三棱单螺旋钻杆Φ73-1000mm
煤矿井下复合定向钻进技术研究与应用
煤矿井下复合定向钻进技术研究与应用赵建国;赵江鹏;许超;吴智峰【摘要】针对传动滑动钻进方法施工千米以上长距离定向钻孔遇到的问题,借鉴石油钻井领域先进技术经验,提出煤矿井下近水平复合定向钻进技术,对其高效钻进机理与钻孔轨迹控制原理进行了分析探讨.根据复合定向钻进工艺技术要求,完成了泥浆脉冲无线随钻测量系统选型,完善了复合定向钻进技术装备配套,形成了泥浆脉冲无线随钻测量复合定向钻进工艺,开展了煤矿井下长距离定向钻孔复合定向钻进现场试验,完成一个1566 m本煤层定向长钻孔.试验结果表明,与传统滑动定向钻进技术相比,在钻进安全性显著提升的基础上,复合定向钻进技术综合钻进效率显著提升,实现了本煤层定向长钻孔的安全高效钻进.【期刊名称】《煤田地质与勘探》【年(卷),期】2018(046)004【总页数】5页(P202-206)【关键词】复合定向钻进;泥浆脉冲;随钻测量【作者】赵建国;赵江鹏;许超;吴智峰【作者单位】中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安710077;中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安710077;中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安710077;中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安710077【正文语种】中文【中图分类】P634随着我国煤矿井下高产高效综采技术全面推广，煤矿安全生产对于煤矿井下地质异常体探测钻孔、水害防治钻孔与瓦斯抽采钻孔轨迹精确控制要求不断提高，随钻测量定向钻进技术在煤矿坑道钻探工程领域迅速推广，广泛应用于煤层瓦斯抽采治理，矿井水害防治，井下隐蔽致灾地质因素探查，采空区防灭火等工程领域[1-2]。
在上述背景下，传统的滑动定向钻进技术逐渐暴露出一些问题和不足：下斜定向长钻孔钻进返渣不畅，局部孔段易出现积渣卡钻情况；碎软地层孔壁稳定性差，易发生塌孔埋钻、卡钻事故；随着钻孔深度的增加，孔内钻柱存在“托压”现象，导致钻机推进压力过高，不利于实现深孔钻进。
上述问题的出现，一定程度上制约了随钻测量定向钻进技术在煤矿井下定向长钻孔中的进一步推广。
高位大直径大直径定向钻孔技术及其配套装备
4350×1600×1750 3150×1300×1525
0～360°(±1.5°) 0～360°(±1.5°) -90～+90°(±0.2°)
mm
φ73、φ89
二、高位定向钻孔施工用大功率定向钻机
2.2 主要结构特征 钻机为双履带车式布局，分钻车和泵车两部分。
工作原理
三、高位定向钻孔施工用随钻测量系统
3.2 无线电磁波随钻测量系统
无线探管基本参数
工作电压 DC16V 工作电流 ≤640mA 工作时间 ＞200h 工作频率 12.5Hz 峰峰值 12V～16V 通信距离：600～1000m 供电方式：电池供电 外形尺寸 φ40×2650mm 重量：10 kg 耐水压 ≥12MPa
四、高位定向钻孔施工工艺技术
4.3 高位大直径定向钻孔布孔方式
寺河矿高位定向钻孔布孔原则： 沿回风巷道每隔500m布置一个钻场，每钻场布置4个定向孔。 平面布置：钻孔终孔孔段(主抽采孔段)在平面上沿工作面走向布置在工作面 以内巷内帮15-60m范围内； 剖面布置：高位定向钻孔布置在据煤层以上24～30m范围内的顶板中。
无线探管精度参数
参数名称 倾角 方位角 工具面向角
测量范围 -90°～ 90° 0°～ 360° 0°～ 360°
充电电流 ≤1A 最高充电电压 18V 充电截止电压 17.5V 放电终止电压 14V 电池容量 37.5Ah
测量精度 ±0.2° ±1.0° ±1.0°
三、高位定向钻孔施工用随钻测量系统
工作电压 DC15V 输出信号：两线制电流 ≤130mA 通信距离 1500m 外形尺寸 φ35×950mm 耐水压 ≥12MPa 重量：5.2 kg
重型泵钻机说明书ZYW3000重庆煤科院
操作人员必需经过培训才可运用本钻机；
操作人员运用钻机前必需详细阅读本运用说明书；
钻机钻孔进程中，应有专职平安员跟班作业。
执行规范：MT/T356-2005
Q/MKC396-2020
版本号：V1.0
出版日期：2021/05
平安警示：
1)操作人员随身衣物应合身并束紧，以免缠上钻机的运动部件而对肢体形成损伤；
8)钻机钻孔进程中加接钻杆时，夹持器必需夹紧钻杆，防止钻杆从钻孔中滑落伤人；如运用螺旋钻杆，未运用夹持器时，钻机只能钻进远水平孔，且操作人员应采取相应平安措施，防止钻杆从钻孔中滑落伤人；
9)钻机钻孔进程中，钻机前方严禁站人，操作人员站在钻机的正面，严禁操作人员正对钻杆操作；
钻机钻孔进程中，操作人员接近钻机外露运动部件时，应留意平安；
11)运用调斜油缸时一定要渐渐推进手把，严禁突然推进〔或拉动〕手把，使得机架升降过快而惹起平安事故；
12)钻机液压系统不得在走漏形状下运转，当液压油有走漏时，应及时掩埋；
13)钻机配置的电动机应运用YBK型防爆电机；钻机配套电机、液压胶管、矿用单体液压支柱应有平安标志，且平安标志在有效期内。
1 用途及适用范围………………………………………………………………………………………1
将推进手把向后拉，缓慢调理小泵进油阀片下方的平安阀，使油压逐渐上升，当操作台旋转压力表(右1)指示为28MPa时，继续调理该平安阀，压力不会再上升，此压力为小泵出口压力；松开该平安阀，再缓慢调理该平安阀，当操作台推进压力表(左1)指示为21MPa时，锁紧该平安阀，此压力为起拔压力。将推进手把向前推，缓慢调理推进阀片上方的平安阀，当操作台推进压力表(左1)指示为20MPa时，锁紧该平安阀，此压力为推进压力。
技术参数设备
技术参数设备：材料：备注：以上规格型号仅供参考，具体内容以技术规格书中技术参数为准。
设备：一、规格型号、数量到货日期：2017年8月底二、执行标准1、GB3836.1-2010 爆炸性气体环境用电设备第1部分：通用要求。
2、GB3836.2-2010 爆炸性气体环境用电设备第2部分：隔爆型“d”。
三、主要技术参数1、钻进深度：≥200m2、回转扭矩：6000N²m3、回转速度：5-280r/min4、最大进给/起拔能力：>180/180kN5、钻孔仰角：+90°6、钻孔俯角：-90°7、钻机功率:≥75kW8、钻机尺寸：最小不可拆卸尺寸（长³宽³高）小于3.3m³1.1m³2.3m9、钻机重量：<7000Kg四、其他技术要求1、每台钻机随带ø73mm³800mm高压密封钻杆500m，ø50mm³800mm三棱钻杆200m。
2、每台钻机随带配套高压水辨5个，ø94mm冲压钻头20个，ø94mm金刚石钻头20个。
3、整机采用一体式，可移动、升降。
4、工作机构能左右水平位移200mm，水平面360°旋转。
5、因巷道空间有限，旋转机构（打钻机构）安装于钻机前方，能垂直面360°旋转，钻机能在不移位的情况下全方位钻孔。
6、钻杆能应用三棱钻杆、光杆、肋骨钻杆、麻花杆，钻杆直径≤89。
7、要求框架式支撑，一次安装可上下左右钻若干钻孔节省辅助时间，提高效率。
8、钻机适合快速移动，具有整体自动升降功能，适用于各种断面的巷道施工。
9、液压回转器为通孔结构，钻杆长度不受钻机结构长度限制。
采用机械拧卸钻具、卡盘。
夹持器与油缸之间、夹持器与回转器之间可以联动。
10、对液压站的压力、流量等参数要求符合要求，液压站具备超压自动卸压保护、超温报警功能。
11、采用全液压动力头结构，无级调速，解体性好，搬迁方便。
松软、低透气及底板易变形煤层瓦斯治理实践
松软、低透气及底板易变形煤层瓦斯治理实践铁煤集团小青煤矿15煤层煤质软，透气性低，底板易变形。
软煤在巷道掘进过程中容易剥落，导致瓦斯超限事故;在施工和抽采过程中，钻孔遇到软煤，导致抽采效果差;煤层底板遇水变形后，闭壁出现裂缝，存在漏风、喷井的隐患。
针对上述问题，小青煤矿研究并提出了15煤层瓦斯治理的综合措施，取得了良好的效果。
标签：软煤层;瓦斯抽采;钻孔施工;技术实践一、15煤层工程概况小青煤矿隶属于铁煤集团，核定生产能力1.2Mt/a，主要开采4#、7#、15#煤层，属于高瓦斯矿井。
15煤层煤厚1.07～1.84m，平均1.36m，全区可采。
一般含夹石1～2层，局部3～4层，夹石厚度在0.30m以下，结构属较简单—复杂。
煤层直接顶板为K2灰岩，厚度9m左右。
伪顶为泥岩、砂质泥岩，偶为粉砂岩。
底板以黑灰色泥岩、铝土质泥岩为主。
煤层在局部地段存在煤质变松软现象，变松软厚度0.20～0.80m。
原始瓦斯含量6.23～7.15m3/t，瓦斯压力0.25～0.42MPa，透气性系数为1.01～2.05m2/（MPa2·d），平均1.53m2/MPa2·d）;钻孔瓦斯流量衰减系数为0.040～0.101d-1，平均0.071d-1，属较难抽放—可以抽放煤层。
二、15煤层掘进巷道遇松软煤层瓦斯治理为防止因软煤片帮出现的瓦斯超限事故，需从两方面着手解决，一方面是减少软煤层中瓦斯含量，另一方面是预防煤体片帮。
1、松软煤层施工瓦斯排放钻孔掘进区域经过有效预抽后，在掘进巷道遇软煤期间，应补充施工瓦斯排放钻孔，减少软煤中瓦斯含量。
瓦斯排放钻孔的效果是否明显，取决于钻孔孔径和钻孔有效影响半径，钻孔直径越大，其有效影响半径越大，排放瓦斯能力越强。
通常钻孔有效影响半径为钻孔直径的4～5倍，当钻孔孔径为75mm时，有效影响半径0.4～0.5m。
钻孔施工长度一般为10m。
如图1示，矿井在生产实践过程中软煤层内瓦斯排放钻孔直径75mm，钻孔布置间排距0.4m，钻孔深度10m，排放时间不少于4h。
神火集团梁北矿防突治理情况汇报
11141工作面巷道布置平面示意图
3.2 防突措施实例 1、11141机巷掘进工作面区域防突措施 底抽巷穿层钻孔终孔间排距为6×6m，采用平行 孔布置方式，钻孔直径Φ94mm，控制巷道轮廓线外 15m范围。 穿层钻孔穿透煤层全厚后，退至见煤点上行水力 扩孔，钻孔平均穿煤长度6.3米，单孔平均扩煤量7t ，扩孔卸压增透后预抽煤层瓦斯量大增。
化带区沿推进方向每12米，沿倾向间隔30米取样测定 残存瓦斯含量，增大回采安全系数。
“三软”单一厚煤层煤与瓦斯突出防治技术
3. 防突措施实例
■ 3.1 防突措施实例工作面概况
■ 3.2 防突措施实例
■ 3.3 防突措施实施具体做法
■ 3.4 防突措施落实管理办法
3.1 防突措施实例工作面概况 1、11141工作面概况
■11141风、机巷采用12#工字钢对棚+锚索支护，净断面积为 14.42㎡， 棚距0.7m， 锚索规格Φ18.9mm×10m。
■ 工作面煤层底板下18—20m层位中布置有一条贯穿整个采面条
带的11141工作面底抽巷，相对于机巷内错布置，平距30米。
3.1 防突措施实例工作面概况
■ 11141工作面煤层赋存比较稳定，地质构造相对简单 。煤层倾向175°～196°，走向85°～106°，煤层倾角 10°～12°30′。工作面倾斜长138m，埋深590米，煤层平均 瓦斯含量为 10.03m3/t，瓦斯压力为1.53MPa，坚固性系数f 为0.15～0.25，破坏类型为Ⅲ、Ⅳ，为突出煤层。
1.3 矿井历史上瓦斯灾害情况
■ 1、1999年建井期间，在石门揭煤过程中曾先后发生两 次煤与瓦斯突出事故，最大突出煤量600t，瓦斯涌出量5万m3。 ■ 2、2013年矿井瓦斯相对涌出量21.57m3/t，绝对涌出量 28.94m3/t。 近几年矿井瓦斯及二氧化碳涌出量情况如下：
施工抽放钻孔安全技术措施
施工抽放钻孔安全技术措施一、工程概况：为了保证工作面回采时瓦斯得到有效治理，根据工作需要，现我单位需在巷、巷距切眼60米至A2#横川范围内施工一排顺层钻孔，提前对工作面进行区域瓦斯抽放，为了确保该工作安全顺利进行，特制定本措施。
二、施工组织：项目负责人：安全负责人：技术负责人：三、钻机类型、施工参数、施工工艺和工艺流程：1、采用SGZ某-3型、ZDY-1900S型、ZDY-6000S型钻机、CMS1-4200/80型深孔钻车、ZQSJ-90A型防突钻机进行施工。
2、钻孔布置区域和详细设计参数参见通风科提供的《工作面顺层钻孔补孔设计图》。
巷A2导线点以北34米至切眼以南60米处布置一排顺层钻孔，钻孔设计方位角97°，钻孔倾角-1至-3°，开孔高度1.3至1.5米，钻孔长度共设计两个区域，第一区域设计长度155米，第二区域长度130米，钻孔间距2米。
切眼距43182巷以东20米至切眼距巷以西20米处布置一排钻孔，钻孔设计方位角187°，钻孔倾角-2至-5°，开孔高度1.3至1.5米，钻孔设计长度60米。
3、钻孔施工参数、施工工艺修改，仍执行本措施。
4、施工工艺4.1SGZ某-3型钻机4.1.1采用∮50的普通光面钻杆配合∮94钻头施工，采用水排渣施工工艺。
4.1.2移钻方法，采用起吊设备起吊搬家作业。
4.1.3工艺流程：移机定位→开孔（采用∮113钻头开孔至1米处）→安装孔口导引装置→钻进→接续钻杆→继续钻进→到位（或遇进钻困难）退钻→连孔抽放。
4.2ZDY-1900S型钻机4.2.1采用∮63.5普通光面钻杆配合∮94钻头施工，采用水排渣施工工艺或者采用∮89螺旋钻杆配合∮113钻头施工，采用螺旋排渣施工工艺。
4.2.2移钻方法，采用起吊设备起吊或履带行走的方式进行移动和搬家作业。
4.2.3工艺流程：移机定位→开孔（采用∮113钻头开孔至1米处）→安装孔口导引装置→钻进→接续钻杆→继续钻进→到位（或遇进钻困难）退钻→连孔抽放。
几类常用的钻杆
几类常用钻杆：
地质钻杆
我公司生产的地质钻杆，钻杆杆体选用优质地质专用合金钢管，钻杆接头选用优质合金结构钢，经真空调质处理，大大提高了抗疲劳强度和抗剪切强度。
采用先进的摩擦焊焊接工艺生产加工，钻杆具有抗弯强度高，焊接牢固等特点。
生产设备完全采用先进的数控加工设备，具有生产生产效率高质量稳定的特点。
能够保证深孔钻进时对直线度的要求，该产品具有较
地质螺旋钻杆
地质螺旋钻杆是我公司在地质钻杆个高扭矩性能的基础上，才用单螺旋叶片或双螺旋叶片，经预应力缠绕工艺加工焊接而成。
钻杆杆体选用优质地质专用合金钢管，钻杆接头选用优质合金结构钢，经真空调质处理，大大提高了抗疲劳强度和抗剪切强度。
采用先进的摩擦焊焊
高效螺旋钻杆
本系列产品在吸收德国先进生产工艺的基础上，融合我公司的最新研究成果研制而成。
钻杆杆体采用高压无风合金钢管，螺旋叶片选用高耐磨T型钢带，经预应力缠绕焊接而成。
钻杆接头选用优质中碳合金钢经调质处理，高压成型。
三棱圆弧异型钻杆。
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三棱单螺旋钻杆Φ73-1000mm
一、产品参数
73-1000三棱钻杆
直径(mm)73
长度(mm) 1000
接头形式锥螺纹
连接形式子母螺纹连接
生产工艺摩擦焊接
主要用途瓦斯排放，矿山开采，地质勘探，水利
工程，高铁隧道
关键词三棱钻杆
二、产品特点
本系列产品系我公司近期与科研单位共同开发的专利产品（专利号为：201020122744.8/201120359764.1）。
三棱钻杆全称为三棱圆弧凸棱型瓦斯抽放钻杆，根据接头连接形式分为锥螺纹型，高压螺纹密封型和三棱插接型。
本产品采用优质合金钢管为钻杆杆体，两端接头采用优质42Crmo中碳合金钢为材料，经高压处理成型，真空调质处理。
采用国际先进的过盈焊接装配生产工艺制造而成，避免了因不能使用摩擦焊工艺焊接造成的的质量隐患，与同类产品相比大大提高了产品的机械性能和适应复杂地质条件
深孔钻探的能力。
本系列产品已成为松软地质条件下和松软煤层深孔钻探的首选类型。
三、其他相关参数
序号
规格型号mm 接头形式连接形式
建议钻
孔深度
理论
扭矩
N.m 钻杆直
径
长度
1 Ф50 800～1500 锥螺纹子母螺纹
连接
50～100m 3500
2 Ф6
3 800～1500 锥螺纹子母螺纹
连接
50～120m 5200
3 Ф73 800～1500 锥螺纹子母螺纹
连接
50～180m 6500
4 Ф73 800～1500 高压螺纹
密封子母螺纹
连接
50～180m 6500
5 Ф73 800～1500 三棱插接四方连接50～250m 7500
四、产品说明
1、三棱钻杆需进行定期保养维护确定保养周期，定期进行防锈防尘处理。
2、三棱钻杆的使用需在钻机的额定钻距内，根据钻距的技术参数型号采用相配的钻杆。
3、三棱钻杆采用矿用地质类专用地质钻探管与其相配的接头摩擦焊接而成，所以其具有很好的随动性和较高的抗拉强度，可以适应在常规钻探和排放瓦斯用。
在硬岩层、煤层或其他特殊环境作业时，需根据钻杆实际材质物理性能和参数确定其钻进深度等。
4、三棱钻杆与钻头配套使用时，通常情况下钻头应大于钻杆直径，在钻进过程中应时刻注意钻机和钻杆的状况。
如出现卡钻、暴死等现象，应立即停钻或回钻后缓慢钻进保证钻杆不弯曲扁形。
5、三棱钻杆在通风或通水时，钻进时应确定钻杆为紧密连接。
钻杆有密封件时，如O型密封圈等要注意密封件的使用情况，在出现破损、腐蚀等现象时，要及时更换密封件。
钻进完成后，对密封件做保养清理工作。
6、三棱钻杆钻进时应手动轻轻旋紧，保证紧密配合（螺纹类），不可用钻机直接上钻，防止对钻杆造成损害。
7、若钻杆使用后弯曲度超过标准要求或螺纹损害等造成无法正常作业的应及时做报废处理或回厂返修。
8、根据标准要求，应保证钻杆的钻进深度复合地质钻探相关要求防止钻杆因钻进深度达到钻杆使用极限，发生脱落现象的发生。
9、在酸碱地区工作时，需注意对钻杆的腐蚀作用。
在完成钻进时，应及时用清水清理杆体表面去除腐蚀层。
10、三棱钻杆需在干燥处存放，底部应多点支撑，长期储存时应对钻杆定期维护保养。
11、钻杆不得做重尾堆放的支撑平台，不得将钻杆随意放置在碎石、煤堆下或散乱堆放。
12、三棱钻杆保养除锈/尘清理后应扣上防护帽或装箱封存保证钻杆常用常新。