1、煤矿瓦斯抽采新技术,俞启香 (教授、博导、国家安全生产专家） 中国矿业大学 国家煤矿瓦斯治理工程研究中心,主要内容,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术2、松软煤层抽放钻孔关键技术3、立体交叉钻孔布孔增透技术4、高压水射流扩孔5、水力导喷增流提透技术6、深孔预裂控制爆破增流提透技术7、V锥流量计,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,1）简介 （1）长钻孔是实施“先抽后采、抽放达标”的重要前提。近年来，西安院、重庆院等，研制成功了施工长500-1000m钻孔系列装备。 （2）定向钻进工艺和稳定组合钻具 也是实现长钻孔施工成功的关键。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,2）钻机 （1）近水平深孔5
2、001000m全液压坑道钻机,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY8000S/ZDY10000S全液压钻机（MK-7型） 一适应范围： ZDY8000S/ZDY10000S型钻机是目前国内煤矿巷道钻进能力最大的全液压近水平孔钻机。它具有大扭矩、给进/起拔力强等特点。 适用于煤矿井下瓦斯抽放大直径（=150200mm）近水平长钻孔的施工。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY8000S/ZDY10000S全液压钻机（MK-7型） 二、结构特点： 1.采用全液压动力头结构，由主机、泵站、操纵台三大部分组成，解体性强。主机设有步履行走机构和转向机构，使搬迁更方便，钻场布置更加灵活； 2.
3、双泵液压系统，使回转与给进工艺参数可以独立调节。变量油泵和变量马达的有机组合使转速和扭矩调整范围扩大并实现无级调速，提高了钻机对不同钻进工艺的适应能力； 3.液压自动拧卸钻具，减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率； 4.双油缸给进/起拔钻具，使给进/起拔能力增大，提高了处理孔内事故的能力； 5.通孔式的回转器结构设计，通过更换不同尺寸的卡瓦组可适用不同直径的外平钻杆，钻杆长度也不受钻机结构尺寸的限制； 6.用支撑油缸调整机身的倾角既方便省力又安全可靠； 7.操纵台集中操纵，使操纵人员可远离孔口，确保了人身安全； 8.完备的液压保护装置和通用性强的液压元件，提高了钻机运行的稳定性和可靠性。,1、
4、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY8000S/ZDY10000S全液压钻机（MK-7型） 三、应用实例 情况简介 2002年12月819日，在陕西铜川矿务局陈家山煤矿415区段附近施工。试验历时11天，纯钻进时间约138小时，累计进尺1667.5m，平均时效为12.13m/h，采用一次成孔的钻进工艺，先后完成了钻机能力孔和试验孔两个钻孔。该钻孔用于抽放瓦斯，平均瓦斯抽放量达到14m3/min，抽放瓦斯浓度为80%。其中一个钻孔孔深865m，最高时效达到28m/h，开孔直径300mm，终孔孔径150mm，是当时我国煤矿井下施工成孔最长、孔径最大的近水平定向全煤钻孔。 煤层情况简介 钻孔在4#
5、2煤层中施工，该煤层含数层夹矸，夹矸多为泥岩或炭质泥岩。施工区段地质构造主要以褶皱构造为主，属高瓦斯地区，煤的平均厚度为10m，煤层倾角57。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY8000S/ZDY10000S全液压钻机（MK-7型） 1#钻孔施工简介：开孔倾角上仰6，方位平行于415运顺，孔深802.5m （其中孔深0420m段，孔径为193mm；孔深420500m段，孔径为153mm；孔深500802.5m段，孔径为113mm）。在钻进过程中，先后穿越煤层及泥岩（其中前380m在煤层中钻进，测斜仪对钻孔倾角进行测量，钻孔倾角最大为6.5，最小为6，与开孔倾角大致相同）。孔深380m以
6、后先是换用113mm四翼刮刀钻头，钻头后跟3个稳定器。钻孔轨迹一直保持在泥岩中钻进至802.5m终孔。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY8000S/ZDY10000S全液压钻机（MK-7型） 2#钻孔施工简介：开孔倾角上仰5.3，方位右偏415运顺3。终孔孔深865m（孔深 0712m段，孔径为153mm；孔深 712865m段，孔径为113mm）。钻进施工时，先后通过煤层、炭质泥岩。用造斜组合钻具钻进至337m时，经测斜仪对钻孔进行倾角测量，最大倾角为-1，最小倾角为-1.5，钻孔下斜。根据矿上提供的地质资料，为使钻孔轨迹保持在煤层中，换用保直组合钻具钻进，钻进至855m时，进入炭
7、质泥岩，继续钻进10m，（其中855m在煤层中钻进）。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY8000S/ZDY10000S全液压钻机（MK-7型） 钻具应用情况简介 在此次施工中采用煤科总院西安研究院研制的8类金刚石复合片钻头：75mm的内凹三翼金刚石复合片钻头；113mm内凹三翼金刚石复合片钻头；113mm四翼刮刀金刚石复合片钻头；94金刚石复合片组合扩孔钻头；113mm金刚石复合片组合扩孔钻头；153mm金刚石复合片导向扩孔钻头；193mm金刚石复合片导向扩孔钻头和300mm金刚石复合片导向扩孔钻头，8类钻头经使用，效果良好，特别是对于坚固性系数f=0.82.5煤岩互层地层有很好的适
8、应性和钻进性能。在煤层中钻进时，平均时效可达18m/h以上。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY6000S型全液压钻机(MK-6型)一适应范围： ZDY6000S型全液压钻机是动力头式全液压钻机，具有扭矩大、给进/起拔力强等特点。适用于煤矿井下瓦斯抽采大直径近水平长钻孔和地质勘探孔等。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY6000S型全液压钻机(MK-6型)二、结构特点：1.采用全液压动力头结构，由主机、泵站、操纵台三大部分组成，解体性强。主机设有步履行走机构使搬迁更方便，钻场布置更加灵活；2.双泵液压系统，使回转与给进工艺参数可以独立调节。变量油泵和变量马达的有机组合使转速和扭
9、矩调整范围扩大并实现了无级调速，提高了钻机对不同钻进工艺的适应能力；3.液压自动拧卸钻具，减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率；,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY6000S型全液压钻机(MK-6型)二、结构特点：4.双油缸给进与起拔钻具，使给进、起拔能力增大，提高了钻机处理孔内事故的能力；5.通孔式的回转器结构设计，通过更换不同尺寸的卡瓦组可适用不同直径的外平钻杆，钻杆的长度也不受钻机结构尺寸的限制；6.用支撑油缸调整机身的倾角既方便省力又安全可靠；7.操纵台集中操纵，使操纵人员可远离孔口，确保了人身安全；8.完备的液压保护装置和通用性强的液压元件，提高了钻机运行的稳定性和可靠性。,
10、1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY6000S型全液压钻机(MK-6型)三、应用实例 现场使用情况一：1998年12月-1999年1月，在阳泉煤业集团一矿井下4108工作面进行现场试验，历时35天,沿煤层顶板定向钻进试验孔2个。1号试验孔孔深508m，2号试验孔孔深603.5m。试验钻孔布置在距12号煤层约36m的灰白色中砂岩顶板中，硬度6-7级。岩层厚约7m。采用全回转、二次成孔钻进工艺。配用89 mm专用钻杆、钻孔定向稳定器、复合片钻头及其它配套机具。2号试验孔，开孔仰角2.5，使用113 mm复合片钻头钻进，用稳定组合钻具控制钻孔方向，施工先导孔，钻至603.5m终孔；再换用193
11、 mm的复合片扩孔钻头，扩孔至502.9 m，之后又使用153 mm扩孔钻头钻至603m。先导孔平均每班进尺50m，193 mm钻头扩孔平均每班进尺30m，钻孔历时22天（包括处理孔内事故）。1号试验孔，开孔仰角2，终孔深度508m，先导孔最高班进尺118m，钻孔历时10天。经测斜终孔位置偏差小于孔深的1，达到了设计孔的要求。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY6000S型全液压钻机(MK-6型)三、应用实例 现场使用情况二： 2000年10月1日11月23日，在抚顺老虎台煤矿-780m运输岩巷内施工钻孔三个。 钻孔一：钻孔直径94mm，采用73mm外平钻杆，开孔方位18,仰角10，从
12、开孔到终孔相继钻过地层为玄武岩层凝灰岩层主煤层。玄武岩硬度56级。灰白色凝灰岩硬度4级，遇水膨胀，夹有凝灰质角砾岩、集块岩和凝灰质砂岩，并含硅化木和植物碎片。主煤层是由538个自然分层组成的复合煤层，夹薄层黑色页岩、碳质页岩、烛煤、灰白色泥岩、灰褐灰黑色泥质粉砂岩和细砂岩等。钻进过程中经过三个重要分煤层，分层厚为2025m。总计钻进孔深521.5m(其中钻孔在岩石中钻进301.5m，在煤层中钻进220m)。钻孔进入煤层220m后，由于煤层瓦斯含量较大，喷孔、塌孔现象严重，造成孔内不返水，无法正常钻进而终孔。测钻孔仰角最大11.2，最小10，与开孔设计仰角10，基本一致。,1、煤矿井下定向长钻孔
13、施工关键技术,ZDY6000S型全液压钻机(MK-6型)三、应用实例 现场使用情况二： 2000年10月1日11月23日，在抚顺矿务局老虎台煤矿-780m矿车巷道内施工钻孔三个。 钻孔二：开孔方位50，仰角5，地质条件和一号钻孔相近，在孔深117m时钻进到F25和F24两条断层的交汇带，岩层破碎，钻孔塌孔严重，孔内不返水，无法正常钻进。据地质资料推测，前面还要经过4个大断层带，最大断层落差72m，按矿地测科建议停钻。 钻孔三：开孔方位235，仰角10，主要地层为橄榄玄武岩和少量凝灰岩的软硬互层，设计孔深700m，实钻孔深722.6m。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY6000S型全液
14、压钻机(MK-6型)三、应用实例 现场使用情况三： 2001年9月25日10月10日，在山西晋城寺河煤矿东二盘区102017S 巷道南侧端部实验。 巷道宽4.5m、高3.5m。钻场所处位置在3号煤层底板之上。煤层平均厚度6.5m，煤性脆、光亮型，硬度4-6级。煤层含夹矸0-4层，一般为1-2层，厚度0.1-0.5m不等。煤层下部有内生裂隙发育。煤层瓦斯含量较大。煤层上下均为深灰色泥岩和细粒砂岩，其硬度为7-8级。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY6000S型全液压钻机(MK-6型)三、应用实例 现场使用情况三： 1#钻孔：位于巷道南端的底板以上1.5m，仰角1.5 、方位角170，基
15、本平行于102015S巷道开孔。采用94mm保直稳定组合钻具成孔后，又用153mm的钻头扩孔，以满足封孔要求。纯钻进时间20.85小时，完成钻孔孔深509.03m，平均钻进时效24.4m/h。在钻进至280m时，发现进尺缓慢，提钻后发现钻头磨损严重，换用侧切削钻头继续钻进直至终孔。在孔深280m和350m处对钻孔倾角分别进行测斜，倾角分别为1和-1。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY6000S型全液压钻机(MK-6型)三、应用实例 现场使用情况三： 2#钻孔：采用保直组合钻具一直钻进到135m，后因孔口瓦斯过大，从安全施工的角度考虑，矿上决定提钻封孔。 3#钻孔：从80m处遇到煤层夹
16、矸一直钻进至519.5m终孔，钻孔在煤层夹矸中延伸。在孔深240m处对钻孔轨迹进行测量，测量倾角为1。 这三个钻孔都从开始进行瓦斯抽采，瓦斯浓度为97%，瓦斯涌出量2-2.5m3/min。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,2）钻机 （2）中深孔钻机(西安研究院)主要技术参数：,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY-4000S型全液压钻机(MK-5Z型) 一、适用范围 ZDY-4000S型钻机是一种低转速、大扭矩、能够钻进大直径中深孔的全液压坑道钻机。该钻机适于采用复合片钻头或牙轮钻头钻进。主要用于煤矿井下大直径瓦斯抽采钻孔及救援钻孔等施工。 二、结构特点1. 采用全液压动力头结构，由
17、主机、泵站、操纵台三大部分组成，解体性好，搬迁方便，钻场布置灵活；2. 液压自动拧卸钻具，减轻了工人劳动强度，提高了工作效率；,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY-4000S型全液压钻机(MK-5Z型)二、结构特点 3. 双泵液压系统使回转参数与给进工艺参数独立调节。变量油泵和变量马达组合进行无级调速，转速和扭矩可在大范围内调整，提高了钻机对不同钻进工艺的适应能力。4. 夹持器为常闭式结构，可有效防止施工过程中跑钻现象的发生，满足倾斜孔施工需要；5. 通过操纵台集中操纵使操纵人员可远离孔口一定距离，确保了人身安全；6. 回转器采用通孔式结构，钻杆长度不受钻机给进行程的限制；7. 用支撑
18、油缸调整机身倾角方便省力又安全可靠；8. 保护完备的液压装置及通用性强的液压元件，确保了钻机运行的可靠性及稳定性。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY-4000S型全液压钻机(MK-5Z型)三、应用实例1. 山西阳泉煤业集团新景矿：2003年6月，在阳煤集团新景矿的大直径钻孔的钻进试验中，经过12天（包括钻进辅助时间），实际钻进时间72小时，配合使用研制的高强度、大直径螺旋钻杆和大直径硬质合金钻头，共完成600mm的全煤层钻孔4个，累计进尺115.6m，最大孔深为50.6m，完成了抢险救援钻孔的工艺要求。2. 河南焦煤集团演马庄矿：从2003年6月起至2004年5月，该型钻机配1132
19、50mm的塔式钻头，打大直径钻孔防突措施孔。共施工了15855m回采工作面预抽钻孔，瓦斯抽放效果较原来提高了一倍以上，瓦斯突出区掘进速度由原来的30-40m/月提高到90m/月。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY3200S型全液压钻机（MKD-5S型）一、适用范围 ZDY-3200S型钻机是一种低转速、大扭矩、能够钻进大直径中深孔的全液压坑道钻机。该钻机适于采用复合片钻头或牙轮钻头钻进。主要用于煤矿井下大直径瓦斯抽放孔及其它工程孔的施工，也可用于地面工程钻孔的施工。二、结构特点1. 采用全液压动力头结构，由主机、泵站、操纵台三大部分组成，解体性好，搬迁方便，钻场布置灵活；2. 液压自
20、动拧卸钻具，减轻了工人劳动强度，提高了工作效率；,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY3200S型全液压钻机（MKD-5S型）二、结构特点3. 双泵液压系统使回转参数与给进工艺参数独立调节。变量油泵和变量马达组合进行无级调速，转速和扭矩可在大范围内调整，提高了钻机对不同钻进工艺的适应能力。4. 夹持器为常闭式结构，可有效防止施工过程中跑钻现象的发生，满足大角度倾斜孔施工需要；5. 通过操纵台集中操纵使操纵人员可远离孔口一定距离，确保了人身安全；6. 回转器采用通孔式结构，钻杆长度不受钻机给进行程的限制；7. 用支撑油缸调整机身倾角方便省力又安全可靠；8. 保护完备的液压装置及通用性强的液
21、压元件，确保了钻机运行的可靠性及稳定性。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY3200S型全液压钻机（MKD-5S型）三、应用实例1. 贵州水城矿务局木冲沟煤矿：将该型钻机应用于煤矿瓦斯抽放孔施工，在煤层顶板岩层内施工三个钻孔，一个试验孔，深度318m、孔径113mm，另两个深度分别为198和324m，为木冲沟煤矿瓦斯综合治理提供了必要的手段。 2. 山西阳泉煤业集团新景矿：2003年6月，在阳煤集团新景矿的大直径钻孔的钻进试验中，经过12天（包括钻进辅助时间），实际钻进时间72小时，配合使用研制的高强度、大直径螺旋钻杆和大直径硬质合金钻头，共完成600mm的试验孔4个，累计进尺115.
22、6m，最大孔深为50.6m，完成了抢险救援钻孔的工艺要求。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY1900S型全液压钻机(MKD-5S型)一、适用范围ZDY1900S型钻机是动力头式全液压钻机。具有扭矩大、给进/起拔力大等特点，它不仅适用于牙轮钻头、复合片钻头全面钻进，也适用于硬质合金钻进、还可适应冲击回转钻进、旋喷钻进工艺，满足各种用途的钻孔。如：地质勘探孔、瓦斯抽放孔、注水、排放水孔、锚固、管棚等工程用孔。二、结构特点1. 采用全液压动力头结构，由主机、泵站、操纵台三大部分，解体性好，搬迁方便，钻场布置灵活；2. 液压自动拧卸钻具，减轻了工人劳动强度，提高了工作效率；,1、煤矿井下定向
23、长钻孔施工关键技术,ZDY1900S型全液压钻机(MKD-5S型)二、结构特点：3. 双泵液压系统使回转与给进参数能独立调节，提高了钻机对各种不同钻进工艺的适应能力；4. 夹持器为大通孔翻盖式结构，可通过大直径钻杆扶正器，满足各种钻孔的需要；5. 通过操纵台集中操纵使操纵人员可远离孔口，确保了人身安全；6. 回转器采用通孔式结构，钻杆长度不受给进行程的限制。7. 用支撑油缸调整机身倾角既方便省力又安全可靠。8. 保护完备的液压装置及通用性强的液压元件，确保了钻机运行的可靠性及稳定性。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY1900S型全液压钻机(MKD-5S型)三、应用实例：1. 抚顺矿务
24、局: 老虎台煤矿用ZDY1900S型钻机成功地施工孔径94mm、深度403m的钻孔，增加了在煤层中钻孔的长度，提高了瓦斯抽放量，降低了成本。2. 阳泉矿务局: 三矿、新景矿用ZDY1900S型钻机施工大直径瓦斯抽放孔，施工孔径200mm、深度100m的钻孔，取代顶板岩石高抽巷，降低了成本。3.晋城矿务局： 寺河煤矿用ZDY1900S型钻机在全煤层中施工孔径94mm、深度180m的瓦斯抽放钻孔。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY1900ST型全液压钻机(MK-5S型)一、适用范围ZDY1900ST型钻机是动力头式全液压钻机。具有扭矩大、给进、起拔力大等特点，它不仅适用于牙轮钻头、复合片
25、钻头全面钻进，也适用于硬质合金钻进、还可适应冲击回转钻进、旋喷钻进工艺，满足各种用途的钻孔。如：地质勘探孔、瓦斯抽放孔、注水、排放水孔、锚固、管棚等工程用孔。二、结构特点：1. 采用全液压动力头结构，由主机、泵站、操纵台三大部分，解体性好，搬迁方便，钻场布置灵活；2. 液压自动拧卸钻具，减轻了工人劳动强度，提高了工作效率；,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY1900ST型全液压钻机(MK-5S型)3. 双泵液压系统使回转与给进参数能独立调节，提高了钻机对各种不同钻进工艺的适应能力；4. 夹持器为大通孔翻盖式结构，可通过大直径钻杆扶正器，满足各种钻孔的需要；5. 通过操纵台集中操纵使操纵
26、人员可远离孔口，确保了人身安全；6. 回转器采用通孔式结构，钻杆长度不受给进行程的限制。7. 用支撑油缸调整机身倾角既方便省力又安全可靠。8. 保护完备的液压装置及通用性强的液压元件，确保了钻机运行的可靠性及稳定性。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY1900ST型全液压钻机(MK-5S型)三、应用实例： 1. 淮南矿业集团: 用ZDY1900ST型钻机成功地施工孔径94mm岩石长钻孔，增加钻孔在岩层中有效抽放长度，提高了瓦斯抽放量，降低了成本。 2. 淮北矿业集团: 用ZDY1900ST型钻机在煤层中施工大直径瓦斯抽放孔，取代小直径钻孔抽放瓦斯，降低了钻孔施工成本。 3. 永城煤业集
27、团：用ZDY1900ST型钻机施工底板探、放水孔。 4. 新集能源股份集团:用ZDY1500T型钻机配牙轮钻头施工大角度大直径瓦斯抽放孔，施工孔径200mm、深度100m的钻孔，取代顶板岩石高抽巷，降低了成本，取得了明显的经济效益。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY900SG型全液压钻机(MKG-5S型)一、适用范围ZDY900SG型钻机是动力头式全液压钻机，该钻机具有转速范围宽、扭矩大、给进行程长等特点，即适用于金刚石绳索取芯钻进、也适用于复合片钻进、硬质合金钻进。可满足于地质勘探孔、超前探放水孔及其他工程用孔的施工。二、结构特点：1. 采用全液压动力头结构，分主机、泵站、操纵台三
28、大部分，解体性好，搬迁方便，钻场布置灵活；2. 回转器通孔直径大，更换不同规格的卡瓦组可适用多种不同直径的钻杆，钻杆长度不受钻机结构尺寸的限制；,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY900SG型全液压钻机(MKG-5S型)二、结构特点：3. 液压拧卸钻具，减轻工人劳动强度，提高了工作效率；4. 采用双油缸链条倍速机构，缩短了给进机身的长度，获得较大的给进、起拔速度；5. 无级调速；转速与扭矩调整范围大，提高了钻机对不同钻进工艺的适应能力；6. 用支撑油缸调整机身倾角既方便省力又安全可靠7. 操纵台集中操作，人员可远离孔口，有利于人身安全；8. 液压系统保护完备，提高了钻机工作的可靠性。液
29、压元件，性能稳定，通用性强。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY900SG型全液压钻机(MKG-5S型) 三、应用实例：北京矿务局: 下属各矿使用ZDY900SG型钻机和绳索取芯配套钻具，井下钻进立孔，不凿掘钻窝，仅此可节省开支0.8-1.2万元孔。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY1200S型全液压钻机(MK-4型)一、适用范围：ZDY1200S型钻机是一种动力头式全液压钻机。该机转速范围宽，扭矩大，起拔能力强。适用于复合片钻进、硬质合金钻进工艺的钻孔施工。如：抽放瓦斯孔、注水孔、注浆孔及其他工程用孔。二、结构特点：1. 采用全液压动力头结构，分主机、泵站、操纵台三大部分，
30、解体性好，搬迁方便，钻场布置灵活；2. 液压拧卸钻具，减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率；,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,ZDY1200S型全液压钻机(MK-4型)二、结构特点：3. 油缸直接给进与起拔钻具，结构简单，安全可靠，给进起拔能力大，提高了钻机处理事故的能力；4. 采用双泵系统，回转与给进工艺参数可以独立调节；无级调速，转速与扭矩调整范围大，提高了钻机对各种不同钻进工艺的适应能力；5. 用支撑油缸调整机身倾角既方便省力又安全可靠。6. 操纵台集中操作，人员可远离孔口，有利于人身安全；7. 液压系统保护完备，提高了钻机工作的可靠性。液压元件，性能稳定，通用性强。,1、煤矿井下定
31、向长钻孔施工关键技术,ZDY1200S型全液压钻机(MK-4型)三、应用实例：1. 神华集团神东公司: 补连塔煤矿用ZDY1200S型钻机施工放水孔，施工上仰75，深度45m，孔径150mm两个孔均达到设计要求，顺利完成任务。2. 淮南矿业集团谢桥煤矿用ZDY1200S型钻机施工完成孔径75mm，上仰15，深度187m的钻孔，预抽煤层瓦斯。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术,1）简介 针对长钻孔施工中的钻孔定位和钻具等关键技术难题，西安院在十五期间，完善了稳定组合钻头、组合钻具，开发了多点即时测斜仪等。多点即时测斜仪,方位角测量误差小于0.5 ，倾角小于0.5，工具面向角误差小于3，可以满足
32、施工要求。由钻头、钻杆和稳定器组成的钻具称之为稳定组合钻具。根据功能的不同，定向钻进中使用的稳定组合钻具有下斜组合保直稳定组合钻具、上仰组合钻具等5种组合。,钻孔测斜系统(多点即时测斜仪)： 由 孔口控制单元、 测斜探管、 线缆绞车组成。根据需要可通过孔口控制单元进行数据测量、记录、显示和存储。,孔口控制单元功能,深度测量，实时显示 实时记录日期、时间 测量数据和测量结果显示 固定深度值进行报警 测量数据管理,2） 稳定组合钻头及稳定组合钻具,多级组合钻头,下斜钻具组合 = 球冠侧切削钻头+无磁钻杆+钻进钻杆,复合片组合式扩孔钻头,内凹复合片钻头,3）保直钻具组合系列，可提高钻孔定向精度和成孔
33、率, 内凹钻头 + 扶正器 + 钻杆 + 扶正器 + 钻杆+ 扶正器 + 无磁钻杆+ 钻进钻杆 内凹钻头+钻杆+扩孔钻头 + 扶正器 + 钻杆+ 扶正器+ 无磁钻杆+ 钻进钻杆 内凹钻头+钻杆+扩孔钻头 + 钻杆+扩孔钻头 + 扶正器+无磁钻杆+钻进钻杆,3）保直钻具组合系列，可提高钻孔定向精度和成孔率,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术 4）螺旋钻具,螺杆钻具是一种孔底马达，其动力来源于孔口的泥浆泵（水或泥浆）所提供的高压体。 螺杆钻具主要由溢流阀、螺杆马达、万向联轴节总成、传动轴总成及轴承组成。 在近水平孔定向钻进过程中，螺杆钻具是调整钻孔空间位置的有效方法之一。 在进行弯曲孔或定向钻进时
34、，除螺杆钻具本身之外，还必须配备弯外管、弯接头、偏心块等造斜件。 在螺杆钻具工作过程中，转子带动钻头回转破碎岩石，而定子不回转，因此可以在阀接头上连接不同角度的定向弯接头或更换不同角度的下万向节弯外管进行定向钻进。螺杆钻具的结构如下图所示。现场用的是无锡钻探工具厂生产的LF54、LF-65螺杆钻具，该螺杆钻具的定向弯接头体和下万向节弯外管均有0。、1。、1.5。3种规格，二者既可单独使用，也可同时使用，从而可以得到不同的造斜强度。,1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术 4）螺旋钻具,4）螺旋钻具,LF系列螺杆钻具的技术参数,随钻测斜系统,VLD定向钻机区域预抽钻孔布置,VLD-1000定向钻机由
35、澳大利亚Valley Longwall公司制造。采用孔底马达钻进，具有1000m的钻进能力。上图为大宁矿S4003-403区域预抽定向孔布置。,4）应用实例及效果,例1、在七台河精煤集团新兴矿41051工作面分别完成了孔深520m、685m和374m的近水平高位岩石定向钻孔。 例2、在铜川局玉华矿完成了一个孔深820m定向钻孔。 例3、在彬长公司大佛寺矿钻进了深度为705m的长钻孔 例4、在寺河矿2305工作面对研制的73mm高强度钻杆、稳定组合钻头和组合钻具进行了试验验证, 共钻进三个钻孔，孔深分别为603m、350m和612m的近水平煤层定向钻孔。,5）煤矿井下瓦斯抽放长钻孔装备及工艺 创
36、新点,钻孔施工过程中，钻杆受到拉、压、弯、扭等作用力，断钻事故时有发生，解决了73mm高强度钻杆结构设计与制造关键技术，为减少事故提高成孔率创造了先决条件。 优化出多级组合钻头、钻具和螺旋槽扶正器，增加了钻孔定向精度和成孔率。 测斜仪采用新型半导体传感器，测斜过程中实时显示钻进轨迹及与钻孔设计的方位差，解决了长钻孔施工中的钻孔定位关键技术难题。,2、松软煤层抽放钻孔关键技术,1）问题的提出、技术途径及其进展 松软煤层钻孔难施工一直制约着我国煤矿瓦斯抽放与突出防治的技术发展。 实践证明，螺旋钻进、压风排渣是松软突出煤层成孔的有效途径，但还需要解决一些关键技术。 “十五”后期及近两年，重庆院等创新
37、研究思路，从工艺和装备两方面入手，通过2年多的攻关研究，取得了实质性的技术突破。,2） 重点核心技术研究进展,考察研究了钻机钻具转速与排渣效果的关系，确定了螺旋钻机的临界转速，解决或减弱了螺旋钻机施工时因排渣不畅而形成阻塞和憋钻现象。 试验研究了钻进速度与煤的性质、成孔直径、钻具转速的关系，对螺旋钻杆主要参数进行了分析，确定了螺旋钻杆合理螺旋角。 通过对螺旋成孔所需临界转速、钻杆螺旋升角、中心管径、螺距的优化研究，确定了钻机的最优参数，开发出适用于松软煤层顺层长钻孔施工的螺旋钻机和相应的钻具。,150m深孔合理参数的螺旋钻杆设计图,200m深孔合理参数的螺旋钻杆设计图,37kw型螺旋钻机,3）
38、现场实施效果, 松藻渝阳煤矿现场钻孔对比,在渝阳煤矿煤柱区成孔深度达168m，还能继续钻进，但因见岩而终孔，。在同一地点，用相同能力的钻机，采用矿上现有的螺旋钻杆及钻头作对比试验，最大成孔深度还不到80m，60m左右就卡钻、抱钻，70多m时钻机就不能旋转了。 通过现场试验，螺旋钻进成孔技术能成孔160m深度以上，为顺层长钻孔施工从装备和工艺技术上奠定了很好的基础。, 王坡煤矿3207回风巷顺层长钻孔试验,3207回风巷，煤层较稳定，采用普通钻机和工艺施工顺层钻孔，平均施工深度在60m左右。在2008年5月9日至6月28日期间，在3207回风巷施工了55个下向孔，总计进尺6272m，平均孔深达1
39、14.3m，最大成孔深度165m，平均每天成孔187m。,王坡矿3207回风巷施工钻孔竣工布置图,两种钻机在王坡矿3207回风巷施工钻孔深度分布对比图,两台螺旋钻机在3207回风巷施工水平长度约为200m， 取同一时间段(1个月)各施工的28个钻孔深度对比如下图,已在松藻打通一矿、渝阳煤矿；邯郸局；丰城矿务局；淮南矿业集团和阳泉新景矿等局矿应用。,4） 推广应用情况,适用于松软煤层钻进的3个系列钻机： 22kw，37kw，55kw型；,3、立体交叉钻孔布孔增透技术,国内外矿井试验与应用结果表明，立体交叉钻孔预抽能提高瓦斯抽采量、抽采率和煤层透气性系数。不同地质条件下，最优交叉钻孔的间距不同。1
40、）交叉钻孔布孔增流提透原理： 钻孔交叉点及其邻区塑性与流变范围增大，即卸压范围加大与卸压程度加深，卸压提透增流； 各孔之间互通成网，其任一孔不会出现像平行孔的单一孔那样：某点垮孔或被堵，整个钻孔瓦斯都转化为难流出状态，形成断流或微流 由于工作面推进，从斜向孔孔底最先进入卸压增透区获得卸压流起，一直延续到孔口被回采止，比平行孔在边采边抽卸压带中的时间长，况且在现场软煤中的孔位看不到孔洞，斜孔出露端基本不形成漏气与短路。,3、立体交叉钻孔布孔增透技术,立体交叉钻孔布孔示意图,3、立体交叉钻孔布孔增透技术,2）焦作九里山矿现场试验研究成果19941995，抚顺院与焦作局合作，在九里山矿13051面进
41、行了交叉孔与平行孔预抽本煤层瓦斯对比的试验研究，平行孔和交叉孔分段分别布置，钻孔直径65mm，钻孔平均长L63.8m，孔间距D2.353.0m，斜向孔与平行孔夹角1520封孔管内径25mm聚氨酯封堵长1m，封孔深6m,煤均厚m5.2m、倾角17o、瓦斯含量X=16.9m3/t、坚固性系数f =0.20.35、煤容重=1.3t/m3 。结果表明，在同一工作面相同钻孔工程量条件下，交叉孔较传统的平行孔增加瓦斯抽放量0.461.02倍。,九里山矿交叉孔与平行孔瓦斯涌出与抽采规律比较表,3、立体交叉钻孔布孔增流提透技术,九里山矿13051面交叉孔与平行孔预抽本煤层瓦斯分段布置图,3、立体交叉钻孔布孔增
42、透技术,3）推广实例 某矿试验采面斜长168m，煤层总厚4.2m，上分层1.3-1.4m，下分层2.6-2.8m，夹矸厚0.1-0.4m。倾角11-17，采深620-750m，瓦斯含量11.4m3t，渗透率0.01375md。在走向200m试验段布置90个交叉钻孔（45个平行孔，45个斜向孔），钻孔总长7368m。分三组每组30孔，其孔间距分别为2.0m，2.5m，3.0m。孔径75 mm，平行孔开孔距底板0.8m，方向垂直风巷，孔长80-90m；斜向孔开孔距底板1.2m，方向与风巷夹角73，孔长85-95m，聚氨脂封孔，封孔长1.0m，封孔深度5.0m。抗静电阻燃塑料封孔管径25mm 。,不
43、同密度交叉钻孔预抽率与时间关系曲线, 瓦斯抽采率，%； Qct t天钻孔百米抽放总量m3； S 平均单孔长度，m； N 布孔方式系数，回风巷或进风巷单向布孔时，N1，双向布孔时，N2； Q0 煤层原始瓦斯含量，取11.38m 3/t； M 煤层厚度，取4.2m； C 孔间距，m； L 工作面长度，m； d 巷道预排瓦斯等值宽度，取20m； r 煤的密度，取1.30 t/m3。, 不同孔间距交叉钻孔自然瓦斯涌出量与时间的关系,孔间距2.0m百米交叉孔瓦斯涌出曲线,孔间距2.5m百米交叉孔瓦斯涌出曲线,孔间距3.0m百米交叉孔瓦斯涌出曲线,4、立体交叉钻孔布孔增透技术,3、立体交叉钻孔布孔增透技术
44、 不同孔间距交叉钻孔瓦斯抽采量与时间的关系,孔间距2.0m百米交叉孔抽放量与时间关系,孔间距2.5m百米交叉孔抽放量与时间关系,孔间距3.0m百米交叉孔瓦斯抽放与时间关系,4、高压水射流扩孔,1）技术原理 在已打成的钻孔中，利用高压细射流、并能旋转的喷嘴对钻孔周围煤体进行旋转切割，同时钻杆沿钻孔轴向的移动形成对钻孔全长的径向连续扩孔，从而扩大钻孔直径，增加钻孔的卸压范围和瓦斯抽采量。,高压水射流扩孔需采用专门的扩孔喷嘴及配套的高压水泵。高压水经钻杆送入扩孔喷嘴，喷嘴分两组，每组2个，前面一组扩孔，后面一组排渣。扩孔喷嘴喷射出高压细射流，同时在高压水的驱动下快速旋转，对孔壁实现环状切割；排渣喷嘴
45、有两个朝后方的小孔，喷出水射流可加速扩孔中的钻屑排出。从见煤点开始，喷嘴边旋转边前进，直至钻孔扩孔 韻至孔底，而后又从孔底向外退出再扩一次，以加深效果。,图1-3-28 高压水射流扩孔原理 1一钻孔；2旋转体；3扩孔喷嘴； 4、7高压水射流；5-扩孔段钻孔； 6排渣喷嘴；8-扩孔钻杆,4、高压水射流扩孔,2）技术描述 (1)针对我国煤矿的不同条件，研制了适合不同硬度煤层和不同类型钻孔扩孔的SKP型高压射流扩孔设备，它由高压水射流扩孔钻具及高压水泵组成,扩孔钻具包括扩扎射流器、过滤装置、耐高压扩孔钻杆和水尾等主要部件。扩孔射流器是高压水射流扩孔的关键部件，由旋转喷头和推进喷头组成。扩孔射流器安装
46、在耐高压扩孔钻杆的前端，扩孔钻杆用于输送高压水，要求既能承受高压，又能保持良好的密封。高压水柱塞泵(3D2-SZ-75/25型）额定压力25 MPa，额定流量 75 L /min。,SKP型高压水射流扩孔装备简图,4、高压水射流扩孔,2）技术描述 (2)SKP扩孔射流器 旋转喷头上有两个特制的旋转扩孔喷嘴，直径1.0、1.5mm可向外喷射出高压水射流，同时可在高压水的驱动下快速旋转，从而对钻孔孔壁进行环状切割。推进喷头有两个朝向后方的喷嘴，喷出的水射流可加速煤渣的排出。,SKP扩孔射流器结构图及照片,1-喷嘴挡板；2-旋转喷嘴；3-喷嘴；4-旋转喷嘴轴；5-推进喷嘴；6-保护套,4、高压水射流
47、扩孔,2）技术描述 (3)WJ-1扩孔一体化钻头 WJ-1钻扩一体化钻头是钻孔一体化扩孔设备的核心构件之一，主要由钻进牙齿、旋转扩孔喷嘴（2个，直径最小2mm,最大4.2mm）、推进喷嘴(1个，直径1.8mm)和高压水尾几部分组成； 钻扩牙齿是利用钻机的机械运动驱动实现钻孔轴向切割煤炭； 推进喷嘴的主要作用是轴向切割和输送煤炭，旋转喷嘴则是在钻机带动下实现径向切割和输送煤炭。 高压水泵额定压力25MPa、额定流量150L/min。,1-推进喷嘴；2-钻进牙齿；3-旋转喷嘴；4-过滤器；5-中间接头；6-钻杆；7-钻机；8-高压旋转水尾；9-快速接头,1,7,5,6,8,2,3,1,2,3,4、
48、高压水射流扩孔,2）技术描述 (4）高压旋转水尾设计 高压旋转水尾是钻孔一体化扩孔设备的核心构件之一，是对高压细射流扩孔设备高压水尾的改进，其技术关键点是：可旋转、耐高压，结构如下图所示。,工艺特点：在打钻以及进行高压水力冲、扩过程中，保证钻杆连接水管过程中能够旋转，特别是通入高压水过程中，保障钻杆能旋转，密封型好，耐高压。,4、高压水射流扩孔,2）技术描述 (5）高压密封钻杆设计在进行水力化扩孔时，介质水的压力较高，扩孔时多数都是采用人工操作，因而要求高压扩孔钻杆要有足够的抗压强度、其接头的焊接及密封都有严格要求。采用内置式挤压密封，如下图中之1所示。,1,4、高压水射流扩孔,2）技术描述
49、(6）高压钻杆密封性能检验为确保在正常工作条件下钻杆的抗压强度，高压扩孔钻杆的焊缝、密封等是否可靠，在实验室采用丰收3型手摇泵对其进行加压试验，通过加压，并稳定在一定的压力数值，观察手摇泵上的压力表值的变化情况和高压钻杆的焊缝处是否有渗水、跑水等泻漏现象。通过试验，压力达到手摇泵的极限压力35MPa时，高压扩孔钻杆没有出现渗漏现象。,4、高压水射流扩孔,3）技术特点 扩孔高压水射流结构，可以看做非淹没自由射流，其结构可分为起始段、基本段和消散段。影晌扩孔效果的主要射流参数有：射流起始段长度、射流打击力和打击压力。高压水射流破煤机理：高压水射流作用于物体表面，引起材料结构破坏的主要作用有：射流打击力；水楔作用；射流脉冲负荷引起的疲劳破坏作用；气蚀破坏作用等。这些因素在材料破坏过程中同时起作用，但对不同工况条件及不同种类的材料，各因素作用的大小并不相同。,
