煤矿井下定向钻进技术

目录第一章煤矿井下随钻测量定向钻进技术……………………………1第二章钻探工艺及坑道钻探…………………………………………11第三章定向钻进原理与应用…………………………………………23第四章ZDY6000LD履带式全液压坑道钻机的结构…………………33第五章ZDY6000LD型履带式全液压坑道钻机操作规程……………35第六章螺杆钻具简介………………………………………………47第七章孔口监视器组成及监测软件的应用…………………………57第八章随钻测量系统——探管………………………………………65第九章煤矿井下定向钻孔轨迹设计…………………………………73第十章煤矿井下定向钻进轨迹控制…………………………………83第十一章ZDY系列全液压钻机………………………………………89第十二章矿用地质钻杆………………………………………………97第十三章钻头分类及其合理选择与应用…………………………101第十四章煤矿井下定向钻进系统使用与操作规程………………109中煤科工集团西安研究院钻探所煤矿井下随钻测量定向钻进技术定向钻进定义•石油钻井中定向钻进的定义：沿着预先设计的井眼轴线钻达目的层的钻井方法。•地质勘探中定向钻进的定义：利用钻孔自然弯曲规律或采用人工造斜工具，使钻孔按设计要求进行延伸钻到预定目标的一种钻进方法。•与常规钻进的区别：定向钻进设计有特殊的轨迹；应研究和利用地层自然弯曲规律、钻孔控制理论。随钻测量定义•随钻测量简称MWD，是定向钻进中一种先进的技术手段，可以不间断定向钻进而测量近钻头孔底某些信息，并将信息即刻传送到孔口的过程。煤矿井下随钻测量定向钻进技术技术定义：在煤矿井下利用随钻测量获取近钻头孔底信息，采用专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煤层的一种钻探方法，即根据随钻测量获取的孔底信息有目的地将钻孔轴线由弯变直或由直变弯的钻进技术。煤矿井下随钻测量定向钻进分类本煤层定向孔煤矿井下随钻测量定向钻进技术适用于普氏硬度系数大于等于1（f≥1）的较完整煤层，但不能在煤层断层带或煤层陷落柱区域内钻进。a单孔抽放b主孔与分支孔联合抽放（羽状分支孔）煤矿井下随钻测量定向钻进分类梳状定向孔煤层硬度系数较小，煤质松软，在煤层中难以成孔，采用梳状钻孔进行瓦斯抽放。梳状钻孔技术是通过在目标煤层上（下）较稳定岩层施工水平长钻孔，并进行分支穿入煤层，实现对难成孔松软煤层的瓦斯长期有效抽采。1煤矿井下随钻测量定向钻进分类穿层定向孔煤层硬度系数大于1，上下两煤层的夹岩厚度小于5m，岩层可钻性好，岩性完整不易出现缩径、卡钻、塌孔埋钻等现象。采用穿层定向孔可节省开掘巷道等开支，创造可观的经济效益。技术用途技术用途技术用途安全生产安全生产瓦斯为能源瓦斯为能源节能高效节能高效障碍探查障碍探查为什么要施工煤矿井下随钻测量定向钻孔?安全瓦斯抽放：通过定向钻孔有效的抽放瓦斯，可以确保在较短的时间内完成瓦斯抽放任务，减少和避免潜在的事故，保障煤矿安全生产。安全节能高效相对普通瓦斯抽采钻孔，定向钻孔具有煤层段长、可开分支孔等优点，瓦斯抽采区域大，抽采效率高。降低生产成本在煤层条件允许的情况下，可进行穿层定向孔施工，节省开掘巷道等开支，创造可观的经济效益。-14.00-12.00-10.00-8.00-6.00-4.00-2.000.000.0050.00100.00150.00200.00250.00300.00350.00400.002探查障碍定向钻进技术是在现存或废弃的老工作区域与新的开发区域之间中探索障碍最有效的工具。可绕过陷落柱、断层等危险区域，进入瓦斯抽采区。定向钻进技术可探查煤层地质情况。探查障碍利用瓦斯作为能源与常规钻进技术相比，定向钻进技术配合有效的瓦斯抽放技术可以从煤层中抽采较高浓度的瓦斯，作为能源使用，而不是排放到大气中。随钻测量定向钻进设备组成设备组成：1.定向钻机2.钻杆3.钻头4.泥浆泵5.螺杆钻具6.随钻测量系统定向钻机定向钻机：ZDY6000LD、ZDY6000LD(A)、ZDY4000LD3定向钻机ZDY6000LD(A)钻机为整体式布局，由主机、电机泵组、操纵装置、履带车体、稳固装置、电磁起动器、泥浆泵八大部分组成，各部分之间用高压胶管和螺栓连接。定向钻机特点定向钻进钻机一体化设计；先进的负载敏感液压控制技术，优化油路设计，可以同时满足大直径回转钻进(6000Nm)和定向钻进(3000Nm)的需要；关键液压件引进，保证钻机的工作可靠性。ZDY6000LD（A）型钻机主要技术参数该钻机研制主要针对施工800m以内近水平大直径瓦斯抽放孔。为适应用户对精确定向钻进的需求，设计了孔底动力钻进时主轴制动装置。整机配套钻杆直径/mm73/89/95钻机质量/kg10000运输状态外形尺寸（长×宽×高）/mm3500×2200×1900回转器额定转速/(r/min)50～190定向钻进主轴制动力矩/Nm1000额定扭矩/Nm4000额定转速/r/min70～240主轴制动转矩/Nm1000ZDY6000LD(A)型钻机主要技术参数行走装置最大行走速度/(km/h)2.5爬坡能力/°20给进装置主轴倾角/°-10～20最大给进/起拔力/kN180行程/mm1000额定压力/MPa21电动机额定功率/kW90泥浆泵流量/(L/min)120～350压力/MPa10～5.5钻杆φ73通缆钻杆、φ73mm无磁钻杆钻杆钻杆尺寸：外径为73mm，内径为59mm，而两端接头的外径为75mm，内径为55mm主要技术参数1)能够进行螺杆钻具定向钻进(内径≥55mm)；2)具有传输随钻测量信号的能力；3)能够进行大直径钻孔回转钻进(扭矩≥3000Nm)；4)具有施工近水平分支孔的能力；5)钻杆抗拉强度≥950kN，抗扭强度≥6000Nm。4钻头Φ96mm胎体式金刚石复合片钻头Φ94mm/Φ153mm扩孔钻头泥浆泵3NB300型泥浆泵泥浆泵3NB300型泥浆泵主要技术参数121296压力（MPa）96149194300流量（L/min）6094122189泵速（r/min）慢档快档档位卧式三缸单作用往复柱塞泵型式螺杆钻具螺杆钻具主要由螺杆马达（定子、转子）总成、万向轴总成、传动轴总成三部分组成。泥浆泵高压水驱动马达回转，马达带动钻头回转碎岩。在导向钻进时，钻杆不转，仅钻头回转碎岩，钻机提供钻压。螺杆钻具结构螺杆钻具特点a.能够满足定向钻进的需要；b.工作性能稳定，工作基本参数能够满足配套机具的要求；c.使用寿命长。5随钻测量系统孔底马达和钻头下无磁钻杆送水器上无磁钻杆钻杆测量探管监视器高压送水胶管通讯电缆YHD1-1000随钻测量系统连接示意图测量探管测量探管短节及电池筒功能：测量探管参数：倾角、方位角、工具面等探管测量参数项目测量范围测量精度限制条件倾角－90°～90°±0.2°水平为0，低于水平为-方位角0～360°±1.5°倾角：-80°～80°工具面向角（弯头方向）0～360°±1.5°倾角：-80°～80°探管工作条件环境温度：0℃～40℃；平均相对湿度：≤95％（25℃）；大气压力：80kPa～106kPa；耐水压力：12MPa；允许在甲烷和煤尘，但无破坏绝缘的腐蚀性气体的场合中使用；在无剧烈振动和冲击的地方使用。孔口监视器孔口监视器及匹配电源孔口监视器主要性能参数显示器：16cmTFT液晶平板显示器显示分辨率：640x480象素人机交互：触摸鼠标电源：镍氢电池组，具有过压、过流、欠压的保护功能。防爆形式：矿用本质安全型，防爆标志为EXibI；工作温度：0℃～+40℃；存贮温度：-20℃～+55℃。操作系统：WindowsMillenniumEdition(简称WindowsMe)6确定钻孔空间轨迹确定钻孔轴线空间位置的几何参数1、倾角：钻孔轨迹上某点的倾角是该点的切线与水平面之间的夹角，用α表示。2、方位角：钻孔轨迹上某点的方位角是该点的切线在水平面上的投影与磁北方向之间的夹角，用θ表示，并且从磁北方向开始按顺时针方向计算。3、孔深：钻孔轨迹上某点的孔深是孔口到该点的钻孔轴线的长度。钻孔轨迹计算方法1101110111cos()cos()22cos()sin()22sin()2niiiiiiniiiiiiniiiiXLYLHLααθθθααθθθαα−−=−−=−=++=Δ××−++=Δ××−+=Δ×∑∑∑钻孔轨迹控制原理螺杆钻具的“工具面向角”就是我们通常所说的马达“弯头”朝向。钻进过程中通过改变弯头的朝向，使钻孔实现定向弯曲变化。螺杆钻具工具面向角与弯头朝向对应关系。工具面向角0º（360º）弯头向上工具面向角270º弯头向左工具面向角90º弯头向右工具面向角180º弯头向下陕西彬长大佛寺煤矿陕西长武亭南煤矿一、二期神华宁煤汝箕沟煤矿、金能公司二矿山西焦煤西山煤电屯兰矿、杜儿坪矿晋城煤业集团成庄矿、寺河矿阳泉煤业集团石港煤矿山西焦煤汾西矿务局贺西矿、双柳矿推广应用情况实例——陕西彬长亭南煤矿试验东翼轨道巷113工作面二号联络巷东翼回风巷东翼胶带巷113回风顺槽运料道113运输顺槽113回风顺槽113工作面一号联络巷1-3分支孔1-1分支孔1#主孔2#主孔2-1分支孔1-2分支孔1#主孔终孔深度1046m，创造了当时我国煤矿井下瓦斯抽放水平定向钻孔的最高记录，并施工3个分支孔，1-1分支和1-3分支从回顺巷道中靶穿出；2#主孔深度822m，施工1个分支孔，从运顺巷道中部中靶穿出。钻进最高时效26.4m/h，平均进尺160m/d，终孔直径96mm。在1000m的设计目标位置，钻孔纵向偏差不足1m，横向摆动不超过8m，体现出了我国定向钻进装备和工艺的最高水平。4.24.2陕西长武亭南煤矿一期陕西长武亭南煤矿一期74.24.2陕西长武亭南煤矿一期陕西长武亭南煤矿一期2008年6月，在陕西长武亭南煤矿二盘区107工作面2＃联络巷的现场，完成主孔一个，分支孔两个。主孔深度810m,分别从524m和414m侧钻开分支孔，分支孔深度190m和186m，终孔孔径96mm。整个钻孔施工由矿方人员操作，基本按设计轨迹定向钻进。陕西长武亭南煤矿二期2008年8月至2009年6月在神华宁煤汝箕沟煤矿534工作面、32213工作面和32215工作面利用随钻测量定向钻进技术施工定向钻孔，总进尺19868.5m。在534和32213工作面施工钻孔总进尺为12868.5m，共施工了1号、2号和3号三个钻场中的47个孔，最大月进尺2308米，最深孔深457米（2号钻场2#钻孔），最大单班进尺108米，最大穿煤率96.7%（2号钻场5#钻孔，且实钻轨迹与设计轨迹吻合良好），单孔连续穿煤最长距离为369米（2号钻场3#钻孔）。在32215工作面施工总进尺7000米，施工10个主孔，14个分支孔，最深孔深762m，穿煤率100%。宁煤汝箕沟煤矿宁煤汝箕沟煤矿534534工作面工作面2#2#钻场设计与实钻轨迹平面图钻场设计与实钻轨迹平面图金能公司二矿2008年10月至2009年1月金能公司在3262工作面南端1#钻场施工2个主孔和25个分支孔，其中主孔分别是13#孔和补12#孔，在13#主孔中施工13个分支孔，在补12#主孔中施工12个分支孔。补12#孔共施工进尺1100米，其中主孔深为582米，分支孔深度为518米。13#孔共施工进尺1294.3米，其中主孔深度为680.7米，分支孔深度为613.6米。截至2009年4月底在金能公司二矿已完成定向钻孔11782.5m，平均纯钻速可达25m/h以上，钻孔瓦斯浓度均大于50％。晋城煤业集团成庄矿2009年1月至2009年6月晋城煤业集团成庄矿在5309工作面2巷、3巷施工14个定向钻孔，78个分支孔，施工总进尺15939米，开孔孔径153mm，终孔孔径96mm，其中主孔最大深度540米，分支孔最大深度411m。8施工305-1#钻孔，2010年5月29日中班开孔，6月9日早班终孔，主孔孔深为744米，共探顶6次，探到煤层底板3次，2个分支孔，孔深分别为54米，102米，总计孔深1242米，穿煤率为98%（且实钻