深度为4mm、壁厚为11.5mm时,安全系数为1.59。(3)现场工业性试验表明,四翼内凹刻槽钻杆排渣顺畅,强度可靠,钻进深度提高了18.18%,钻进效率提高了17.80%。在保证钻杆强度的前提下、通过钻杆结构创新有效降低钻杆质量,对于降低工人劳动强度、提高钻进效率和成孔率具有显著的效果,为推动复杂地层钻探技术发展提供了新的方法。

四翼内凹刻槽钻杆高效排渣钻进技术研究

为解决松软煤层钻进钻孔排渣通道堵塞这一制约钻孔施工效果的关键难题,基于优化钻杆截面形状以增大排渣空间、预防钻孔堵塞这一理念,提出四翼内凹刻槽钻杆几何设计构想,通过孔内排渣阻力力学方程计算验证、钻杆排渣效果数值模拟,分析钻杆结构参数对排渣性能的影响,研制四翼内凹刻槽钻杆并在某矿进行工业性试验。研究结果表明:相较于传统圆状刻槽钻杆,四翼内凹刻槽钻杆在施工过程中具有更大的排渣空间,通过孔内沿程阻力计算对比,四翼内凹刻槽钻杆孔内沿程阻力较圆状刻槽钻杆低13%;数值模拟计算结果表明,当弧形内凹切槽对钻杆的圆心角α=35°、切入深度|EF|=4 mm时,渣体运移距离最大,平均运移速度最大,排渣性能最优;工业性试验表明,使用四翼内凹刻槽钻杆施工钻孔,班进尺长度和终孔深度得到显著提升。研究结果可为煤矿瓦斯抽采钻孔钻具设计提供参考。

软硬交错倾斜煤层下煤矿钻孔机器人钻杆系统振动特性研究

煤矿钻孔机器人钻杆系统振动特性的研究是钻进轨迹预测及控制的重要前提。考虑水平钻进过程中钻杆系统与煤层交互约束的复杂机制,搭建煤矿钻孔机器人钻进实验平台及振动监测系统,开展不同软硬煤层及煤层倾斜角度下的水平钻进实验;采用经验模态分解方法对采集数据进行分解、滤波和重构处理,以消除噪声干扰,进而研究软硬交错倾斜煤层下钻孔机器人钻杆系统振动特性。研究结果表明:钻孔机器人无论是在硬→中硬→软煤层还是软→中硬→硬煤层中钻进,钻杆系统的纵向、横向、扭转振动幅度均随煤层倾斜角度的增大而增大;同一煤层倾斜角度下,钻孔机器人在软→中硬→硬煤层中钻进较在硬→中硬→软煤层中钻进时,钻杆系统的纵向、横向及扭转振动幅度更大;煤层倾斜角度较小时,软硬交错煤层对钻杆系统振动特性的影响较大,煤层倾斜角度较大时,煤层倾斜角度对振动特性的影响大于软硬交错煤层的影响;较大的砂石对钻杆系统振动产生一定影响。

煤矿井下碎软煤层气动定向钻进技术与装备研究

【目的】我国煤层赋存地质条件复杂,碎软煤层分布广泛,高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井众多,目前采用钻孔瓦斯抽采是防治瓦斯灾害的有效措施。碎软煤层常规回转钻进存在轨迹不可控、成孔深度浅、抽采盲区大,常规定向钻进卡埋钻事故多、成孔困难、钻进效率低等问题。【方法】系统阐述了煤矿井下碎软煤层钻进技术的发展历程与应用现状,研制了气动螺杆钻具、定向钻机、随钻测量系统、除尘泵车、空压机或制氮机、油雾润滑装置等组成的煤矿井下气动定向钻进装备,并配套开发了气动定向钻进工艺和筛管完孔技术等关键技术,解决碎软煤层定向钻进成孔难题,保障瓦斯抽采效果。利用该成套技术与装备在两淮、山西、贵州等地区煤矿进行的碎软煤层定向钻孔试验。【结果和结论】研究表明:(1)气动定向钻进技术是碎软煤层钻孔瓦斯治理的有效技术手段,其钻进深度普遍达到200 m以上,最大钻孔深度达607 m,且可有效控制钻孔轨迹在目标煤层中延伸,煤层钻遇率达90%以上。(2)现场试验表明,气动定向钻进成孔效果好、施工效率高,最大效率达到3 594 m/(台·月),有力推动气动定向钻进技术从小规模试验到大规模的工业化推广应用。结合此成套技术与装备的应用现状和煤矿安全高效生产对钻探技术装备的发展需求,提出煤矿井下气动定向钻进技术与装备的拓展应用方向以及向自动化、智能化和集约化方向发展的现实需求和必然趋势。

碎软煤层大直径钻孔围岩损伤演化及瓦斯运移规律模拟研究

针对碎软突出煤层瓦斯抽采效率低的问题,提出采用大直径钻孔抽采瓦斯以降低煤层瓦斯含量、预防瓦斯突出灾害。以瓦斯吸附运移、煤体变形和损伤的控制方程为基础,建立碎软含瓦斯煤层应力损伤—渗流耦合模型,反映瓦斯与煤层的耦合响应。利用COMSOL Multiphysics软件模拟研究碎软煤层大直径钻孔围岩损伤演化及瓦斯运移规律,分析钻孔附近损伤区域内瓦斯含量变化及不同钻孔间距的抽采达标情况,对大直径钻孔间距进行优化。研究结果表明:大直径钻孔周围煤体中出现了较大范围的损伤破坏区,其渗透率大幅度增高,使瓦斯能够快速从损伤区域的煤体内运移至抽采钻孔中,为碎软煤层瓦斯高效抽采创造了条件。确定钻孔间距6 m、孔径300 mm的大直径钻孔进行瓦斯预抽,煤层瓦斯含量小于6.2 m^(3)/t,满足抽采达标条件,同时可降低施工费用。

碎软煤层钻进钻杆槽体结构优化与工程应用

高瓦斯碎软煤层具有煤体强度低、瓦斯含量高等特征,钻进过程中钻孔变形量大、易失稳破坏形成塌孔,导致钻孔深度浅、钻进效率低,进而影响了瓦斯抽采效率。为了提升刻槽钻杆在碎软煤层的应用效果,考虑螺旋槽体头数、螺距、槽深与槽宽等关键参数,采用EDEM与Fluent气固相间耦合的数值计算方法,构建刻槽钻杆钻进排渣模型,对比分析了刻槽钻杆的结构参数对排渣性能的影响。结果表明,增加螺旋槽体的头数,有利于增大排渣空间,提升钻杆的排渣效果;对于Ф50 mm的小直径刻槽钻杆,钻杆表面螺旋槽体设计为三头结构,相比单头和双头槽体,其排渣性能有明显提升;三螺旋刻槽钻杆螺距设计为252 mm、槽深为2.5 mm、槽宽为16 mm时,钻杆的排渣效果最优。通过现场工业性试验,钻进效果与煤矿使用的圆钻杆进行对比,三螺旋刻槽钻杆钻进深度提高11.5%,钻进效率提高35.4%,成孔率达到100%,在钻孔施工的过程中断钻、卡钻等打钻事故均未发生。

松软煤层用泡沫发生器结构优化及发泡效果模拟

【目的】空气螺杆钻进技术用于松软煤层瓦斯抽采孔钻进,存在粉尘污染严重、钻头寿命低、钻孔净化困难等问题。采用空气螺杆泡沫钻进技术是解决问题的有效途径,拥有良好发泡性能的泡沫发生器是实现泡沫钻进技术的关键之一,但目前大多泡沫发生器无法满足要求。【方法】针对此问题,基于螺旋式泡沫发生器,增设空气动能转化装置,设计了一款小尺寸泡沫发生器。采用数值仿真分析方法,对空气动能转化装置结构设计的合理性和涡轮搅拌段搅拌叶片的安装角度进行了评价和优化。【结果和结论】结果表明:(1)空气动能转化装置能有效驱动泡沫发生器的主轴转动,在0.8 MPa空气压力条件下,叶片平均转速可达621.61 r/min。(2)完成动能转化后,气体可以继续进入泡沫发生器内部,与泡沫基液进行气液混合,达到设计目的。(3)通过混合相的迹线分布、流体域湍流分布、气相分布以及气泡粒径分布等情况对比分析,安装角度为30°的搅拌叶片,其搅拌效率和气液混合效果好。研究成果为空气螺杆泡沫钻进工艺在松软煤层瓦斯抽采孔的成功应用奠定了基础。

碎软煤层定向钻孔防瓦斯套铣打捞技术

针对碎软煤层定向钻孔套铣打捞,孔壁失稳塌孔造成瓦斯异常涌出的技术难题,提出了碎软煤层定向钻孔防瓦斯套铣打捞技术。在现有套铣打捞技术基础上,分析了碎软煤层套铣打捞孔内瓦斯异常涌出原因、涌出通道和涌出量,优化了套铣打捞钻具内抽采瓦斯管路系统,将套铣打捞过程中打捞钻具内积聚瓦斯进行抽采并卸压;开发了套铣打捞孔口密闭抽瓦斯系统和套铣打捞加杆防瓦斯装置,实现套铣打捞全程负压抽采、密闭排渣和密封加杆。利用该技术成功处理1起孔深362 m的碎软煤层定向钻孔卡钻事故,事故处理中通过打捞钻具内抽采瓦斯管路系统,实现了打捞钻具内积聚瓦斯的抽采和卸压,通过孔口密闭抽瓦斯系统和加杆防瓦斯装置,实现了孔口和打捞钻杆末端口涌出瓦斯的密闭抽采,整个打捞过程中未发生瓦斯超限事故。

碎软煤层中自动化钻机关键技术研究与应用

为解决碎软煤层中瓦斯抽采钻孔作业常出现的喷孔、塌孔、堵孔及埋钻等情况,研发出一款适用于碎软煤层的ZDY4500LFK型自动化钻机;围绕碎软煤层自动化施工难点,介绍了该钻机的机械结构及控制原理,研究分析了钻机在碎软煤层中运用自适应钻进、钻杆自动定位修正、协同式钻杆加卸路径规划等技术原理。现场试验验证结果表明:该钻机高成孔率、高人均效率、高安全性、高携杆量等作业优势,为碎软煤层安全高效生产提供了技术保障。

阳泉矿区碎软煤层深孔气动定向钻进关键技术与实践

【目的】针对山西阳泉矿区碎软煤层瓦斯精准、超前、区域治理需求,提出采用气动定向钻进煤层预抽钻孔的技术方案。【方法】在分析气动定向钻进成孔技术难题的基础上,开发了适用于阳泉矿区碎软煤层赋存条件的气动螺杆钻具稳定运转技术、钻孔轨迹精确控制技术、深孔高效排渣技术、气动套铣打捞技术,优化了气动定向钻进装备配套方案,并在阳泉矿区碎软煤层中开展了现场工业性试验。【结果和结论】结果表明:(1)通过优化气动螺杆钻具结构和工艺流程、设计低风阻管路,有效解决了气动螺杆钻具的异常制动,实现了稳定高效运转。(2)通过优化钻孔设计轨迹和工艺参数、设计大角度造斜钻具组合和研制气动冲击螺杆钻具,保障了钻孔轨迹的精确调控,提高了煤层钻遇率。(3)通过复合强排渣技术和短起钻冲孔工艺的应用,有效提升了钻孔排渣效率。(4)通过采用气动套铣打捞技术,配套设计的专用可退式打捞筒,满足阳泉区矿区碎软煤层孔内复杂事故处理需要,并成功处理2起严重卡钻事故。(5)在阳泉矿区某矿施工完成孔径120 mm的10个定向钻孔,成孔深度均达到450 m以上,最大钻孔深度达到607 m,最大单班进尺76 m。碎软煤层定向孔取得了显著的瓦斯抽采效果,单孔日均抽采瓦斯纯量最大达971.96 m^(3),实现了阳泉矿区碎软煤层瓦斯长时间稳定抽采。研究成果为阳泉矿区碎软煤层瓦斯高效治理提供了新的技术途径,具有显著的应用和推广价值。

精准定向水力冲孔高效卸压抽采技术应用

针对松软煤层瓦斯抽采钻孔出现钻孔成孔率低和抽采效果差的问题,提出了精准定向水力冲孔高效卸压抽采技术,并基于现有钻机平台研发了配套的定向保直装置和钻冲护一体装置,能够一次实现定向钻进、水力冲孔卸压和全孔段下放筛管功能。现场试验得出:对比矿井原有技术平均每百米偏斜减小了60.46%,钻孔瓦斯抽采纯量平均值提高了4.72倍,瓦斯抽采衰减系数降低了27.5%。该技术在钻孔偏斜率,施工效率,筛管下放率,降低瓦斯衰减等方面皆优于矿井原有技术,简化施工工艺,提高钻孔成孔率,改善了软煤钻孔的瓦斯抽采效果,保障矿井安全高效生产。

碎软煤层高速螺旋钻探装备研制与实践

针对王坡煤矿碎软煤层钻孔施工排渣难、事故率高、成孔难等问题,设计了高转速履带式钻机、配套螺旋钻杆及三角梯齿钻头,能够有效地解决在钻进过程中出现的卡钻、塌孔等问题。现场工业性试验表明,该套钻探装备有效解决了施工过程中存在的排渣难、喷孔顶钻等问题,提高了钻孔成孔率,为矿井本煤层瓦斯抽采提供了重要支撑。

高阶碎软煤层氮气/空气复合定向钻进技术研究

针对晋城矿区无烟煤碎软区域瓦斯抽采钻孔施工难度大、成孔率低、CO超限和孔内着火的问题,提出了氮气/空气复合定向钻进技术。从技术原理、工艺方法入手,分析了风压和供风量等工艺参数对复合定向钻孔施工的影响。在长平煤矿4326工作面进行现场试验,共完成42个主孔,累计进尺6454.5 m,300 m及以上的钻孔成孔率为79.5%,200 m及以上的钻孔成孔率为85.7%,150 m及以上的钻孔成孔率为94.5%,效果显著。

复合采空区卸压瓦斯综合治理及效果分析

为了解决采动覆岩经历二次卸压造成的瓦斯涌出量大的关键问题,以晋能控股集团寺河煤矿2307下工作面和2307上采空区工程为研究对象,分析工作面布置方式及瓦斯运移机理,提出了采用“平行钻孔+走向钻孔+上隅角埋管+风排”的瓦斯综合治理技术。采取措施后回风巷瓦斯浓度在平均浓度0.5%,满足2307下工作面正常回采的要求,有效保证工作面安全回采。

三软煤层条件下工作面浅孔注水钻孔设置方式探索

针对告成煤矿三软煤层生产过程中,煤尘比较突出、劳动作业环境恶劣和容易诱发煤尘事故等问题,在23041综采工作面进行了工作面浅孔注水伪斜钻孔设置方法的试验和探索,并将该方法与现用的注水垂直钻孔设置方法进行了对比试验。实践证明,工作面浅孔注水伪斜钻孔设置方法可减少综采工作面生产过程中粉尘的产生量,对促进安全生产具有重要意义。

松软突出煤层钻进困难的原因分析

在分析煤层深孔钻进困难原因的基础上,提出"钻穴"概念,分析了"钻穴"对钻进的影响。在分析"钻穴"类型及成因的基础上,建立"钻穴"内流体排渣模型,采用数学方法,分析钻孔深度和"钻穴"的关系。结果表明:在纯流体排渣情况下,松软、突出煤层的钻孔深度几乎与钻机动力大小无关,而取决于危害型"钻穴"的发生位置和"钻穴"的体积大小。基于对"钻穴"的新认识,提出流体与机械协同排渣的新观点,以此克服或减轻"钻穴"的危害,并发明了"双动力低螺旋钻杆"。

松软突出煤层中风压空气钻进工艺及配套装备

由于松软突出煤层稳定性差、瓦斯含量高、压力大,容易出现喷孔、垮孔、卡钻等异常现象,其钻孔施工和成孔是公认的难题。国内进行了螺旋钻进和常风压空气钻进的尝试,但效果一般。提出将中风压空气钻进的钻探工艺应用到松软突出煤层瓦斯抽放孔的施工,并设计了一套成孔护孔方法,研制配套的钻机、内芯可脱式钻头和孔口除尘装置等装备。最后通过煤矿现场工业性试验,验证了该工艺的可行性和配套装备的可靠性。

基于千米钻机的“三软”煤层瓦斯治理技术及应用

在系统分析了三软煤层综放开采工作面超前支撑应力及采空区垂直区带划分的基础上,结合煤矿地质特点,提出了基于千米长钻孔技术的"三位立体"瓦斯综合治理技术措施,并进行了现场实际应用。研究结果显示:实施该技术措施后,51109工作面煤层瓦斯抽采率显著提高,达67.3%,风排瓦斯浓度降至0.3%,工作面瓦斯涌出不均匀系数由2.5降至1.6,瓦斯频繁超限的难题得到有效的解决,表明"三位立体"瓦斯综合抽采技术措施是一种适合该类地质条件的煤矿瓦斯综合治理技术方案。

松软煤层“护孔卸压”钻进力学机制

为解决常规套管钻具应用软煤层钻进存在着钻进阻力大、效率低的技术难题,提出“护孔卸压”钻进新观点,建立护孔钻进旋转阻力矩模型、轴向阻力模型及护孔数值模型,分析常规套管钻具应用于软煤层钻进存在的技术缺陷,探讨“护孔卸压”钻进工艺方法实现卸压、降阻的力学机制。结果表明:受软弱煤岩层钻孔收缩产生的围压影响,应用常规套管钻具钻进,在较短的钻孔深度范围内其旋转阻力矩和轴向阻力超过了钻机的额定扭矩及提拔力,钻杆将无法旋转及退钻,致使钻进终止;通过在套管钻具表面设置间隙或孔结构,减小护孔钻杆与钻孔壁的接触面积,为钻孔孔壁留设变形空间,钻杆表面形成的“卸压区”释放了钻杆周围煤体膨胀应力,并且旋转的钻杆不断切除膨胀的煤体,降低了软煤钻孔膨胀变形对钻杆产生的摩擦阻力;提出护孔面积比Sk概念,用来表征钻杆表面孔隙留设面积大小,伴随Sk减小,其旋转阻力矩和轴向钻进阻力呈逐渐降低趋势,降低幅度可达50%以上,从而降低了钻机的动力损耗,有效提高松软煤层的钻孔深度。基于“护孔卸压”原理,构建了螺旋护孔钻杆模型和多孔结构护孔钻杆模型,在实际应用中,结合施工地点的煤岩力学参数,合理确定护孔面积比Sk是护孔卸压钻具结构优化设计的关键。