5.煤矿井下防治水定向钻进技术与装备

煤矿井下防治水定向钻进技术与装备中煤科工集团西安研究院有限公司汇报人：李泉新2014●山西2014年山西省煤矿防治水专项技术培训汇报提纲一技术背景二水害防治定向钻进技术原理三定向钻进技术与装备四水害防治定向钻进技术应用五稳定组合钻进技术与装备六钻孔轨迹计算七定向钻进技术装备新进展一、技术背景煤矿水害是指煤矿在建设和开发过程中，不同形式、不同水源的水通过特定的途径进入矿井，并给矿山建设或生产带来影响或灾害的过程与结果，与瓦斯、煤尘、火灾和冲击地压一起是我国煤矿主要五种自然灾害，在事故严重度方面仅次于瓦斯事故和顶板事故。2008-2012年较大煤矿事故死亡人数统计图22008-2012年煤矿事故死亡人数统计图一、技术背景钻机、泥浆泵、钻杆、钻头等；水风做冲洗介质携带岩、煤粉；受到钻具自重的影响，钻孔轨迹自然弯曲；钻孔终孔位置不能确定。常规回转钻进常用钻具组成示意图目前煤矿一般采用常规钻孔进行水害隐患防治。利用钻机回转通过钻杆柱带动钻头回转破碎孔底岩石的钻进方法。其又称为常规回转钻进技术。问题一：常规钻孔钻具级配简单，钻孔轨迹不能控制，钻孔为直孔或斜孔，钻孔钻遇含水层的有效孔段较短，钻遇含水体和裂隙带的几率较低。钻孔多以发散形式布置，易造成防治水盲区。常规回转钻进底板注浆钻孔布置示意图常规回转钻进探放水钻孔布置示意图一、技术背景问题二：常规回转钻进技术不具备轨迹随钻测量装置，不能准确计算异常区位置，如对井下老空积水进行疏放时，需施工很多钻孔，不能保证钻孔进入老空区，不能实现定点探放老空积水。常规回转钻孔探查异常区常规回转钻孔探测老空积水常规回转钻进预测探查点实际探查点一、技术背景一、技术背景问题三：钻孔孔深一般较浅，只能边掘（边采）边进行水害致灾因素探查与治理，在未形成工作面运顺和回顺前，无法实现超前防治水，给煤矿安全高效采煤带来一定的压力。问题四：钻孔工作量大，施工周期长，施钻人员劳动强度高。工作面已形成常规防治水钻孔施工工作面未形成常规防治水钻孔施工巷道巷道切眼钻孔工具面示意图系统连接示意图增倾角稳方位稳倾角增方位降倾角稳方位稳倾角减方位二、水害防治定向钻进技术原理针对现有水害防治与地质异常体探查方法存在的不足，提出利用定向钻进技术进行水害防治和地质异常体探查。剖面轨迹图平面轨迹图1.定向探放水及探查治理老空水以先进的随钻测控技术为依托，通过对实钻钻孔轨迹的实时测量和精确控制，保证定向孔在目的层位延伸或精确中靶，并可进行分支孔施工，提高钻孔覆盖面积，成孔用于疏顶板放水或老空水，减少水害发生概率，保障煤矿安全高效生产。定向孔探放顶板水原理示意图定向孔探放老空水原理示意图二、水害防治定向钻进技术原理在井下主巷道内即可开拓钻场，利用定向钻进技术进行造斜钻进，使钻孔进入欲加固层位并在其内部延伸，成孔后高压注浆，将钻孔钻遇的裂隙填满，形成隔水层。底板注浆加固定向钻孔布置示意图2.工作面底板注浆加固改造二、水害防治定向钻进技术原理3.地质异常体探查钻进参数返渣情况岩层判识轨迹参数轨迹测控轨迹计算确定探测点三维坐标利用定向钻孔主孔施工技术实现远距离超前探查，利用侧钻分支技术在地质异常体附近施工多个角度的分支钻孔，经过轨迹测量可计算出地质异常体的三维坐标，获取地质异常体空间信息。二、水害防治定向钻进技术原理利用造斜工具使近水平钻孔轨迹按设计要求延伸钻进至预定目标的一种钻探方法，即有目的地将钻孔轴线由弯变直或由直变弯。同时随钻测量仪器实时监测钻孔参数，进而确定造斜工具的造斜方向。钻进原理定向钻进过程示意三、定向钻进技术与装备1.定向钻进原理千米定向钻机随钻测量仪器专用定向钻具配套钻进工艺系统组成2.定向钻进系统组成三、定向钻进技术与装备三、定向钻进技术与装备采用了负载敏感传动控制+先导控制的液压系统，节能效果明显，实现了远程控制，具有良好的操控性。钻机在坑道内移动方便。履带式全液压定向钻进钻机(孔深≤800m)ZDY4000LD(A)型全液压坑道钻机ZDY4000LD型全液压坑道钻机3.1定向钻机三、定向钻进技术与装备3.1定向钻机采用了负载敏感传动控制+先导控制的液压系统，节能效果明显，实现了远程控制，具有良好的操控性。钻机在坑道内移动方便。履带式全液压定向钻进钻机(800m≤孔深≤1500m)ZDY6000LD(A)型全液压坑道定向钻机ZDY6000LD(B)型全液压坑道定向钻机三、定向钻进技术与装备3.1定向钻机采用了负载敏感传动控制+先导控制的液压系统，节能效果明显，实现了远程控制，具有良好的操控性。钻机在坑道内移动方便。履带式全液压定向钻进钻机(孔深≥1500m)ZDY12000LD型全液压坑道定向钻机三、定向钻进技术与装备三、定向钻进技术与装备3.2中心通缆钻杆通过钻具中心布设弹性接触式绝缘电缆，既能输送高压水流，又可实现孔底测量探管与孔口监视器信号传输。三、定向钻进技术与装备3.2中心通缆钻杆测量精度：倾角：±0.2°方位：±1.5°工具面：±1.5°3.3随钻测量系统三、定向钻进技术与装备YHD1-1000随钻测量装置（孔口监视器）YHD1-1000随钻测量装置（防爆计算机）YHD2-1000随钻测量装置(信号中继器)YHD2-1000(A)随钻测量装置(孔口供电)实现钻孔轨迹的精确测量、计算及三维显示三、定向钻进技术与装备3.3随钻测量系统三、定向钻进技术与装备3.4泥浆泵泥浆泵是定向钻进孔底切削的动力来源，泥浆泵的性能参数决定钻孔成孔效率。BMW-320泥浆泵BLY260/9履带式全液压泥浆泵车BLY390/12履带式全液压泥浆泵车四、随钻测量复合定向钻进装备系统组成3.5定向钻头Φ96mm胎体式三翼圆角钻头实物图Φ96mm三翼平角型钻头实物图Φ96mm钢体式三翼圆角型钻头实物图Φ120/96mm组合式扩孔钻头实物Φ120mm三翼平角型钻头实物图●无孔底侧向钻进技术●随钻测量定向技术●岩层侧钻分支技术三、定向钻进技术与装备3.6随钻测量定向钻进技术●无孔底侧向钻进技术低速磨削开分支方法反复磨削法开分支方法开分支工艺流程三、定向钻进技术与装备复合定向钻进工艺是在钻进过程中孔底马达切削岩层的同时自身也在钻机回转带动下旋转切削岩层，当随钻测量监测钻孔轨迹偏离设计轨迹时，将钻进方式改为孔底马达定向钻进对钻孔轨迹进行纠偏。复合钻进技术原理三、定向钻进技术与装备提高孔底钻具切削速度，试验表明相对于煤矿井下现有定向钻进工艺可提高机械钻速2-3倍（下石节煤矿试验结果）。钻孔轨迹平滑，钻进过程中钻具阻力小，钻机系统压力小。钻孔弯曲强度小，负压抽采阻力小，有利于孔内煤层气抽采。寺河矿813m定向钻孔复合定向钻进系统压力复合钻进与滑动定向钻进钻孔轨迹全弯曲强度对比三、定向钻进技术与装备1.定向钻孔探放顶板水技术3121工作面地层柱状图施工地点：西北侏罗系裂隙水害——宁煤红柳煤矿3121工作面。水文地质条件：3121工作面主采煤层为二1煤层，煤层上部有两层含水层，上段含水层厚度大于3.37m，下部含水层厚度大于9.32m。试验目的：对直罗组粗砂岩裂隙孔隙含水层进行超前区域探放水。四、水害防治定向钻进技术应用成孔情况：现场试验共施工6个定向孔，5个分支孔，钻孔总进尺达到3363m，最大孔深为594m，最大出水量216m3/h。图中蓝色为施工完成钻孔轨迹，红色为钻孔设计轨迹。红柳煤矿3121工作面探放水定向孔实钻轨迹平面图1.定向钻孔探放顶板水技术四、水害防治定向钻进技术应用成孔情况：施工的6个定向孔，其中2#和4#钻孔布置在含水层下分层中，其余钻孔布置在含水层上分层中，解决了试验区上部两个含水层的水患问题。图中蓝色为施工完成钻孔轨迹，红色为钻孔设计轨迹。含水层上分层探放水3#定向孔实钻实钻剖面图含水层下分层探放水4#定向孔实钻实钻剖面图1.定向钻孔探放顶板水技术四、水害防治定向钻进技术应用3121工作面定向孔放水量图（上左）、水压变化图（上右）和放水情况统计表（下）孔号终孔深度(m)水量水温(°c)水压(Mpa)平均水量(m3/h)终孔水量(m3/h)放水量(m3)终孔目前终孔目前1#45614.79028190.87614181.30.022#45922.912990840.17423180.850.063#48094.1162337744.3161418.210.254#49233.6129111874.30123180.40.135#594120120336442.2561418.510.66#28849.921657308.9618181.20.05合计3363————962400.883————————0500001000001500002000002500003000003500001#2#3#4#5#6#放水量（m3）00.20.40.60.811.21.41#2#3#4#5#6#水压(Mpa)终孔水压放水后水压1.定向钻孔探放顶板水技术四、水害防治定向钻进技术应用与常规钻孔探放水效果比较:定向孔最大出水量216m3/h，终孔时平均出水量133.66m3/h，疏放水周期约7个月时放水962400.883m3，平均放水量为160400.147m3，是临近工作面常规钻孔终孔平均出水量的2.69倍、平均放水量的41.5倍（相同疏放水周期）。钻孔数量个平均钻孔出水量m3/h放水量(m3)总放水量平均放水量定向钻孔6133.66962400.9160400.11121工作面常规钻孔11949.664600003865.546比值0.050422.692.0941.5红柳煤矿定向孔与常规钻孔探放水效果对比表1.定向钻孔探放顶板水技术四、水害防治定向钻进技术应用地点：石炭井焦煤公司一号井位置关系：一、二号井间以F0正断层和Ⅷ勘探线为界，勘探线两侧煤层自上而下留设梯形隔离煤柱，大多数煤层个别地段煤柱小于规定值，且无专门的防隔水煤柱。治理方案：在二号井+970m轨道石门内泄水巷道中距保护煤柱82.6m处布置泄水钻场，施工定向孔精确钻至老空区内巷道进行老空积水疏放，将一号井老空水全部引入二号井排水系统。工程概况四、水害防治定向钻进技术应用2.定向钻孔探放老空积水技术2.定向钻孔探放老空积水技术施工地点：石炭井焦煤公司一号井位置关系：一、二号井间以F0正断层和Ⅷ勘探线为界，勘探线两侧煤层自上而下留设梯形隔离煤柱。大多数煤层个别地段煤柱小于规定值，且无专门的防隔水煤柱。治理方案：在二号井布置泄水钻场，施工定向孔精确钻至老空区内巷道进行老空积水疏放，将一号井老空水全部引入二号井排水系统。四、水害防治定向钻进技术应用石炭井一号井探放老空积水定向孔实钻数据统计表（上）与轨迹平面图（下）共完成4个主孔和4个分支孔，累计进尺2135m，均准确中靶；最大钻孔深度438m，最大放水量130m3/h。孔号主孔孔深（m）分支孔个数（个）分支孔进尺（m）总进尺（m）1438004382426157483342322947174417180497合计1704439921352.定向钻孔探放老空积水技术四、水害防治定向钻进技术应用钻孔初始水量（m3/h）稳定水量（m3/h）疏放周期（天）疏放水量（m3）1#1301201413925922#109501912996163#80501281062004#130120105266592合计449314——1065000钻场采空区内目标巷道石炭井一号井定向孔探放老空积水效果统计表1#定向孔实钻剖面图2.定向钻孔探放老空积水技术四、水害防治定向钻进技术应用2.定向钻孔探放老空积水技术施工地点：白芨沟矿井2521工作面位置关系：2521-2运顺L16点向北152.0米范围和L12点向南62米范围为采空区两个低洼处，因此2521地表注浆水积于该段,在上分层采掘时，该段积水流出，严重影响了正常采掘工作。治理方案：为了精确施工至积水区，排除白芨沟矿2521-2采空区积水隐患，决定采用定向钻进技术进行精确导向钻进，对老空水进行探放。四、水害防治定向钻进技术应用白芨沟煤矿2521工作面老空积水探放定向孔实钻平面图白芨