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

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。

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  • 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): 劉志強

    摘要:反井是地下井巷工程施工難度最大、風險最高的施工項目,在總結和分析反井鉆井過程中導孔鉆進和擴孔鉆進的工藝流程的基礎上,圍繞滾刀破巖、鉆孔偏斜控制、鉆具受力特征、圍巖穩定性控制等關鍵技術問題,凝練了反井鉆井工藝中導孔鉆進和擴孔鉆進2個主要工序中的7項關鍵技術問題:導孔鉆具受力特點及偏斜控制技術;導孔鉆進洗井介質的選擇及其壓力、流量等參數與排渣效果之間的相互關系;導孔鉆井過程中鉆進參數、洗井介質、地層結構對孔幫穩定性的影響和控制技術;擴孔鉆頭滾刀破巖方式及滾刀布置分析;刀具作用于巖石壓力的確定、壓力和推進力之間的協調性、單位體積破巖能耗、刀齒的磨損與礦物成分之間的相關性等擴孔鉆進參數對擴孔鉆進效率的影響;擴孔過程中地層的蠕變、風化和水化、鉆井直徑、鉆井深度和暴露時間等參數對井幫穩定性的影響及風險判識;擴孔鉆進過程中鉆桿連接方式、受力特點及疲勞破壞特征分析。同時,給出了由主機系統、鉆具系統、冷卻降塵系統和輔助系統組成的反井鉆井裝備及面臨的問題;并介紹了反井鉆井試驗平臺研究系統和反井鉆井技術、裝備和工藝的標準體系,為反井鉆井的工程應用、設備制造、關鍵元部件的標準化提供了理論指導和技術支撐。
  • 作者(Author): 石智軍, 姚克, 田宏亮, 李泉新, 姚寧平, 田東莊, 殷新勝, 許超

    摘要:煤礦井下近水平定向鉆孔可實現超前、區域、精準災害防治與瓦斯抽采利用,在煤礦地質保障中發揮著重要作用。系統介紹了國內外煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術發展歷程與應用現狀,對國內定向鉆進裝備中的鉆機、泥漿泵車、防爆型隨鉆測量系統、包括中心通纜鉆桿、螺桿馬達和鉆頭在內的配套鉆具、包括滑動定向鉆進和復合定向鉆進在內的定向鉆進工藝技術與套銑打撈工藝技術等關鍵技術和裝備進行了簡要分析和總結,對小體積防爆型隨鉆測量系統中的有線隨鉆測量系統、泥漿脈沖無線隨鉆測量系統、電磁波無線隨鉆測量系統和地質導向隨鉆測量系統的功能特點及適用性做了明確的闡述,針對解決提高復雜頂板巖層中定向鉆進成孔率、超深孔鉆進施工能力和地層適應性等難題,介紹了成套技術與裝備在保德煤礦、龍王溝煤礦和顧橋煤礦進行順煤層超深定向鉆孔和復雜頂板高位定向鉆孔具有代表性的典型現場應用案例。基于成套技術與裝備發展現狀和現場應用,展望了煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術與裝備的發展方向和趨勢,指出裝備的自動化、信息化和智能化將成為技術攻關的方向與現場重點需求,高效快速鉆進的旋轉導向鉆進系統和大直徑定向鉆孔將得到現場實踐驗證。
  • 作者(Author): 田宏亮, 張陽, 郝世俊, 凡東, 常江華

    摘要:為解決礦山災害救援通道快速、安全構建鉆進技術難題,突破國產裝備研制瓶頸,研究復雜地層快速破巖成孔機理及復雜地層快速、精準鉆進技術,開發高頻沖擊條件下鉆進信息傳輸技術,形成地面小直徑生命保障孔快速鉆進及精準定向技術;開發大直徑組合動力反循環鉆進高效破巖排渣及安全透巷技術,形成地面大直徑救援井高效、精準、安全鉆進技術;研究車載鉆機控制理論,研制救援車載鉆機,鉆機最大轉矩50 000 N·m,最大提升力1 200 kN,研制安全快速提升裝備。通過小直徑生命保障孔快速精準鉆進技術研究-大直徑救援井高效安全鉆進技術及裝備開發-地面提升救援技術裝備研發,形成地面救援通道構建及救援提升技術與裝備集成,為礦山災害應急救援提供技術與裝備支撐。
  • 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。 
  • 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): 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): 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。

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