深孔定向千米钻机的应用
（简版）千米钻孔与普通钻孔对比分析报告
（简版）千米钻孔与普通钻孔对比分析报告千米钻孔与普通钻孔对比分析报告定向长钻孔钻进技术是未来煤矿瓦斯治理发展的必然趋势，该项技术能够有效地解决矿井掘进工作面和回采工作面的瓦斯问题，缓解了矿井抽、掘、采接替紧张的局面。
千米定向钻机钻进工艺具有钻孔长、百米流量大、有效抽采时间长、布孔均匀、工程量小和瓦斯抽采浓度高等优点，提升矿井区域瓦斯治理技术水平，有力保障了矿井安全。
定向钻机的应用可以提高矿井瓦斯抽采量，增加了瓦斯利用量，在创造经济效益的同时还创造了巨大的环保效益。
1.千米钻机对比普通钻机的优势1）千米定向钻机实现了长距离钻进。
首先可对掘进工作面实行长距离条带预抽，提高掘进效率；其次可在工作面尚未形成之前在大巷开设钻场沿工作面走向，向工作面及运输和回风顺槽施工长钻孔，提前对其进行预抽，增加了预抽期，提高抽采效率；再次可在顺槽设钻场向垂直于工作面施工长钻孔，一次解放两个工作面和三条掘进巷道；2）千米定向钻机具有先进的导向和可视功能，确保钻孔严格按照设计轨迹在煤层中穿行，提高钻孔有效进尺，同时避免了抽采盲区的发生；3）千米定向钻机可施工穿层长钻孔，钻孔有效抽采段长，能很好的解决邻近层、采空区和上隅角瓦斯；4）千米定向钻机可在一个主孔内开设大量分支孔，贯穿煤层层理，沟通裂隙，提高煤层的透气性，增加抽采影响范围，从而提高抽采效率；5）千米定向钻机还具有对煤层远距离探顶、探底、探构造、探放水等多种功能。
2.千米钻机与普通钻机对比以大平煤业3109工作面从采面形成到后期回采结束，综合对比分析普通钻机与千米钻机。
3109工作面长度为1626米，宽度为184.9米，煤层平均厚度为6.2米，工作面可采煤炭储量为：260.96万吨。
其中3109运输巷长度为1720米，3109回风巷为1691米，掘进出煤量为：6.8万吨。
下表为普通钻机与千米钻机就3109工作面施工情况、成本对比：钻机类型普通钻机千米钻机所需钻场个数（个）102 9所需钻孔个数（个）1992 36钻孔设计长度（米）100 500钻孔总进尺（米）206520 15370单台钻机完成总进尺所需时间15 5（月）人工费（元）￥4,130,400.00封孔费（元）￥1,992,000.00￥13,064,500.00 耗材费（元）￥2,065,200.00钻机折旧费（元）￥124,666.67掘钻场费用（元）￥2,040,000.00 ￥180,000.00抽放管路费用（元）￥1,720,000.00 ￥366,000.00后期管理费用（元）￥300,000.00 ￥50,000.00费用总计（元）￥12,372,266.67 ￥13,660,500.00钻孔控制区域煤炭可采储量267.76（万吨）吨煤钻孔施工成本￥4.62 ￥5.10（元/吨）由上表可看出，完成相同区域抽采钻孔施工，千米钻机在成本方面比普通钻机略贵，但其施工周期比普通钻机短，千米钻机钻孔一次覆盖的范围比普通钻机大，而且千米钻机最主要的功能就是施工长钻孔来消突，对整个矿井安全生产来说这是至关重要的，另外千米钻机的区域预抽可以有效的解决矿井采掘衔接的难题，大幅提高及矿井的生产效率，其经济效益是无法估量。
定向钻机在煤矿瓦斯治理中的应用武文斌
定向钻机在煤矿瓦斯治理中的应用武文斌发布时间：2021-12-26T06:08:10.936Z 来源：基层建设2021年第27期作者：武文斌[导读] 目前煤炭行业面临的安全形势也越来越严峻。
据统计表明，瓦斯是煤矿事故最多的原因。
为防止煤与瓦斯突出事故，严格瓦斯治理是根本措施。
瓦斯治理如今应坚持的原则是，西山矿业管理公司山西省太原市 030053摘要：目前煤炭行业面临的安全形势也越来越严峻。
据统计表明，瓦斯是煤矿事故最多的原因。
为防止煤与瓦斯突出事故，严格瓦斯治理是根本措施。
瓦斯治理如今应坚持的原则是，区域突发事件应对措施是对地方突发事件应对措施的补充。
其中，区域防突措施包括开采保护层和预浸煤层两类瓦斯，预浸煤层瓦斯可分为穿越地层的井下钻孔、穿越地层的预浸煤层钻孔等。
关键词：定向钻机；瓦斯治理；抽采效率引言一直以来如何采取有效措施降低煤矿开采过程中瓦斯的涌出量是煤矿企业面临的重要问题。
通过钻孔的方法对煤层中的瓦斯进行抽采，是比较有效的瓦斯涌出量控制方法，但该方法对于松软突出煤层而言，效果不尽如人意。
目前基于定向钻机在煤矿工程实践中取得了较好的应用，有效解决了传统钻孔瓦斯抽采中暴露出的问题，为瓦斯抽采开辟了新的道路。
1 定向钻机概述以 ZDY6000LD 型定向钻机为例进行阐述，属于履带式定向钻机，通过全液压方式进行驱动控制。
该型号定向钻机工作时具有相对较低的转速，但可以提供很大的工作扭矩，回转时的最大工作扭矩和最大起拔力分别可以达到 6000N·m 和 180kN。
配合使用复合片钻头时能够得到直径相对较大的成孔，设计的钻孔深度可以达到 1km。
在近水平长距离钻孔瓦斯抽采中，比较适合使用该型号的定向钻机。
为了对钻孔过程进行实时监测， ZDY6000LD 型定向钻机还配套使用了 YHD2-1000（A）型监测系统，可以对成孔轨迹参数进行实时监测并反馈，方便定向钻机对成孔方向轨迹进行实时调整。
千米定向钻机在高压探放水中的应用研究
千米定向钻机在高压探放水中的应用研究摘要：本文主要讨论了千米定向钻机在高压探放水中的应用研究。
结合实践，着重介绍了千米定向钻机适用于较高压探井的特点、优势和适用范围。
同时，对千米定向钻机在高压探放水中的应用实施步骤做出了详细的分析，以及考虑到应用中可能存在的风险问题。
本文还将千米定向钻机和其他钻机技术进行了比较，探讨不同技术之间的优劣。
关键词：千米定向钻机高压探井探放水应用研究正文：1. 介绍本文主要讨论了千米定向钻机在高压探放水中的应用研究。
千米定向钻机是一种新型钻机，它具有柔性导航能力，可以实现对下部穿越地层的精确定位，从而可以适用于钻井截止压力接近或超过100MPa的高压探井工况。
该技术也非常适合岩性复杂和钻井深度较大的地区。
本文将结合实践，着重介绍千米定向钻机适用于较高压探井的特点、优势和适用范围，并对千米定向钻机在高压探放水中的应用实施步骤做出详细的分析，以及考虑到应用中可能存在的风险问题。
我们还将千米定向钻机和其他钻机技术进行比较，探讨不同技术之间的优劣。
2. 诊断和分析在分析高压探放水应用中千米定向钻机的优势之前，必须对所使用的设备进行全面诊断，以确保钻机的安全和可靠性。
定位精度需要满足建立精确的定位曲线所需的要求，而定位读数的准确性也是千米定向钻机的重要特点之一，可以使定位和测量的过程更加准确。
此外，钻机的进尺速度和出尺速度也是影响钻进成果的重要因素。
应使用可以提供同时高质量起钻和下钻数据的精密定位系统来满足这些所需的要求。
3. 功能优势千米定向钻机在高压探放水应用中具有显著的优势，如较高的精度和可靠性，从而可以实现准确的定位。
此外，它也可以提供灵活的操作、快速的旋转速度和准确的测量，实现有效的探放水。
另外，它具有较强的耐压性能，能够承受通常钻井工况下的高压，并可以提供更高的下钻效率以及更准确的定位数据。
4. 危险性在千米定向钻机在高压探放水应用中，可能会面临许多风险，尤其是钻机发生故障或故障时无法立即停止操作。
千米定向钻探技术在快速掘进超前探水中的应用
关键词 ： 千米钻机 ； 成孔距 离 ； 轨迹 ； 高效
中图分 类号 ： Ｆ ４ ０ ３ ． ７ ； Ｔ Ｄ ２ ６ ３ 文献标志码 ： Ｂ 文章编号 ： １ ０ ０ ８— ０ １ ５ ５ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ３— ０ １ ５ ７— ０ ２
２ ． ２钻 探 施 工
固管 ： 埋 设孔 口管 并进 行 注 浆 固管 ， 待凝 固后 进 行 定 向钻 机 ； 钻进 ： 使 用 ￣９ ６ ｍ ｍ 定 向钻 头 ＋￣７ ３ ｍ ｍ 螺 杆 马 达 ＋￣ ７ ６ ｍｍ下无 磁钻 杆 ＋￣ ７ ６ ｍｍ测 量探管 ＋＠ ７ ６ ｍ ｍ 上 无 磁钻 杆 ＋ｑ ｂ ７ ３ ｍ ｍ 通 缆 钻 杆 ＋ｑ ￣ ７ ６ ｍ ｍ水 鞭 ， 利 用 泥 浆 泵产 生 的压 力 水 进 行 定 向钻 进 ， 并 根 据 实 际情 况 每 前 进一 段距 离 ， 测 量一 次 钻 孔倾 角 、 方 位 角 和工 具 向角 及 时参 照设 计调 整钻 探轨 迹 。 （ ３ ） 取得 效果 千 米定 向钻 机 从 投 入 使 用 到 现 在 ， 在 ４个 钻 场 共 完 成 ８个钻 孔 ， Ｚ Ｄ Ｙ ６ ０ ０ ０ Ｌ Ｄ钻 机在 岩 层 中钻进 的最 长 距离 ７ ０ ８ ｍ， 包 括钻 机搬 家 、 钻场硬化、 孔 口管 埋 设 等 共 耗时 １ １天 ， 保证 安 全掘进 ６ ７ ８ ｍ， 取得 良好 的实 际效果 ， 并 消 除 了探 水 时间 和掘进 的接 续矛 盾 。 ３千 米定 向钻探 技 术应 用效 果分 析 ３ ． １钻 探 作业 可与掘 进 同步进 行 常规钻 探方 式 在 探 水 作 业 期 间 ， 要 求 将 钻 机 稳 固 在 掘进 工作 面 ， 掘进设 备必 须退 后 １ ０ ｍ范 围， 并 且 在 探 水 作业 期 间 ， 掘 进 作 业 无 法 正 常施 工 、 只能 停 工 ， 这 极 大 的束 缚 了高产 高效 掘进 设备 的生 产能 力 。
利用定向钻机施工顺煤层定向预抽长钻孔技术应用探索
利用定向钻机施工顺煤层定向预抽长钻孔技术应用探索
定向钻机是一种用于地下工程施工的专用设备，可以实现在地下进行定向钻孔。
在煤矿行业，利用定向钻机施工可以实现对煤层进行定向预抽长钻孔，这种技术的应用探索可以带来以下好处。
定向预抽长钻孔可以帮助实现煤层的高效开采。
通过定向钻机施工，可以准确地将钻孔导向到需要预排煤的位置，提高煤层开采的效率。
与传统的水平钻孔相比，定向钻孔能够更好地适应煤层的变化和复杂地质条件，从而更好地实现煤层的预排。
定向预抽长钻孔可以减少矿井的危险性。
传统的煤层开采方式通常需要进行大量的爆破作业，容易造成巨大的安全风险。
而利用定向钻机施工，可以在地下进行钻孔，避免了大量的爆破作业，降低了矿井的危险性。
在煤层开采过程中，还可以通过定向钻孔进行瓦斯抽放和防治，进一步提高了矿井的安全性。
定向预抽长钻孔可降低煤炭资源浪费。
煤层的开采通常存在浪费煤炭资源的问题，在传统开采方式下，大量的煤炭被埋在矿井内无法开采。
而定向钻机施工可以准确掌握煤层的走向和分布情况，实现对难以开采的煤炭资源进行有效利用。
通过钻孔进行预排，可以降低煤矿封闭率，提高煤层的采收率，减少煤炭资源浪费。
定向预抽长钻孔技术的应用探索可以促进煤矿行业的技术进步。
煤矿行业一直面临着技术危机和资源枯竭的挑战，如何提高煤矿开采效率和资源利用率成为重要问题。
利用定向钻机施工实现定向预抽长钻孔，可以推动煤矿行业的技术创新和进步。
在实际应用过程中，需要不断改进设备和工艺，完善定向钻机的功能和性能，提高技术的可靠性和适用性。
兴无煤矿定向千米钻机报告
兴无煤矿定向千米钻机报告随着煤炭行业的迅速发展，以及以人为本思想的推行和安全环保的科学发展政策的提出，煤矿的安全生产与能源的综合利用的和谐统一，煤矿瓦斯的抽采工作显的尤为重要。
为了合理有效的治理瓦斯，提升矿井的安全系数，经公司和矿领导决定采用目前国内外最先进的井下近水平长孔定向钻进技术，从而实现瓦斯的有效治理。
我矿于2011年5月买进西安煤科院生产的ZDY—6000LD定向千米钻机，并把钻场布置在2110未掘进的皮顺，设备巷，进行新工作面的掘进瓦斯预抽工程。
钻场内布置了8个钻孔，孔口间距为1米，孔内间距为10米，钻孔方位角为141.84度，倾角为0度。
施工日期为2011年5月初到2011年8月底深孔瓦斯抽采工程顺利完成。
其中5#孔714米由西安厂家完成，4#孔702米由厂家指挥工人完成，剩下的其余各孔都由我矿工人独立完成，其于各孔孔深分别为：8#孔462米、7号732米、6号孔717米、3#孔618米、2#孔282米，1#孔810米。
在钻孔施工期间，钻机运行情况基本良好，定向测量软件系统在初期运行中出现不稳定情况，一定程度上影响了工程的速度和进程，经过厂家和我矿员工的仔细排查，精诚合作，最终解决了其存在的问题，实现了定向千米钻机的正常运行。
钻孔成孔初期，由于抽放系统的不稳定和钻孔工程的同步施工，导致抽采的瓦斯纯浓度的较低，单孔纯瓦斯量为0.8m³左右。
在停钻，整改管路，调整管内负压以及孔内煤渣、积水减少后，到目前为之抽采的纯瓦斯量已达到1m³之多。
就现如今我矿的瓦斯抽采总体而言，定向深孔抽放效果尤为可观，抽放量是一般百米钻孔的十倍左右。
从定向千米钻机的使用和钻孔的抽放效果看，定向千米深孔的瓦斯抽采工程在瓦斯治理工作中显的足有成效，在今后矿井的瓦斯治理中，我们要充分利用现有的资源，达到上级部门的瓦斯治理要求，从根本上降低我矿的瓦斯等级指标，提升我矿的安全系数，实现我矿的长久发展。
千米钻机在高河煤矿瓦斯抽放上的应用
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ５— ２ ７ ９ ８ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ３ ． ０ １ ０
千 米 钻 机 在 高 河 煤 矿 瓦斯 抽 放 上 的应 用
冯 浩 ， 高 云
（ 潞 安 集 团 高 河 能源 有 限公 司， 山 西长 治 ０ ４ ７ １ ０ ０ ）
个关键部件 ， 它和钻杆之间有一定的夹角 ， 由于弯 接头 的作用 ， 钻孔的轨迹将不再是传统钻机所形成 的略带抛 物 的直线 轨 迹 ， 而 成 为 一 条偏 向弯 接 头 方 向的空 间 曲线 ， 可 通过选 择 不 同规 格 （ 通常 为０ ． ７ ５ 。 ，
一
ｌ 。 ， １ ． ２ ５ 。 ， １ ． ５ 。 ， ２ 。 ， 这个 度数 指 的是钻 杆每 前进 ３ ｍ 所能变化的最小值 ） 的弯接头可以改变钻孔 曲率半 径， 并且在适当的位置还可以作分支钻孔钻进 。自 带 的测 量系统 是完 成 深 孔 定 向钻进 的主 系 统 ， 通 过 控制 方位 角 、 弯接 头和倾 角 方 向 ， 根据测 量 出来 的孔 内参 数 ， 得 到测 量 点 的坐 标 ， 绘 出 空 间 曲线 （ 水 平 和
高 河煤 矿 目前 主采 ３号煤层 ， 平 均煤 厚６ ． ６ ７ ｍ， 煤质 为 贫瘦 煤 ， 煤 的坚 固性 系数 ｆ＝０ ． ３ ８～０ ． ４ ３ ， 煤
层 透气 性 为 ０ ． ０ ０ ０ ４ ５ ９ ７～ ０ ． ２ ６ ２ １ ｍ ／ （ ｍｉ ｎ・ ｈ ｍ） ，
斯制 约 高效 生产 的难 题 ， 先 后 引 进澳 大利 亚 威 利 朗 沃公 司 、 中煤 科工 集 团重 庆研 究 院 、 中煤 科 工集 团西 安研究院、 沈 阳北 方 交 通 重 工集 团等 四家 公 司 ５台 定 向千米 钻机 ， 并 在井 下施 工 瓦斯 抽采 钻孔 。
矿井瓦斯治理中定向钻孔技术的应用
矿井瓦斯治理中定向钻孔技术的应用摘要：随着我国社会的迅速发展，矿产资源需求越来越多，矿井建设也不断增加。
瓦斯作为煤的伴生物，会随着煤矿的开采不断向回采空间涌出，过高的瓦斯浓度不利于井下呼吸，且存在爆炸风险，需要合理对井下瓦斯进行控制。
目前常用的瓦斯治理技术有埋管法、高抽巷法、尾巷法等方面，不过受到成本、效率、管理等方面因素影响，整体的瓦斯治理价值不高。
结合新时代下钻探技术的不断发展，在水害防治、瓦斯治理和构造探测中，定向钻孔技术得到的广泛应用，且有着良好的反馈效果。
因此，有必要结合案例，进行定向钻孔技术的应用讨论。
关键词：矿井瓦斯治理；定向钻孔；技术应用引言自20世纪50年代开始，定向钻进技术开始应用于瓦斯抽放钻孔的施工，能够施工大深度的煤层水平钻孔。
随着科技进步及装备水平的提升，定向钻进技术得到突飞猛进的发展。
相比其他钻进技术，定向钻进可精确控制钻孔轨迹沿设计方向钻进，且钻进深度和施工效率均优势明显，在井下地质勘探、注浆指导和瓦斯抽放等领域内得到广泛应用，成为各大矿区开展地质工作不可或缺的技术手段。
1定向钻探技术原理及应用优势1.1定向钻探技术原理定向钻探技术在具体应用时，主要就是通过对钻用千米钻机进行应用，从而完开展钻探防水钻孔作业，开展钻孔施工中，施工人员对随钻探测量系统进行应用，能够实现对钻孔作业中，钻孔轨迹、钻孔方角位等各项内容进行全面测量，做好相应调整工作，保证钻孔能够严格依据指定方向施工，达到积水区域，能够一次实现对积水的精准排放。
1.2定向钻探技术在应用时的优势通过对定向钻探技术进行应用，能够实现对采掘作业面周围可能存在的水体情况进行全面探查，精准掌握周围情况。
从当前定向钻探技术的实际应用情况来看，将该项技术应用到老空水、顶板水、底板承压水等各个方面的探查都取得了不错效果。
定向钻探钻孔后，利用钻孔，能够应用加固改造、封堵水源等措施进行处理，与传统钻探技术相比，优势显著，主要体现在探测距离长、钻孔总体长度短、精度高、施工现场布置设备数量少等多个方面。
煤矿井下定向钻孔施工测量精度验证与应用
煤矿井下定向钻孔施工测量精度验证与应用煤矿井下随钻测量定向钻进技术可实现长钻孔定向钻进和对钻孔轨迹的精确控制，在煤矿安全和地质勘探领域得到较大的推广和应用，特别是在煤矿井下瓦斯抽采钻孔、防治水钻孔、勘探孔等施工中发挥着越来越重要的作用。
在实际应用中为实现精确对穿和中靶进行了精确定向施工，取得了很好的效果。
通过精度验证和现场实际应用，有助于进一步理解钻孔施工精度，进行精确钻进施工。
基于此，本文主要对煤矿井下定向钻孔施工测量精度验证与应用进行分析探讨。
标签：煤矿井下定向钻孔；施工测量；精度验证；应用1、精度验证试验1.1试验方案试验地点位于陕西长武亭南煤业公司3盘区301工作面，开孔位置位于301运输巷2#联络巷处。
钻进地层为2#开采煤层，煤层厚度5.1m，根据地层标高计算得到煤层倾角约+1°。
煤层顶板为粉砂岩，底板为碳质泥岩和泥岩。
预计穿透巷道为301回风巷，沿煤层顶板掘进，巷道高度约为4m。
在301工作面运输巷2#联络巷位置开孔后向301工作面回风巷钻进并穿出。
设计钻孔开孔（真）方位为180°、172°、164°，孔深分别为300、300、306m。
主设计方位为180°，分别以每个钻孔开孔点作为坐标原点，钻孔主设计方位线延伸方向为x轴正方向，水平顺时针旋转90°为y轴正方向，竖直向上为z轴正方向建立设计坐标系，对应值即为左右位移（y）、上下位移（z）。
钻孔设计参数见表1。
其中1#钻孔有探明地层作用，为后续钻孔设计进行修正。
钻孔布置平面图如图1。
1.2钻孔施工1#钻孔按照设计倾角+1°钻进至35m见煤层顶板，后开分支继续钻进并对地层进行探测，确定了煤层起伏变化情况，绘制煤层顶底板剖面，并对钻孔轨迹进行调整，同时将后续钻孔开孔倾角修改为-1°。
1#钻孔钻进至300m成功从301工作面回风巷穿出。
根据1#钻孔施工情况确定煤层顶、底板变化情況，修改2#和3#钻孔设计开孔角度为-1°，按照钻孔设计进行施工分别于301m和306m深度从巷道穿出。
千米定向钻机在黄陵二号煤矿煤层预抽中钻孔深度的合理性分析
千米定向钻机在黄陵二号煤矿煤层预抽中钻孔深度的合理性分析【摘要】千米定向钻机是煤矿瓦斯抽采钻孔施工时引进的一种新型设备，它能够实现定向钻进和钻孔轨迹测量等功能，施工具有钻孔孔径大、深度深、轨迹可控等特点。
千米钻孔的设计应综合考虑千米钻机施工钻孔的工效和钻孔钻孔抽采的效果，以达到抽采目的。
本文就利用千米钻机施工411工作面区域煤层预抽钻孔能够取得更好的预抽效果及减少成本进行论证。
【关键词】千米钻机；黄陵二号煤矿；煤层预抽1 411工作面概况411工作面设计倾向长度260米，走向2650米，预计工作面煤层厚度平均为5.2米。
与411工作面相邻的409工作面煤层瓦斯基础参数为：原始瓦斯含量：1.98-2.12m3t-1；瓦斯吸附常a值为18.856m3t-1r-1，b值为0.465-0.474MPa-1；煤层的孔隙率：8.33～8.67%；煤层原始瓦斯压力：0.38 Mpa；放散初速度最大值：12；煤层的坚固性系数：0.99～1.10。
2 由钻孔施工效率分析钻孔深度的合理性采用千米钻机施工区域预抽钻孔时，需考虑钻孔施工工效，结合钻机设备因素和施工现场客观因素，411工作面区域千米钻孔施工过程中以下几个方面影响钻孔施工工效：2.1 钻孔测量信号的稳定性依据千米钻机技术资料，钻机的钻进依靠高压水驱动孔底马达旋转提供动力，钻孔施工越深，水流阻力越大，钻进动力越小；钻孔轨迹由孔底探管测量后将信号通过中心通缆式钻杆传输至孔口监视器，钻孔深度过长时，有以下几方面因素对信号的传输有负面影响：（1）钻孔施工时间较长时，电池电量不足影响信号监测；（2）孔深施工较深时，通缆钻杆电阻较大，信号较弱；（3）钻孔施工较深时，通缆钻杆接头处进水容易造成通讯连接故障，信号无法传输。
2.2 煤层坚固性系数对钻孔施工的影响经测定，四盘区煤层的坚固性系数为0.99-1.10，根据随钻测量定向钻进技术说明，千米钻机施工本煤层定向钻孔，适用于煤层硬度系数（坚固性系数）≧1的煤层，因此，411工作面区域属于较难施工千米钻孔煤层。
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深孔定向千米钻机的应用 一、矿井简介 亚美大宁能源大宁煤矿是由美国亚美大陆煤炭,兰花科创股份和省煤炭运销公司分公司三方合资组建的合作经营股份制企业,是中国第一家中外合作井工矿井.大宁煤矿井田位于沁水煤田东部南段,井田面积38.8225km2,地质储量2.33亿t,可采储量1.81亿t,主采煤层3号煤,平均可采厚度4.45m,煤层倾角小于10°,属近水平煤层;3号煤层服务年限为33年.大宁煤矿所开采的3号煤层属于中等变质程度的无烟煤,是优质的化工及动力用煤.3号煤层煤尘无爆炸性,自燃等级为Ⅲ级,属不易自燃煤层,2005年,2006年经鉴定属高瓦斯矿井.根据2007年度矿井瓦斯等级鉴定资料,矿井绝对瓦斯涌出量为428.04 m3/min,相对瓦斯涌出量为55.87 m3/t,省煤炭工业局批复确定矿井为高瓦斯矿井.根据勘探钻孔及大宁煤矿首采区3号煤层实测资料:百米钻孔自然瓦斯涌出量为0.0973~0.1905 m3/min,百米钻孔自然瓦斯流量衰减系数为0.0245~0.0512d-1.煤层瓦斯压力0.69~1.16MPa,煤层1.3~1.95mD.3号煤层的孔隙率7.01%~10.56%;瓦斯吸附常数a值为57.47~61.36,b值为0.291~0.334.经计算,大宁煤矿矿井瓦斯储量达132.14亿m3,可抽瓦斯量55.28亿m3,其中3号煤层瓦斯储量为49.56亿m3,可抽瓦斯量20.22亿m3,具有瓦斯抽放和利用的丰富资源及优越条件. 大宁煤矿于2007年4月底顺利通过了4Mt/a扩建项目的总体竣工验收, 6月12日领取了安全生产许可证,7月10日领取了煤炭生产许可证. 二、瓦斯治理情况简介 瓦斯抽放是矿井安全生产的重中之重,公司在建矿期间不断加大投资力度,矿井瓦斯抽放取得了明显效果.时至今天,大宁煤矿已配备了目前世界上最先进的VLD-1000型深孔定向千米钻机3台及其配套的DDM-MECCA钻进实时监测系统,实施本煤层大面积预抽,最大孔深达到1002m.截止2007年12月底,已完成钻孔数1980个,累计进尺803752.8m,累计抽放混合瓦斯量9.05亿m3,纯瓦斯量4.67亿m3,矿井瓦斯抽放率在80%以上,有效解决了生产中的瓦斯管理问题,从而保证了矿井的安全生产. (一)瓦斯抽放方法的选择 根据大宁煤矿的瓦斯来源分析,矿井瓦斯主要来源于开采层3号煤层的瓦斯涌出,部分来源于邻近层的瓦斯涌出和围岩的瓦斯涌出,结合大宁矿井首采区的抽采实践经验,抽放瓦斯方法选择以预抽本煤层瓦斯为主.国外抽放经验证明:由于预抽排放煤体瓦斯,使煤体发生了收缩变形,当煤体原占据的空间体积不变时,煤体收缩一方面引起了原有的裂隙加大,另一方面也可产生新的裂隙,最终使煤层的透气性增大.因此,长时间的预抽可以取得更好的效果. 通过对VLD-1000型深孔定向千米钻机水平长钻孔抽放效果的数字模拟及综合监测分析,确定大宁矿井瓦斯预抽钻孔的布置如图1所示. 图1 采空区高位穿层钻孔:引进国外先进的采空区瓦斯治理经验,结合千米钻机的钻进特点,在工作面的回风巷侧采用定向钻进技术在3号煤层的顶部岩层向工作面后方打顶板走向长钻孔至采空区上部的裂隙带,实施长壁面的采空区瓦斯抽放.钻孔布置如图2所示. 图2 从保证采掘工作面的安全需要,结合矿井采掘计划安排,确定长壁综采面的抽放时间为2年;连采机巷道掘进抽放时间1年以上.采掘工作面预抽的孔口负压为20~40kPa,采空区顶板抽放的孔口负压为5kPa.钻孔开,扩孔直径φ150mm,采用φ108mmPVC管封孔,封孔材料为聚铵脂,封孔长度6m;钻杆直径φ69.9mm,采用复合片钻头钻进,终孔直径φ96mm.在抽放过程中对钻孔的抽放负压,甲烷浓度,抽放量等参数进行监测,并根据监测结果对钻孔抽放状态进行调整,以达到最佳抽放状态. (三)抽放管路的敷设 井下抽放主管选用螺旋焊接钢管,管径为DN820mm×12mm,沿巷道底板敷设,连接方式为法兰连接;支管管径为D355mm×16mm和D225mm×10mm UPVC管接至钻场,采用吊挂敷设,连接方式为法兰连接. 三、抽放钻孔施工工艺 目前普通钻机没有导向系统,无法随着煤层的起伏情况做出相应的调整,从而在实际钻进过程多数钻孔的有效深度不能满足实际要求,而VLD-1000系列深孔定向千米钻机以其特有的钻进机理从根本上解决了这一个问题。 亚美大宁能源公司于2003年4月从澳大利亚引进深孔定向钻进技术施工顺煤层瓦斯抽放钻孔,单孔孔深最大达到1002m,班进尺最高达到了400m,既解决了顺煤层钻进的导向问题,又可以完成深孔钻进,取得了较好的效果。 (一)深孔定向钻进机理 深孔定向钻进技术在诸如美国,澳大利亚等主要产煤国家里,已作为一项很成熟的钻进技术广泛应用于煤矿瓦斯抽放,地质探测等领域,该技术的关键部位在于孔马达驱动装置和配套的测量技术(图3). 图3 孔马达驱动装置 高压水通过钻杆输送至孔马达,孔马达部的转子在高压水的冲击作用下转动,通过前端轴承带动钻头旋转,达到破煤的目的,在钻进过程中,钻杆本身不转,只作钻头的旋转运动,从而有效地降低了钻机的负载.孔马达的弯接头是一个关键部件,它和钻杆之间有一定的夹角,由于弯接头的作用,钻孔的轨迹将不再是传统钻机所形成的略带抛物的直线轨迹,而成为一条偏向弯接头方向的空间曲线.当然,通过选择不同规格(它的规格通常为0.75,1,1.25,1.5,2度,这个度数指的是钻杆每前进3m所能变化的最小值)的弯接头可以改变钻孔曲率半径(即改变拐弯的快慢),并且在适当的位置还可以作分支钻孔钻进. (二)测量系统及参数定义 配套的测量系统是保证深孔定向钻进按照预定的轨迹进行钻进的关键部件,该测量系统在孔主要的测量参数为方位角,倾角和弯接头方向,根据测量出来的孔参数可用三角函数计算出每一个测量点的坐标,即可描绘出该空间曲线在水平和垂直平面上的投影图,并与设计的轨迹进行对比,根据偏差情况及时调整弯接头方向,以期使钻进轨迹最大限度的符合设计要求. VLD-1000系列钻机所配套的测量装置是由澳大利亚AMT公司生产的DDM-MECCA(模块化电子定向钻进监视器)钻进实时测量系统(图4),其使用MECCA远程通讯系统在不到5 s的时间可以测量出精确的测量数据并自动计算出所对应的坐标值,精确度为倾角:±0.1度,方位角:±0.5度,从而使测量对打钻过程的影响减小到最小.此项成熟的测量技术已经成为澳大利亚,北美和亚洲煤矿的标准. 图4 (三)施工工艺流程 (1)设计.在每一个孔钻进以前,都需要由专门的设计人员根据钻孔布置要求,尽可能地收集所有的参考资料(地质,测量,地面钻孔,煤层钻孔等),做出欲施工钻孔的设计参数,包括垂直面和水平面的投影图,并通过任务交代,使钻工明确地清楚该钻孔的钻进意图. (2)开孔.首先用直径为150mm的专用扩孔器扩孔6m,退出扩孔器后进行封孔工作(根据需要选择水泥或聚氨酯封孔),然后将孔马达放入孔并连接MECCA钻杆,安装孔口安全装置(包括防喷孔器和预抽气水分离器),依照MECCA孔外仪的提示进行开新孔操作. (3)钻进.正常钻进如同传统钻机的操作程序:启动水泵,待孔中返出水,确认返渣正常后方可开始给压钻进,其不同的程序是需要每6m进行一次测量操作,将钻孔的垂直和水平投影坐标相应的画在设计图上,并与设计轨迹进行对比,根据偏移情况决定如何调整弯头方向. 由于矿井地质资料不可能精确地表示出煤层的详细起伏变化情况,所以在实际钻进过程中,要求每间隔一定距离将弯头方向调整为垂直向上,使钻孔快速钻至顶板以确定出顶板所处的层位标高,然后后退到合适位置开分支继续钻进,如此反复,再将两探顶点连线的延长线作为下一段钻进时的参考顶板,从而保证钻孔始终在煤层中钻进. (4)退钻探底.由于大宁矿井主采3号煤下部有一夹矸层,夹矸以下有0.5~1m厚度不等的软煤区域,且瓦斯含量较高,为了更为有效地对此区域进行抽放,在钻孔施工至设计深度退钻时,每间隔约50m进行一次探底,目的是使钻孔穿透这层夹矸,为下部软煤带形成一个抽放通道,同时又探测清楚了煤层的厚度情况,更为有效地补充了矿井煤层产状的地质资料. (5)完孔参数.当钻进结束后,将DDM—MECCA测量仪的数据传输至计算机,通过处理后即可形成相应图表(图5,图6). 图5 完孔垂直面轨迹图 图6 完孔水平面轨迹图 (四)钻机施钻过程中气,水,煤屑的分离 钻机在施钻过程中,为了有效控制钻场的瓦斯浓度以及做好煤屑的分离工作,从而保证安全钻进以及煤,渣的分选,大宁矿井在VLD深孔定向钻机的设计基础上,对气,水,煤屑的分离工作做了进一步的优化.如图7所示. 图7 气,水,煤屑分离示意图 经过改良,这套气,水,煤屑分离装置发挥出了更好的作用.首先,利用孔口封孔器和气水分离器在钻机开孔钻进即对孔的瓦斯进行不间断的抽放,避免了瓦斯喷孔现象的发生,并保证了钻场的瓦斯浓度始终保持在规定以.其二,经过煤水二次分离器的作用,使煤屑和废水得到了很好的分离,利于钻场标准化的管理.其三,预先安装在汇流管上的备抽管,使钻孔的完孔接抽工序更为迅速,同时在钻孔施工过程中因孔发生异常情况,瓦斯涌出量突然增大时将瓦斯气流及时引入抽放管路中,避免事故的发生. (五)抽采效果 经过对钻进参数的优化调整,千米钻机孔可以达到较好的抽采效果,大宁矿井在T106钻场布置的1号抽放钻孔共抽放661天,累计抽放纯瓦斯量4474 527.3 m3. (六)钻孔施工中需要注意的问题 (1)由于其特殊的钻进工艺,所以要求钻工必须首先在意识中形成一个钻孔的三维空间概念,以期对弯头方向做出更为准确有效的调整 (2)在钻进过程中要求将每次测量的数据做好记录,并将钻进过程中的情况分时间段做出详细的记载,包括水压,推进压力,提钻压力,水量,弯头改变情况,见顶底板情况以及其它说明等,以便遇到钻进事故时采取合适的处理措施. (3)为了在钻进过程中更为合理有效地控制钻进,要求钻工操作时每间隔一定距离有意识地预留下合适的分支点. (4)由于煤层产状与地质构造的复杂性,在钻孔钻进时总是有设备抱钻的风险,所以要确保分支孔与主孔间留有一定的间距,以避免分