煤矿井下钻探技术与装备--韩士洲

中国煤炭科工集团CCTEG中煤科工集团西安研究院有限公司韩士洲13991970101煤矿井下钻探技术与装备设备选型常规钻进技术定向钻进技术软煤钻进技术简单的事故处理与预防◆◆◆◆◆中国是世界上最早进行钻掘工作的国家，在公元前1世纪我们的祖先已开始有组织地利用冲击钻井来采盐水；提取地层深处的天然气用于燃烧和照明。先民们用传统的方法于清道光6年（1835年）钻成了第一口超1000m的井钻孔的渊源和发展概况中西方早期绳式冲击钻设备与方法对比表对比项目中国卓筒井西方早期冲击钻发明时期钻进方式绳索材质动力井身结构钻头结构至迟1041～1048年冲击竹篾人工、耕牛石、木、竹套管横刃配圆刃1808～1831年冲击钢绳蒸气机木、钢套管一字形凿形岩石的坚固性系数：（称普氏系数f）它区别于岩石的强度，反映的是岩石在组合作用下抵抗破坏的能力。这种反映在组合作用下岩石破碎难易程度的指标比较贴近生产实际情况。设备选型钻孔目的：地质钻孔、抽放钻孔、探放水钻孔、本煤层钻孔、穿层钻孔和设计孔深、钻孔直径地层条件：岩煤层硬度、瓦斯压力、地应力、构造、水敏性等场地条件：巷道断面，设备运输、设备摆放钻探方法：普通钻进、绳索钻进、螺旋钻进、定向钻进经济条件：人为因素：使用顺手厂家实力：质量、服务、配件供应等钻机选型钻机选择钻孔施工中常用钻探设备：目前煤矿井下用钻机生产厂家较多，ZDY(MK)系列钻机规格齐全，钻进能力75m_1000m分体式和履带式全液压钻机设备选型钻具选择：钻具选择依据钻机选型及相应的钻探方法而定，钻杆有普通外平钻杆、大叶片螺旋钻杆、宽叶片螺旋钻杆、三棱钻杆、绳索取芯钻杆、通缆式钻杆、组合钻具等设备选型钻头选择：依据钻探方法及地层条件设备选型硬岩钻进钻头弧角胎体钻头切削自由面大、切削齿数量多，更适于硬岩钻进采用分层、错峰布齿，布齿更加均衡合理镶焊优质、抗冲击性能好的面包片PDC复合片，具有很高的耐磨和抗冲击性孕镶钻头钻进时，胎体的磨损速度应适当超前于金刚石的磨损速度，使金刚石不断出刃—磨削PDC钻头、硬质合金钻头和表镶金刚石钻头碎岩方式是压入岩石体积破碎—切削金刚石（复合片）钻头破碎机理常规钻探技术与装备金刚石（复合片）钻进取芯钻进泥浆、清水、空气钻进◆◆◆钻场：风、水、电、平整钻机安装与稳固：安装、调试、稳固钻孔倾角和方位：钻孔开孔定向仪开孔：注意事项正常钻进：注意事项钻孔测量：钻孔轨迹仪金刚石（复合片）钻进YHQ-X(C)全方位钻孔测斜仪使用方法：完孔后送入测量参数名称测量范围均方差倾角-90°～90°±0.2方位角0°～360°±2测斜仪测量参数YZG7矿用钻孔轨迹仪使用方法：边打边测，现场成图参数名称测量范围均方差倾角-90°～90°±0.2°方位角0°～360°±1.5°轨迹仪测量参数YHZ80/360矿用本安型钻机开孔定向仪采用光纤惯导技术，测量钻机开孔指向和姿态，不受铁磁性物质干扰。技术参数：1.方位角测量范围：0°-360°，精度±1°2.倾角测量范围：-80°-+80°，精度±0.5°3.体积：316×114×136mm4.重量：4kg扩孔技术为了满足钻孔提高排采量的需要，要求不改变钻具尺寸的前提下，将孔径由最初的mm扩大至mm以上。金刚石（复合片）钻进钻孔扩孔钻具组合煤矿井下钻孔类型地质勘探孔瓦斯抽放孔(如本煤层、高位钻孔、穿层孔等）探放水钻孔(如排放水孔、煤层注水孔、注浆孔等)其它钻孔金刚石（复合片）钻进地质勘探孔是获得实物地质资料的唯一手段(获取岩芯)，直接影响着判断地质构造、岩层性质、矿产资源及水文地质与工程地质的准确性与可靠性。钻进地层多为岩石，采用金刚石取芯钻进，选用钻机要求钻速较高。ZDY600SGZDY1000G金刚石（复合片）钻进瓦斯抽放孔本煤层钻孔：在煤层中打钻，钻孔倾角和煤层倾角基本一致(一般不超过30°)，钻孔成孔受煤层硬度、瓦斯压力影响较大，但抽放效果好。钻孔布置一般为平行钻孔、交叉钻孔和大孔径长钻孔。钻孔深度视工作面宽度或长度、地层条件而定。金刚石（复合片）钻进平行钻孔：施工简单，对设备要求不高。平行交叉钻孔（平煤、焦作)施工工艺要求高，要求严格控制钻孔方位角和倾角，抽放效果好。大直径平行长钻孔：设备、钻具要求高，成孔工艺复杂，抽放效果好。金刚石（复合片）钻进边掘边抽（探）在经过局域瓦斯抽采后使用的煤巷道掘进工作面的瓦斯抽采措施，可进一步消除突出危险，安全掘进。在地质条件复杂地带，减小钻孔直径，按照煤矿防治水规定，布置钻孔金刚石（复合片）钻进扇形钻孔钻孔间距小，密度大，对于较松软的煤层造成钻孔孔口垮塌，增大封孔难度，但是钻机移动量少，减小劳动强度。钻场之间形成空白带，可用风煤钻补孔。金刚石（复合片）钻进煤层高位钻孔：由风巷向煤层顶板施工钻孔或在煤层顶板内施工大孔径长钻孔，主要作用是以工作面回采采动压力形成的顶板裂隙作为通道来抽放工作面煤壁及上隅角涌出的瓦斯，一般为岩石钻孔，对钻孔要求较高(孔径、孔深、孔斜)。选用设备、钻具因施工方法不同而异。金刚石（复合片）钻进金刚石（复合片）钻进采用高位钻孔必须要求钻孔孔底处于裂隙带中，以收集上邻近层涌向采空区的瓦斯，没有上邻近层时，收集采空区涌向裂隙带的瓦斯。穿层钻孔：由底板或顶板岩石巷道向煤层中施工钻孔，钻孔多呈扇形分布，采用大面积穿层网格预抽，对钻机及操作人员技术水平要求较高选用大角度钻机金刚石（复合片）钻进金刚石（复合片）钻进底板穿层钻孔钻孔向上打，成孔率高，钻孔内不积水对于透气性差的松软煤层，通过冲洗液冲孔，使孔壁周围煤体向孔内膨胀变形，引起煤体开裂，降低地应力和瓦斯压力，增加煤层透气性。优点：提前预抽，对防止巷道掘进突出有重要作用；钻孔成孔率高，抽采时间长，与生产干扰少；钻场设在岩石巷道，避免预抽时揭穿突出煤层。缺点：岩石巷道掘进工作量大，岩石钻孔工程量大。防喷接手在向上钻孔钻进中，钻杆内和钻杆与钻孔环间隙的水会倒流，特别是钻孔较深时，严重影响钻进时效，在钻杆适当的部位加上防喷接手，能够抑制上述现象。影响钻孔弯曲因素多自由度变幅机构，方位角调整±90°、倾角调整范围-90°～+90，调高范围1100mm，调角、稳固过程不需拧卸螺栓，只需操作液压阀手柄即可完成；顶板穿层钻孔钻孔内积水，沉渣，松软煤层成孔困难。但顶板穿层钻孔可作为高位钻孔抽采采空区瓦斯，防止采煤工作面上隅角瓦斯超限。金刚石（复合片）钻进石门揭煤穿层钻孔根据《防治煤与瓦斯突出规定》在石门揭煤前，进行瓦斯预抽金刚石（复合片）钻进＞12m＞12m石门揭煤穿层钻孔探放水钻孔：《煤矿防治水规定》对该类钻孔施工设备及施工工艺要求较严格。专用设备：止水套管长度：排水设施：金刚石（复合片）钻进其它钻孔金刚石（复合片）钻进3100Z-17Z-18Z-19Z-20Z-21Z-22Z-23Z-24Z-1Z-16Z-15Z-14Z-13Z-12Z-11Z-10Z-9Z-8Z-7Z-6Z-5Z-4Z-3Z-2G-32G-33G-34G-35G-36G-37G-38G-39G-40G-41G-42G-43G-44G-45G-46G-1G-2G-3G-4G-5G-6G-7G-31G-30G-29G-28G-27G-26G-25G-24G-23G-22G-21G-20G-19G-18G-17G-16G-15G-14G-13G-12G-11G-10G-930050015007001501507003503005004200300500注浆孔(24个)管棚孔(46个)G-81500开挖线管棚工作室轮廓线1800图1-230管棚支护设计钻孔布置图开滦东欢坨-230管棚注浆孔设计图横贯钻孔（通风、瓦斯抽放管路）1、煤层硬度：f大于0.8以上；2、钻机选型：扭矩4000NM以上型号钻机；3、使用小直径钻头（与钻杆匹配）钻进先导钻孔，然后逐级扩孔到目的孔径。4、钻孔施工结束后在另条巷道内卸掉钻头，反复提拉钻具使钻孔内煤粉尽量靠螺旋钻具主动排除孔外，提出螺旋钻具，再下入钻杆提拉套管。金刚石（复合片）钻进在阳泉新景矿，选用ZDY4000S型钻机Φ89mm外平钻杆和Φ450mm螺旋钻杆，Φ113mm、Φ200mmΦ450mm、Φ600mm合金钻头以机械排屑、多次成孔工艺，施工了3个Φ600mm、孔深30~50m的横贯通风钻孔。金刚石（复合片）钻进和硬质合金钻进横贯通风钻孔ZDY4000S横贯瓦斯抽放管路金刚石（复合片）钻进Φ113mm、Φ200mm、450mm、Φ600mm合金钻头以械排屑、多次成孔工艺，施工孔深20-30m的横贯瓦斯抽放管路钻孔。在神东公司保德煤矿选用ZDY6000L履带钻机，Φ89mm外平钻杆和Φ400mm螺旋钻杆，ZDY6000L取芯钻进取心钻进a绳索取心钻进b单管取心钻进c双管取心钻进单动双管双动双管取芯钻进多用于地质勘探钻孔或穿层钻孔的硬岩(f系数大于10)孔段,多选用高转速钻机。卡取岩心的方法1.卡料卡取法从钻杆投入卡料(小碎石)，卡紧扭断岩矿心，适于完整岩矿层取芯钻进，取心方便，但不可靠。2.卡簧卡取法卡簧（也称提断器）卡取法：稍提钻具,把岩心卡住并拉断。适于硬和中硬、岩心完整、直径均匀岩矿层的金刚石钻进，取心方便可靠。3.干钻卡取法停水干钻一段，让岩粉聚集孔底塞住岩心即可提钻,但有埋、烧钻的危险，适用于硬合金钻软或粘性岩层。取芯钻进单层岩心管钻具——最简单的取心钻具为提高采取率在单管钻具中增加分水投球接头和分水帽。钻进时冲洗液通过分水接头中心孔直接进入岩心管内，活动分水帽呈伞形保护岩心不受冲洗液直接冲刷，且随岩心一起上移。提钻前投入球阀封闭中心水道，在水压作用下球阀下移超过小卡时通水孔被打开，使孔底形成干钻条件。取芯钻进双管钻具：为克服单管钻进时冲洗液对岩矿心的冲蚀。在岩心管内设置内管容纳岩心，冲洗液从二管之间流动，避免对岩心的直接冲刷，保护岩矿心。取芯钻进取芯钻进绳索取心工具钻进中岩心充满岩心管后不需提钻，借助绳索和专用打捞工具从钻杆中把内管及岩心提至地表的取心方法。极大地减少了起下钻具时间，机械化程度高，增加纯钻进时间。钻杆与孔壁间隙小，钻头回转平稳，钻头寿命比普通钻头寿命高一倍左右。泥浆、清水、空气钻进泥浆钻进以泥浆作为冲洗介质，钻进中必须配备泥浆泵和高压胶管，不适合瓦斯抽放钻孔。清水钻进以清水作为冲洗介质a.静压水：适应于孔浅，煤层较稳定的抽放孔b.压力水：极力提倡的排屑方式，泥浆泵大小可根据钻孔直径和孔深所需泵量和泵压配置空气钻进以压缩空气作为冲洗介质。a.井下压风系统风供风；b.移动式空压机供风。压力风施工时注意事项注意孔口返风情况，以防煤与瓦斯燃烧；设置孔口防尘装置，防止粉尘对施工人员的危害。泥浆、清水、空气钻进配备空气钻进配套附属设备，如吸尘装置、高压管路和高压阀门等定向钻探技术影响钻孔弯曲因素螺杆钻具定向钻进稳定组合钻具定向钻进自然弯曲定向钻孔根据地层自然弯曲条件进行钻孔轨迹的设计或移动孔位、改变钻孔倾角或方位角、调整钻进工艺参数，使钻孔基本按设计轨迹钻进延伸或达到钻进目的的钻孔。人工弯曲定向钻孔（受控定向钻孔）采用专用钻具和技术措施，使钻孔基本按设计轨迹钻进延伸，达到钻进目的的钻孔。影响钻孔弯曲因素影响钻孔弯曲因素钻杆与钻头级配由两种或两种以上规格的钻头和钻杆组成。主要用于瓦斯富集、强突条件下的钻孔钻进。钻具前端一级钻头先钻进一个小孔，释放部分瓦斯，后面连接的二级或三级钻头跟着扩孔，释放另一部分瓦斯。通过瓦斯分期释放，达到抑制喷孔和减弱瓦斯突出强度的目的。当钻头遇煤层顶板或底板岩石,且遇层角较小时(小于15°)作用在钻头前方的轴向力明显下降，侧向力增加，利用岩层与煤层可钻性的差异，使钻头在煤层与顶板或地板接触面上钻进，重新回到煤层内。影响钻孔弯曲因素多阶梯导向组合钻具钻头与软硬互层影响钻孔弯曲因素钻进工艺参数选择（钻压、转速和冲洗液量）在近水平钻孔钻进中,钻压不仅保证钻头切削刃切入岩石的作用,而且在使用稳定组合钻具时，还决定着靠近钻头部分钻杆弯曲强度大小,从而影响钻孔