主辦單位:煤炭科學研究總院出版傳媒集團、中國煤炭學會學術期刊工作委員會

煤礦鉆進技術與裝備專題

來源:煤炭科學技術2019年第5期

隨著煤礦開采深度增加、開采范圍不斷擴大,鉆探工程對于防范煤礦瓦斯、水害等事故,促進煤礦安全生產發揮著越來越重要的保障作用。為推動煤礦區鉆探工程領域的新理論、新技術、新裝備的發展,《煤炭科學技術》聯合中國煤炭學會鉆探工程專業委員會,繼2018年第4期策劃刊登“煤礦鉆探技術與裝備專題”后,于2019年第5期再次推出此專題,并擬于每年度策劃刊登一期此專題,集中展示煤礦區鉆探技術與裝備最新科研成果,促進學術交流與傳播。本期專題報道了煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術裝備現狀與展望、反井鉆井工藝與關鍵技術研究、定向鉆進技術在礦井水害防治中的最新研究應用、深部與碎軟煤層鉆進護孔與孔壁穩定相關研究、煤礦井下自動化鉆進裝備與關鍵技術研究進展等內容。

行業視野

智能化

類別

51個

關鍵詞

44位

專家

11篇

論文

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  • 作者(Author): 韓穎, 張飛燕, 楊志龍, 董博文

    摘要:為探討煤層鉆孔周圍是否存在壓力拱,構建了基于Hoek-Brown準則的含瓦斯煤流固耦合動態模型,并運用COMSOL軟件進行解算,分析了鉆孔施工前后孔周煤體主應力及應變能密度分布規律,研究了不同煤體結構煤層孔周煤體位移量及壓力拱內邊界、厚度的變化特征,并結合孔周煤體塑性區分布規律對煤層鉆孔成拱特性進行了探討。研究結果表明:煤層鉆孔頂底部存在壓力拱,其拱腳與拱座位于鉆孔兩側;壓力拱區域內孔周煤體水平位移量變化較為平緩;壓力拱內邊界及厚度可作為評判鉆孔穩定性的指標,兩者隨地質強度指標GSI值的增大而逐漸減小,即煤體結構越完整、強度越高,壓力拱范圍越小;當GSI值非常大或非常小時,壓力拱效應不明顯,甚至趨于消失。
  • 作者(Author): 方俊, 谷拴成, 石智軍, 任建喜

    摘要:孔口套管封孔是后續鉆孔施工與安全保障的基礎,大直徑套管通過能力、套管孔段軌跡偏斜控制和鉆孔排渣效果是影響煤礦井下大直徑套管近水平長距離下放成功的關鍵。為了提高套管近水平長距離下的成功率,建立了大直徑套管剛性模型和彈性模型 ,獲得了煤礦井下常用178 mm、146 mm和127 mm套管在彎曲鉆孔的通過能力數據;分析了近水平大直徑套管孔段排渣困難與易發生偏斜的原因,提出采用大直徑螺旋鉆桿與內凹式PDC鉆頭進行保直鉆進和高效排渣的技術方案,開發了相關鉆具,制定了鉆具組合,并分析了保直鉆進和高效排渣機理。在趙固一礦進行了現場試驗,完成3個鉆孔施工,與常規工藝相比,套管孔段施工時間由110班次縮短至21班次,軌跡偏斜僅為0.042°/m,套孔下放成功率達到100%,有效解決了大直徑套管近水平長距離下放難題。
  • 作者(Author): 李曉龍, 張紅強, 郝世俊, 鄭玉柱, 趙永哲, 尚榮, 秦藝璞

    摘要:基于渭北某礦井煤層底板奧灰水害防治定向鉆孔工程,對成孔關鍵技術進行了研究。研究結果表明:煤層底板以下46 m層位可實現深孔探查;空氣鉆進工藝可解決孔內排渣不暢及難成孔的問題;通孔鉆具可保障套管下至設計深度;利用引導鉆頭,采用回轉鉆進工藝可實現深孔下套管;孔內高壓注漿、環空靜壓補漿可確保套管封固質量;滑動定向鉆進、回轉鉆進相結合可提高穩斜段鉆進效率;以低于0.5 MPa的鉆壓在增傾角孔段順利側鉆開分支;利用不同鉆進方法判斷含水地質異常體性質;回轉鉆進方式快速多回次透孔,或大角度定向鉆進可穿過易塌孔層位。研究成果為渭北煤田底板奧灰水害防治提供了技術支撐與理論依據。
  • 作者(Author): 張銳, 姚克, 方鵬, 王龍鵬, 陳逢雷, 陳翔, 邵俊杰, 羅鵬平, 王松, 劉祺

    摘要:針對煤礦井下鉆機以液壓傳動、功能實現為主的不足,結合未來鉆孔施工“機械化換人,自動化減人”的需求,提出了采用整體式履帶布局的自動化井下坑道鉆機的設計思路,制定了鉆機總體結構與方案,研制了主動鉆桿式無卡盤回轉器、夾持卸扣裝置、自動調角和可控鉆進的給進裝置、自動加桿裝置等關鍵執行機構,開發了參數監測系統和多功能電液控制系統。在地面進行了實鉆試驗,單根鉆桿從自動加桿到鉆進完成耗時約55 s,單根鉆桿自動卸桿耗時約50 s,驗證了鉆機的技術性能,試驗結果表明:自動化鉆機性能可靠、功能完善、自動化程度高、工人勞動強度低。
  • 作者(Author): 潘小葉

    摘要:為解決通過丟棄鉆頭或鉆穿鉆頭方法進行貫通或后續施鉆的套管鉆井工藝存在的問題,設計一種可提式擴孔鉆頭,配以小直徑全斷面鉆頭形成兩級切削機構,穿越破碎帶后從套管內提出切削機構,使后續深孔鉆進作業得以繼續。闡述了組成可提式擴孔鉆頭的3個機構:安裝定位機構、切削翼及切削翼展開鎖定機構,說明各機構的工作機理;詳細介紹可提鉆進工藝整個作業流程:可提式擴孔鉆頭的固定安裝、切削翼展開、套管孔段擴孔鉆進、下放提鉆鉆桿、切削翼收攏以及從套管中提取出兩級切削機構,介紹了可提式擴孔鉆頭收攏和展開狀態的切換過程;并給出影響可提式擴孔鉆頭的穩定性、可靠性的關鍵部件彈簧的設計計算。所設計鉆頭在煤礦井下進行試用,現場結果表明:切削時,展開的切削翼被牢牢鎖定,提取時,切削翼收攏順暢,且切削能力強、可靠性高,驗證了可提式擴孔鉆頭結構設計及可提鉆進工藝的可行性。可提式鉆頭還可用于井下封孔鉆進工藝,具有良好的經濟效益。
  • 作者(Author): 郝世俊, 彭旭

    摘要:針對回轉鉆進施工透巷孔的缺點及前期采用定向鉆進工藝透巷精度低的問題,對當前儀器精度進行分析得出最優透巷孔深和鉆場布設區域,最優透巷距離為100~400 m,鉆場布設區域與巷道的夾角應不小于45°;對長距離高垂距鉆孔特性進行了分析,并依據裝備性能及施工經驗,指出以理論最大安全造斜率75%~80%的經驗值作為軌跡設計造斜率,以便為實際施工留有調整余地;詳述各孔段鉆孔軌跡的影響因素,并指出對應的軌跡控制方法:提出開孔段軌跡控制的目的是保直,提出糾偏段鉆孔軌跡主要受鉆進參數、地層傾角、裝置角、反扭角及軌跡點的位置等5個因素影響,對5個影響因素分別進行詳細分析,并提出軌跡控制方法,提出中靶透巷段的軌跡空間姿態要求、軌跡控制要求及控制方法確保透巷、矢量中靶,指出軌跡控制影響因素眾多,應綜合考慮,根據具體需要適時加以利用,實現因勢利導的效果;全面闡述了精準透巷工藝的關鍵技術和實施方法;實踐表明采用該工藝能夠確保鉆孔軌跡精確中靶、精準透巷,老巷水疏放效果顯著。
  • 作者(Author): 張建國, 王滿, 孫矩正

    摘要:針對平頂山礦區深部煤層煤質松軟,瓦斯抽采鉆孔變形和坍塌現象普遍,瓦斯抽采困難的問題,開展了鉆護一體化技術與裝備研究。利用有限元軟件ANSYS的廣義Kelvin蠕變模型,分析了不同時間煤體蠕變對鉆孔應力分布的影響規律,得到了軟煤鉆孔周圍最大垂直應力分布范圍。蠕變效應造成的平均(取豎直內徑與水平內徑的平均值)鉆孔收縮量約為61%,平均作用周期約為20 d。以上述數值分析為基礎,研發了磁吸牙片限位翻轉式PDC通管鉆頭和內附導向襯管式通管鉆桿,優選PE管作為護孔管,并在平頂山礦區的首山一礦進行現場試驗。試驗結果表明:采用深部松軟煤層瓦斯抽采鉆孔鉆護一體化技術后,單孔平均百米瓦斯純流量由0.003 6 m3/(min·hm)提高至0.010 82 m3/(min·hm),瓦斯抽采效果明顯。
  • 作者(Author): 武善元, 劉磊, 陳軍濤, 徐慶國

    摘要:為有效治理我國黃河北煤田開采面臨的水害問題,以山東能源臨沂礦業集團有限責任公司邱集煤礦定向鉆孔注漿治理11煤層灰巖水害為例,結合瞬變電磁和抽水試驗結果,分析了11煤層所受頂板四、五灰,底板徐灰、奧灰水害的富水性程度。基于“超前區域治水”、“水源-通道一體化治理”的理念,以及含水層富水不均一的區域特征,提出了梅花式和上、下穿層式的分支鉆孔鉆進方式,以及井上、下水文觀測孔水壓實時監控的含水層裂隙精準注漿技術,以此為基礎對11煤層首個治理區域頂板含水層施工了S1、S3、S4、S6、S19、S20共6個主孔、25個分支孔,累計進尺12 011 m,累計注漿量104 880 t。結果表明:定向鉆孔注漿實施精準控制后,11煤層頂板四、五灰含水層治理區域的富水異常區基本消失,含水層滲透系數降為0.010 4 m/d,觀測孔涌水量由注漿前的40~260 m3/h降到5 m3/h以下,使得二水平暗斜井得以順利掘進,實現了11煤層的成功揭露,為解放6 000萬t的煤炭資源提供了安全保障和指導作用,說明梅花式和上下穿層式的分支鉆孔鉆進方式和井上、下水文觀測孔水壓實時監控的精準注漿技術,能夠有效地填充四、五灰含水層裂隙及隱蔽導水通道,實現分支孔中漿液擴散范圍的精準控制,為我國黃河北煤田類似受水害威脅礦井和地面水平定向鉆孔的高質量注漿提供了科學的指導。 

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