煤矿瓦斯抽采新技术新工艺新装备

煤矿瓦斯高效抽采新技术、新工艺、新装备俞启香(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及装备2、松软煤层抽放钻孔关键技术及装备3、立体交叉钻孔布孔增透技术4、高压水射流扩孔技术与工艺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及工艺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）钻机特点：①分体式：整机分为主机、操作台和泵站3大部分；②全液压、双泵，可分流、合流以满足各种钻进工况要求③钻速、钻矩和给进/起拔力范围较大，处理孔内事故能力较强。主机示意图1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术2）钻机主要部件简介：①动力头—是钻机的核心部件，采用手动调节油流量的变量马达（高速、小转矩液压马达）配一个大速比传动箱（NGW型行星齿轮机构为第1级传动），实现钻速和转矩的大范围无级调速，结构简单、紧凑、效率高。1-变量马达；2-太阳轮；3-马达座；4-行星轮：5-行星轮架；6-小齿轮；7-大齿轮；8-配油套；9-卡盘；10-传动箱体；11-主轴图2-5回转器结构图1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术2）钻机主要部件简介：②液压卡盘—150m以上钻机普遍采用胶筒式液压卡盘，其特点是：卡盘采用胶筒式结构，靠液压直接作用到机械夹紧钻杆，几乎没有中间元件，夹紧可靠；油压作用面积大，卡紧力大；不用轴承，结构紧凑，外形尺寸小，转动惯量小；当卡瓦和钻杆磨损后，夹紧力不减。1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术2）钻机主要部件简介：②胶筒式液压卡盘的工作原理是：高压油经主轴及卡盘后端盖上的小孔进入胶筒外侧的密封腔中，胶筒中部受到径向的压力而收缩，迫使卡瓦组向中心移动而夹紧钻杆。回油时，卡瓦组在弹簧的作用下，自动复位而松开钻杆。在胶筒的中部设有支承环，它顶住胶筒外缘形成高压油腔的密封，并限制其变形的范围。滑板的作用是防止胶筒挤入卡瓦体之间。1-传拉盘；2-后端盖；3-端压环；4-卡盘体；5-支撑环；6-胶筒；7一传扭盘；8-前端盖；9-卡瓦；10-复位弹簧；II-垫片胶筒式液压卡盘示意图1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术2）钻机主要部件简介：③液压夹持器—是固定孔内钻具的重要部件。其工作原理是常开式夹持器与常闭式夹持器的结合。常闭部分可保证机身在最大倾角时钻杆秤在自重作用下不下滑。常开部分的副油缸可以在回转器反转时，通人压力油产生一个附加推力，使夹紧力为碟形弹簧的张力和副油缸的推力之和，保证可靠地夹紧钻杆。松开夹持器时，副油缸已卸压，主油缸的推力只需克服碟形弹簧的张力即可，所以开启压力低，有利于液压系统的压力协调，提高液压系统的效率。1-滑轨；2-主活塞；3-卡瓦及卡瓦座；4-复位弹簧；5-插杆；6-碟形弹簧；7-副油缸夹持器结构示意图1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术2）钻机主要部件简介：④给进装置及机架钻机的给进装置功能：A.可以实现回转器的往复移动，完成起、下钻具工序和在钻进过程中控制孔底压力满足钻头连续破岩的要求；B.孔内出现事故时能进行强力起拔。钻机的给进装置构成：由2个双杆油缸并列安装构成，活塞杆固定在机身两端的挡板上，有效地利用机身的长度和宽度，并增加了机身的刚度；缸筒沿活塞杆往复运动，改善了缸筒的导向性，延长了油缸的使用寿命。油缸的挡环插入拖板的马蹄形挡块之间，装拆方便。机架用于安装给进装置，起支撑作用，承受钻机给进、起拔时的反作用力和回转时的翻转扭矩。机架由前后立柱和调角油缸等部件组成。通过调角油缸调节机身角度来满足钻孔倾角的要求。1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术2）钻机主要部件简介：⑤液压步履机构用途：钻机常常要在一个钻场施工数个钻孔，为便于就近搬迁，减轻劳动强度，缩短施工准备时间，在几种深孔钻机上配备了带中心转向的液压步履机构。构成及其作用：液压步履机构由支腿油缸、平移油缸、中心转向油缸、上下底盘等部件组成。上下两层底盘之间设有滑轨。支腿油缸和上述主机各部件都安装在上盘上；在下盘中部装有中心转向油缸。上下盘之间装有平移油缸，其缸筒和活塞杆分别与上盘和下盘铰接。通过操纵台控制支腿油缸和平移油缸交替动作即可完成主机的前后步移。当需要转向时，可操纵中心转向油缸使主机整体升离地面，通过人力直接推动主机转向。转到所要求的位置后，再使整机落下。为在钻场能牢固安装钻机，在上盘侧面对称布置4个单体液压支柱的支座。在钻机的方位调整好以后，顶紧单体液压支柱。有支座的夹持即使支柱松动也不会翻倒砸伤人。1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术2）钻机主要部件简介：⑤液压步履机构1-——回转器；2——给进装置及机架；3——夹持器；4——液压步履机构主机结构示意图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500～1000m全液压坑道钻机型号ZDY6000S(MK-6)ZDY8000SZDY10000S(MK-7)额定扭矩/N.m6000~16008000~210010000~2600额定转速/r.min-160~21045~16035~130最大起拔/给进力/kN190/250给进/起拔行程/mm1000主轴倾角/o-10~10给进/起拔速度/m.S-1主副泵合流给进0~0.25副泵给进0~0.05液压系统额定压力/MPa主油泵28副油泵21电机功率/kw7590油箱有效容积/L280配套钻杆直径/mm73/8989总质量/kg5600主机外形尺寸（长X宽X高）mXmXm2.66X1.43X1.921、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术2）钻机（1）近水平深孔500～1000m全液压坑道钻机型号ZDY3500L定向钻机注最大钻进深度＞1000m测斜精度：倾角：±0.1°；工具角：±0.5°终孔直径/mm96额定扭矩/N.m1挡最大输出扭矩35002挡最大输出扭矩2750输出转速/rpm1挡10-9002挡10-1200最大起拔/给进力/kN160主油泵额定压力/MPa29额定流量L/min180电机功率/kw90kw1140v/660v油箱有效容积/L280配套钻杆直径/mm70/89总质量/kg14000主机外形尺寸（长X宽X高）mXmXm4000x2183x1660mmZDY3500L定向钻机特点：1、精确的测斜定位系统，对钻进轨迹的倾角、方位角、工具面角、温度等参数，可进行实时准确的检测和显示，以便钻手及时调整施钻参数，确保实际钻进轨迹与设计相符。2、给进系统，采用液压与链条结合传动，其具有结构紧凑、力传递平稳、进给行程加倍等特点。3、前后夹持装置，采用密闭式夹持机构，利用强力弹簧和环形液压缸来实现钻杆的夹紧与放松，具有松、紧速度快，精度高，同步性好，同轴度高且夹紧可靠等特点。4、特殊合金钢、特殊热处理的柔性钻杆，其强度高，韧性好，可实现复杂的定向钻进轨迹，具有通缆结构，结合定向钻进工况，钻杆采用特殊螺纹连接，密封性好，入扣容易，不粘扣，强度高，可有效减少断杆事故的发生。5、稳定可靠的孔底动力，孔底螺杆马达采用国内和国际知名品牌，具有效率高、稳定性好、寿命长以及输出转速范围宽和扭矩大等特点。6、高强度的焊接机身，采用计算机辅助设计并经过有限元分析进行结构优化。机身全部采用高强钢板制造，保证了机身在复杂工矿下的强度和刚度要求。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500～1000m全液压坑道钻机型号ZDY3500F定向钻机注最大钻进深度＞1000m测斜精度：倾角：±0.1°；工具角：±0.5°给进模块(3300×1470×1150mm）重4t;动力模块(3520×1400×1200mm)重2.5t;控制模块(2690×1300×1720mm)重1.8t。终孔直径/mm96额定扭矩/N.m1挡最大输出扭矩35002挡最大输出扭矩2750输出转速/rpm1挡10-9002挡10-1200最大起拔/给进力/kN160主油泵额定压力/MPa29水泵额定压力/MPa7电机功率/kw90kw1140v/660v油箱有效容积/L280配套钻杆直径/mm70/89总质量/kg14000主机外形尺寸（长X宽X高）mXmXm4000x2183x1660mmZDY3500F定向钻机特点：1、测斜精度高。采用先进的石英加速度计和磁通门传感器，分别对重力加速度、大地磁场的变化进行测量，确定钻进轨迹，以保证精确造斜或纠偏。运行稳定、能耗低，精度达到0.5°，高于国内同类产品。2、孔位靶向性好。特殊设计的钻杆，柔性好、强度高、重量轻。靶向精度高，有效减少定向钻孔的参数调整次数，提高钻孔精度和效率。3、输出扭矩大。动力头两档机械变速，输出最大扭矩为3500Nm，高于国内外同类产品。预开孔能力强，并减少定向钻孔时出现抱卡钻现象。4、可多功能钻孔。除进行孔底马达定向钻孔外，还可进行孔口回转螺旋钻孔，输出扭矩能够满足常规钻孔需要。另外还具有勘探取芯功能，可完成煤层取样工作。5、系统配置高。液压系统元件全部采用国际或国内知名品牌，三联液压泵具有负载敏感功能。测斜系统采用高端元件，孔底马达可选国内或国际知名品牌。6、巷道适应性强。整机分为动力模块、操纵模块和给进模块，可实现分块下井，单独运输，且现场摆放灵活。7、施钻范围大。给进机构可双向旋转，施钻可调角度为±90°，能360°全方位全角度施钻。8、附属设备齐全：封口器、气水分离器、拌浆装置、注浆泵、取芯绞车、打捞工具等。该机可解体为三大模块：控制模块；给进模块）；动力模块。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（φ=150~200mm）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.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、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8~19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Φ300mm，终孔孔径Φ150mm，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#–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5~7°。1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术ZDY8000S/ZDY10000