煤矿瓦斯抽采钻孔施工技术与装备----突出煤层瓦斯抽采钻孔施工技术

煤矿瓦斯抽采钻孔施工技 术与装备
——突出松软煤层井下深孔施工
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主要内容
一、概述 二、钻孔施工装备现状 三、瓦斯抽放钻孔施工技术
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一、概 述
瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯灾害事故的根本措 施，从20世纪50年代开始，我国就将瓦斯抽 放作为治理煤矿瓦斯灾害的重要措施在高瓦 斯和突出矿井推广。2002年，国家煤矿安全 监察局制定了“先抽后采，以风定产，监测 监控”的煤矿瓦斯防治方针； 2006年，再 次明确煤矿瓦斯治理“必须坚持先抽后采、 治理与利用并举的方针”，进一步强化了瓦 斯抽放治理瓦斯灾害的地位。
因而，在施工顺煤层抽放钻孔时，用水作为排渣 介质是不利于深钻孔的施工。
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三、瓦斯抽放钻孔施工技术
1、顺层长钻孔排渣工艺 风力排渣
风力排渣用风作介质排渣和钻头冷却。其显著 的优点在于压风对孔壁的冲击较弱，对瓦斯解吸影 响小。因此，从技术上来看，风力排渣更适合于突 出煤层顺层长钻孔的施工。
其缺点是作业地点粉尘不易控制，多数矿井的 风压、流量也不能满足长钻孔的要求。
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三、瓦斯抽放钻孔施工技术
2、松软突出煤层打钻遇到的问题及原因分析
问题：喷孔、垮孔、堵孔和卡钻，严重的诱发瓦 斯突出。
喷孔时高压瓦斯气流向孔口喷出，承压瓦斯携带 的煤粉直接冲向巷道，并伴随煤炮声和气流冲击 声。有的短时间几分钟停止，也有的可延续到几 十分钟，表现为脉冲形式。此时巷道瓦斯严重超 限，只好停钻撤人。喷孔往往伴随着垮孔、堵孔 和卡钻的出现，往往无法继续钻进。
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二、钻孔施工装备现状
3、配套钻头
➢ 多级组合钻具：主要用于严重突出煤层。主要原 理是采用小口径钻头开孔、逐级扩孔钻进的方法, 分层次、阶段性逐级释放瓦斯,既保证了钻头钻进 的稳定性,又减少了一次成孔瓦斯突出或喷孔事故 的发生。组合防突钻头一般由三级组成,第一级钻 头直径最小,然后通过组合接手将2个逐级增大的 扩孔钻头组合在一起。常用的级配形式主要有 φ59 mm/φ75 mm /φ94 mm和φ75 mm/φ94 mm /φ113 mm两种组合形式。
稳定组合钻具定向钻进技术：就是在回转钻进的基础上,在 靠近钻头的10～20 m的钻杆上接上3～5个接近于钻头直径的 稳定器(也称扶正器),通过调整稳定器的位置和数量,并配合 相应的钻进工艺参数,使钻具对钻头产生向上、向下或保直 钻进的控制力,从而起到控制钻孔轨迹的目的。
顺层长钻孔的施 工,关健在于打 钻过程中,防止 钻杆下沉,保持 钻杆一定的直度。
煤层大直径救援孔的排粉需要。螺旋钻杆 接头形式多采用插接方式。可方便处理钻 进过程中因塌孔、喷孔、掉块等形成的卡 钻、埋钻等孔内事故。目前常用的规格主 要有:φ78，φ88，φ100，φ110，φ130 mm等。
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二、钻孔施工装备现状
2、配套钻杆
有叶片式螺旋钻杆、浅槽螺旋钻杆两种。
钻杆、螺旋钻杆两种。
➢ 外平钻杆是最常用的一种类型，适用于井 下常规钻进作业和稳定组合钻具定向钻进。 现有的规格主要有φ42，φ50，φ63·5， φ73，φ89 mm等，具体钻杆参数及配套 钻头见下表。
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二、钻孔施工装备现状
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二、钻孔施工装备现状
2、配套钻杆 ➢螺旋钻杆主要用于满足松软煤层钻进和本
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一、概 述
8项“煤矿瓦斯综合治理与利用关键技术研发和装备研制项目” ➢ 松软突出煤层中风压空气钻进装备研制与配套工艺开发 ➢ 井下水平长钻孔钻机研制及配套工艺开发 ➢ 低透气性煤层瓦斯抽采增效技术开发 ➢ 低浓度瓦斯输送安全保障成套技术开发与装备研制 ➢ 防突远距离控制钻机研制及配套工艺开发 ➢ 松软突出煤层顺层钻孔螺旋钻进装备研制与配套工艺开发 ➢ 瓦斯抽采矿井的风流监测与智能控制关键技术研制 ➢ 地面瓦斯抽采的欠平衡车装钻机研制
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二、钻孔施工装备现状
5、引进国外定向长钻孔钻机的应用情况
➢ 山西亚美大宁能源有 限公司大宁煤矿采用 孔底马达定向钻进的 千米钻机，预抽本煤 层（3号煤层）瓦斯为 主，最大孔深达1002m。
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二、钻孔施工装备现状
5、引进国外定向长钻孔钻机的应用情况
千米钻机 等机具施 工长钻孔， 一个预抽 区域至少 应涵盖1 个工作面。
1、钻机 ➢根据驱动钻头回转的动力来源不同，煤矿坑
道钻机的主流产品可分成两大类：一类是常 规的孔口回转钻机（钻机通过钻杆柱驱动钻 头回转）。像浅孔钻机一般都是这一类；另 一类是孔底动力回钻钻机（钻进时钻杆柱不 回转，由孔底马达驱动钻头回转）。
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二、钻孔施工装备现状
1、钻机 孔内马达驱动装置 ：
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晋城煤业井下区域性递进式预抽采
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二、钻孔施工装备现状
5、引进国外定向长钻孔钻机的应用情况
➢国内从上世纪90年代正式开始煤矿井下定向 钻进技术的研究，在对以螺杆马达为孔底动 力的钻进方法的研究方面曾取得过一些阶段 性成果。但是由于国产孔底马达可靠性较差， 寿命太短，设备成本比回转钻进钻机的高， 不便于推广，导致国内对这项技术研究并没 有继续深入下去。
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二、钻孔施工装备现状
1、钻机 ➢我国煤矿坑道钻探作业的主导机型为全液
压动力头式坑道钻机。具有钻进效率高、 工艺适应性强、操作安全、解体性好、易 搬迁等特点。目前，国内全液压动力头式 钻机的生产厂家较多，钻进能力从几十米 到上千米，已形成多个系列。
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二、钻孔施工装备现状
2020/10/17得阶段性效果： ➢推广了一批瓦斯治理、瓦斯抽采、瓦斯利用的 先进适用技术和装备。 ➢提高了矿井顺煤层抽采钻孔施工深度和能力， 研发了强突出松软煤层中风压钻进技术、松软 突出煤层螺旋钻进技术和装备、千米钻机长钻 孔成孔工艺技术等。
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二、钻孔施工装备现状
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二、钻孔施工装备现状
5、引进国外定向长钻孔钻机的应用情况 ➢原因：主要是我国的地质条件和煤层特征差
异很大,引进的澳大利亚、美国千米定向钻 机不适应象松藻、淮南、平顶山煤业集团等 这样复杂的地质条件和煤层特征,只能适用 于较为简单的地质条件和煤层特征。
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二、钻孔施工装备现状
套筒式稳定器
稳定组合钻具定向钻进技术主要适用于对钻孔轨迹有特殊要 求的瓦斯抽放钻孔施工,如沿煤层水平定向长钻孔的施工(孔 深≥500 m)、顶板高位水平定向钻孔的施工。
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二、钻孔施工装备现状
5、引进国外定向长钻孔钻机的应用情况
➢美国、德国、日本等工业发达国家，从上世 纪70年代初就开始了井下近水平长钻孔钻进 技术的研究。通过三十年的发展，目前以孔 底动力为主要钻进方法、随钻测斜为主要定 向手段的钻孔工艺方法已非常成熟，并取得 较广泛的推广应用，技术上处于国际领先水 平。
➢ 问题
喷孔和卡钻原因分析：喷孔应看作是钻孔中出现的 动力现象，类似煤与瓦斯突出，是高压瓦斯、应力集 中和软煤存在三个因素综合作用的结果。
当钻孔进入软煤分层时，钻头切削旋转，对软煤产 生一种冲击和破碎力，使煤体破裂、粉碎，钻孔周边 煤体瓦斯迅速解吸，流入钻孔中的瓦斯增加到正常瓦 斯涌出的几倍到几十倍，此时钻孔前后方出现了较大 的瓦斯梯度，产生明显的瓦斯激流，承压的瓦斯激流 对破坏的煤颗粒起着边运送边粉化的作用，瓦斯激流 和粉化了的煤颗粒难以顺利的向孔外排出，进一步增 加了孔内瓦斯压力梯度，形成喷孔。
叶片、插接式螺旋钻杆
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晋城赵庄矿50 mm×1 000 mm的浅槽螺旋 钻杆
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二、钻孔施工装备现状
3、配套钻头 ➢煤矿井下瓦斯抽放钻孔施工钻头一般以硬质
合金和金刚石复合片(PDC)钻头为主。硬质 合金钻头一般只适用于本煤层、泥岩等低硬 度地层的浅孔施工，目前大多数煤矿为提高 钻进效率、节省起下钻时间，一般都采用 PDC钻头。
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一、概 述
10个煤矿瓦斯治理与利用示范工程建设项目
根据各示范点的特点和条件，集成瓦斯治理与利 用的先进适用技术，并总结推广应用。
➢龙煤集团鹤岗分公司、沈阳煤业集团、抚顺矿 业集团
➢淮南矿业集团、淮北矿业集团 ➢郑州煤炭集团、焦作煤业集团 ➢阳泉煤业集团、晋城煤业集团 ➢松藻煤电公司
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三、瓦斯抽放钻孔施工技术
2、松软煤层打钻遇到的问题及原因分析 问题
喷孔、卡钻形成过程。喷孔可分成：煤体 破碎→瓦斯聚积（瓦斯迅速解吸→孔壁破 裂→孔内堵塞→瓦斯梯度猛增） →瓦斯释 放（突破堵塞→喷孔和卡钻）三个阶段。
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三、瓦斯抽放钻孔施工技术
2、松软煤层打钻遇到的问题及原因分析
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二、钻孔施工装备现状
5、引进国外定向长钻孔钻机的应用情况 ➢ 1997～1998年间，国内松藻、铁法、淮南、平顶
山和抚顺5个矿务局引进了9套美国和澳大利亚千 米定向钻机。共打成钻孔19个，钻孔深度范围为 45～470m，其中:小于100m的有10个，100～200m 的有2个，200 ～400m的有6个，最深的一个孔达 470m。在煤层中打成顺层钻孔的深度几乎都不超 过100m。孔深都没有达到引进钻机设计施工能力 的二分之一。试验效果不好。
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