碎软煤层气动定向钻进技术在青龙煤矿的应用.pdf

工矿自动化 Indus t rya nd MineAut o ma t io n 第46卷第10期 2020年10月 Vo l. 46 No . 10 Oct . 2020 文章编号；1671 251X202010 001406DOI10. 13272/j. issn. 1671251x. 2020070056 碎软煤层气动定向钻进技术在青龙煤矿的应用 孔庆军褚志伟 1兖矿贵州能化有限公司贵州贵阳550081； 2.中煤科工集团西安研究院有限公司陕西西安710077 扫码移动阅读 摘要针对现有碎软煤层回转钻进技术存在成孔深度浅、钻孔轨迹不可控、钻进效率低和瓦斯抽采效果 差等问题，提出采用气动定向钻进技术进行碎软煤层瓦斯抽采钻孔施工气动定向钻进技术以井下防爆空 气压缩机输出压风为钻进动力和排渣介质；利用有线随钻测量装置随钻获取钻孔轨迹参数；应用压风监控装 置实时监测供风压力、温度和流量等参数，为孔内工况判断提供依据；应用压风除尘装置对孔口煤尘进行分 级净化以实现煤尘高效处理。在兖矿贵州能化有限公司青龙煤矿21608运输巷南段钻场开展了现场试验, 在普氏系数为0.37的碎软煤层中采用气动定向钻进技术施工定向钻孔，最大孔深为345 m,单班平均有效 进尺比普通回转钻孔提高了 30以上；单孔平均瓦斯抽采体积分数保持在70左右，与普通回转钻孔相比 提高了 60左右；钻场主管路平均瓦斯抽采体积分数为71. 2，平均瓦斯抽采纯量达4. 0 m3/min，累计抽 采瓦斯11. 5万m3 ,有效覆盖了 300 m待掘巷道瓦斯抽采区域气动定向钻进技术具有钻孔轨迹可控、成孔 深度大、钻进效率高和瓦斯抽采效果好的优势，可应用于碎软煤层瓦斯区域抽采和采前预抽，为碎软煤层瓦 斯治理提供了新的技术途径。 关键词煤炭开采；碎软煤层；瓦斯抽采；气动定向钻进；钻进装备 中图分类号TD712 文献标志码A Applica t io n o f pneuma t ic direct io na l drilling t echno lo gy f o r so f t -f ra gment ized co a l sea m in Qinglo ng Co a l Mine KONG Qingjun1 , CHU Zhiwei 收稿日期收稿日期020-07-15；修回日期修回日期020-09-27；责任编辑责任编辑盛男。 基金项目兖基金项目兖矿集团重大科技项目YK2017B61O 作者简介作者简介孔庆军1964 男，山东曲阜人，高级工程师，硕士，主要从事煤矿生产管理工作,E-ma ilqxgSkqjSina . cn。通信作者褚志伟 1989- 男，河北廊坊人，助理研究员，硕士，主要从事钻探新技术与装备研发工作，E-ma ilchuzhiweicct egxia n. co m。 引用格引用格式孔庆军,褚志伟.碎软煤层气动定向钻进技术在青龙煤矿的应用工矿自动化2020,46101418. KONG Qingjun,CHU Zhiwei. Applica t io n o f pneuma t ic direct io na l drilling t echno lo gy f o r so f t -f ra gment ized co a l sea m in Qinglo ng Co a l Mine[J . Indust ry a nd Mine Aut o ma t io n,2020,4610 14-18. 1. Ya nkua ng Guizho u Nenghua Co . , Lt d. , Guiya ng 550081, China; 2. Xa n Resea rch Inst it ut e o f China Co a l Techno lo gy a nd Engineering Gro up, Xa n 710077, China Abstract In v iew o f pro blems o f ro t a ry drilling t echno lo gy f o r so f t -f ra gment ized co a l sea m, such a s sha llo w bo reho le co mplet ed dept h, unco nt ro lla ble bo reho le t ra ject o ry, lo w drilling ef f iciency a nd po o r ga s dra ina ge ef f ect , pneuma t ic direct io na l drilling t echno lo gy wa s put f o rwa rd t o ca rry o ut ga s dra ina ge bo reho leco nst ruct io ninso f t -f ra gment izedco a lsea m.Co mpresseda iro ut put byundergro undexplo sio n- pro o f a ir co mpresso r is used a s drilling po wer a nd sla g discha rge medium. Wired mea surement while drilingdev iceisusedt o o bt a inb o reho let ra ject o rypa ra met ers.Co mpresseda irmo nit o ringdev iceisa pplied t o mo nit o r pa ra met ers such a s a ir supply pressure, t empera t ure a nd f lo w ra t e in rea l t ime, which pro v ide ba sis f o r judgment o f wo rking co ndit io n in bo reho le. In o rder t o rea lize ef f icient co a l dust t rea t ment , co mpressed a ir dust remo v a l dev ice is used t o purif y co a l dust in o rif ice. The f ield t est wa s ca rried o ut in drilling f ield o f so ut hern regio n o f 21608 ro a dwa y in Qinglo ng Co a l Mine o f Ya nkua ng Guizho u Nenghua Co . , Lt d. The pneuma t ic direct io na l drilling t echno lo gy wa s a do pt ed t o co nst ruct direct io na l bo reho les in 2020年第10期孔庆军等碎软煤层气动定向钻进技术在青龙煤矿的应用-15 - so f t -f ra gment ized co a l sea m wit h f irmness co ef f icient o f 0.37. The ma ximum bo reho le dept h is 345 m, a nd t hea v era geefect iv ef o o t a geo f singleshif t ismo ret ha n30 highert ha nt ha t o f o rdina ryro t a rybo reho le. The a v era ge ga s dra ina ge v o lume f ra ct io n o f single bo reho le rema ins a t a bo ut 70, which is a bo ut 60 highert ha nt ha t o f o rdina ryro t a rybo reho le.Thea v era gega sdra ina gev o lumef ra ct io no f ma inpipelinein drilling f ield is 71.2, t he a v era ge ga s dra ina ge purit y is up t o 4.0 m3/min, a nd a ccumula t ed ga s dra ina ge v o lume rea ches 115 000 m3 , which ef f ect iv ely co v ers ga s dra ina ge a rea o f 300 m ro a dwa y t o be exca v a t ed. The pneuma t ic direct io na l drilling t echno lo gy ha s a dv a nt a ges o f co nt ro lla ble bo reho le t ra ject o ry, lo ng bo reho le co mplet ed dept h, high drilling ef f iciency a nd go o d ga s dra ina ge ef f ect . It ca n be a pplied t o ga s regio na l dra ina ge a nd pre-dra ina ge in so f t -f ra gment ized co a l sea m, which pro v ides a new t echnica l a ppro a ch o rga sco nt ro linso f t -f ra gment izedco a lsea m. Key words co a l mining ； so f t -f ra gment ized co a l sea m ； ga s dra ina ge; pneuma t ic direct io na l drilling ； drilingequipment 0引言引言 中国煤矿区煤层赋存地质条件复杂，淮南、淮 北、阳泉和贵州等煤矿区普遍分布有碎软煤层，具有 煤体结构破碎、瓦斯含量高、瓦斯压力大、煤层透气 性差等特征，瓦斯治理难度大,煤与瓦斯突出事故多 发，严重影响矿井安全高效生产12。 利用钻孔抽采瓦斯是防治碎软煤层瓦斯事故、 利用瓦斯清洁能源的有效技术途径我国相关 研究机构和企业先后开发了干式螺旋钻进、气动回 转钻进、雾化回转钻进和泡沫回转钻进等技术施工 碎软煤层瓦斯抽采钻孔。王敬国等5应用低转速干 式螺旋钻进技术，有效避免了钻进过程出现喷孔、塌 孔等复杂工况，碎软煤层成孔深度达120 m；赵建国 等6采用高转速干式螺旋钻进技术，与低转速干式 螺旋钻进相比，综合钻进效率提高了 50.8 ；殷新 胜等7提出了中风压空气钻进技术与装备，最大成 孔深度达200 m；冀前辉等8提出了高效泡沫钻进 技术，与中风压空气钻进相比，回转阻力显著降低， 提高了排渣效果。然而，应用现有碎软煤层回转钻 进技术进行钻孔施工时，易钻遇顶底板岩层而被迫 提前终孔，无法实现200 m以上钻孔高效钻进，存 在成孔深度浅、钻孔轨迹不可控、钻进效率低和瓦斯 抽采效果差等问题。 气动定向钻进技术依托随钻测量，实时监测和 ， 技术相 ， 轨迹可控、成孔深度大等优势［910］。气动定向钻进 技术起源和发展于石油与天然气钻探领域11,然而 现有地面石油与天然气钻探领域气动定向钻进技术 无法直接应用于煤矿井下，主要原因包括地面石油 与天然气钻探领域使用的气动螺杆马达规格较大 150 mm以上，而煤矿井下常用螺杆马达为73/ 89 mm， 动 马 于煤矿井 ； 面石油与天然气钻探领域使用的空气压缩机、监控 装置满足地面防爆要求，但不满足煤矿井下防爆要 求;地面石油与天然气钻探领域井眼一般由“直井 段斜井段水平段”组成，煤矿井下钻孔近水平， 成孔结构和钻进工艺不同。本文应用气动定向钻进 技术进行碎软煤层瓦斯抽采钻孔施工，在兖矿贵州 能化有限公司青龙煤矿开展了现场试验。 1气动定向钻进技术气动定向钻进技术 1. 1 基本原理 定向钻机提供钻具回转、给进、起拔动力；以井 下防爆空气压缩机输出压风为动力介质，带动气动 螺杆马达转动破碎煤层，同时压风作为排渣介质，在 钻进过程中携带钻渣向孔口排出；钻进过程中，使用 有线随钻测量装置随钻测量钻孔倾角、方位角和气 动螺杆马达工具面向角等参数，以中心通缆钻杆组 成的有线信号传输信道向孔口传输孔底钻孔轨迹参 数，为钻孔轨迹调整提供依据，使钻孔轨迹在煤层中 沿预设层位长距离定向延伸；利用压风监控装置实 时监测和控制供风参数，实现孔内复杂工况的辅助 判断和安全卸压;利用压风除尘装置分级高效降尘， 可改善施工作业环境，保障钻进安全性。 1. 2 关键技术 1.2.1 煤 长 成 技术 碎软煤层厚度小、起伏大,顺煤层长距离成孔技 术通过自主探查碎软煤层起伏和提钻开分支钻进, 实现煤层起伏的区域预测，保障定向钻孔在预设层 位中顺煤层长距离成孔12。 煤层起伏探查是指在气动定向钻进过程中，间 隔一定孔深30〜60 m,通过调整工具面向角，使 钻孔倾角快速增大，直至钻遇煤层顶板，获取顶板钻 遇点深度和倾角参数，利用全部钻遇点参数预测煤 层起伏变化，为定向钻孔轨迹设计和调整提供依据。 ・16・工矿自动化第46卷 提钻开分支钻进是指在预留分支点的情况下 在 煤 后，提钻一定 预留分 动螺杆马达工 向角至向 角 度，采用低速磨削法施工开分支机械钻速9〜 12m/h。提 分 可 后钻孔 继续在煤层中延伸。 1.2.2复合定向成孔技术 复合定向成孔技术以滑动定向钻进为主、复合 钻进为辅 设 大时，采用滑 动定向 方 ，滑动定向 内 不 ，可 向预定方向延伸；当钻孔 符合设计要 ，采 合 方 稳 「灯，复合 内 定向 驱 动 ，可搅动孔内沉渣，提高排渣效果，避免出现 等 情况，此外，在 夹a ，采〕 合 方式可增大碎岩动力，提高钻进 1. 3 关键装备 1定向钻机。ZDY6000LDCF型履带式全液 压定向钻机 车和泵车两部分组成，均采用履带 车驱动，如图1 ， 合理、钻场适 力 强、操作省力、安全可靠、运输方便等 图1定向钻机实物 Fig. 1 Direct io na l drilling rig 2井下防爆空气压缩机。选用MLGF17. 7/ 1.25-132G型井下移动式防爆空气压缩机，如图2 所示，其额定供风压力为1. 25 MPa ,额定供风流量 大于15 m3/min，供风能力强，满足气动定向 长 成 要。 图2井下移动式防爆空气压缩机实物 Fig2 Undergro und mo bileexplo sio n-pro o f a irco mpress o r 3气动螺杆马达。气动 马达由定 总 成、万向轴总成、传动轴总成组成，如图3所示。定 成 动 马 心 ，决定气动螺 马 出 和转速；万向轴总成由万向轴壳 和万向轴组成，用于将定 成的星形运动转 为同心运动;传动轴总成主要由传动轴、推力轴承 、 动轴壳 等 成， 于 动 马 动力 传递给钻头- 图3气动螺杆马达组成 Fig. 3 Co mpo sit io n o f pneuma t ic screw mo t o r 4 随钻测量装置。YHD2-1000A型有线 随钻测量装 内装置和孔口装置组成孔内装 主要 管，用于 参数;孔口装 置由防 机、防 盘和防爆数据存 等组 成，用于 、处理和显 数据，并可进行 数 和 出操 5 定向钻杆。定向钻杆选用中心通缆钻杆, 定向钻机动力、彳 底 号和输送 冲洗液介质等功能。该 中心通道设置通信组 ，孔内 后可形成 号 通道，向孔 底 参数； 头和 采用摩 擦焊接方式连接，整体强度高，抗扭能力大，可平稳 定向钻机动力，满足碎软煤层瓦斯抽采钻 滑动定向 和复合 等多种成孔工 勺 要 6 定向钻头。定向钻头用于气动定向钻进碎 岩,选用胎 PDC定向钻头。针对碎软煤层排渣 和 空气压力损 要，增大定向钻头的外径和 水眼面积，从而扩大钻杆与钻孔之间的环状间隙，确 排渣通畅； 头水眼和切削齿 ，减少对 动，及时冷 头；保径设计为窄翼 J , 提高钻头的侧向切削能力和 排渣效果。 7 设 设 主要 压 风监控装置和压风除尘装置压风监控装置在气动 定向 程中实时监 风压力、温度和流量等 参数，为孔内工况判断提 ，同 液 ，可处理孔内煤体自燃情况；压风除尘装置主要 通、一 尘器和 尘 成，可对孔 煤尘进行分级净化，实现煤尘高效处理。 2现场试验现场试验 2.1 矿 青龙煤矿位于贵州省西北部黔西县，矿井区域 内地质构造 ，整体上处于北东向的格老寨背斜 翼，发育多组逆断层，含煤岩系为二叠系上统 龙潭组「14。矿井开拓方式为斜井 ，设 力为120万t /a ,可采煤层为16号、17号局部可 采、18号煤层，平均可采厚度分别为2. 88,1. 20, 3 18 m 现场试验位于矿井二采区16号煤层，煤层倾角 2020年第10期孔庆军等碎软煤层气动定向钻进技术在青龙煤矿的应用・17・ 为4。左右，煤体普氏系数为0. 37,平均瓦斯含量为 15. 62 m3/t,最大瓦斯压力为1. 73 MPa ,平均透气 性系数为7. 61 m2/（MPa2 - d）,为碎软突出煤层。 煤体结构相对简单，一般不含或含1〜2层夹石干，多 数夹a厚度在0. 40 m以下，夹a厚度变化规律不 明显；顶板以粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩为主,底板以 黏土岩为主，并富产植物化石。 青龙煤矿主要采用“底抽巷底板梳状钻孔 普通回转钻孔”方式进行碎软煤层瓦斯区域抽采和 采前预抽「15）。碎软煤层瓦斯区域抽采通过在底抽 巷内应用随钻测量定向钻进技术施工底板梳状钻 孔，主孔布置在底板内，分支孔进入煤层后沿煤层走 向延伸，进行巷道开拓前瓦斯超前抽采，由于主孔在 岩层内且分支孔数量多，需要开拓专用底抽巷，存在 无效孔段长、钻进效率低和施工成本高等问题。碎 软煤层瓦斯采前预抽通过在待回采工作面两侧巷道 内 技术对向 工普通 轨迹不可控，极易进入顶底板岩层而提钻终孔，钻孔 搭接区域遗留瓦斯抽采盲区，存在钻进工程量大、钻 进效率低和瓦斯超抽采效果差等问题。 试验钻场位于二采区西南翼21608运输巷南 段。井下防爆空气压缩机放置在主进风巷联络巷 内，距离试验钻场80 m,供风距离短，压风损失小, 供风参数满足气动定向钻进长距离成孔需要。 2. 2 施工方案 试验钻场设计施工9个气动定向钻孔，设计钻 孔轨迹沿16号煤层走向延伸，目标孔深300 m,孔 径108 mm，间距4.5m,以覆盖300 m待掘巷道及 两侧15 m范围内瓦斯抽采区域。 试验钻孔由开孔段和定向孔段组成。开孔段长 度为12 m,开孔段回转钻进至孔径108 mm,二开 孔段回转扩孔至孔径153 mm,三开孔段回转扩孔 至孔径193 mm,开孔段全孔下入）120 mm PVC套 管，采用“两堵一注方式固孔。定向孔段采用气动 定向钻进钻具施工，钻具主要包括）108 mm定向钻 头、）7 3 mm气动螺杆马达、）7 6 mm无磁钻杆、 ）76 mm探管外管（内部安装有YHD2 1000T（A） 随钻测量装置探管）、）73 mm通缆钻杆和）73 mm 大通孔送风器。试验钻孔全孔段下入护孔筛管，防 止孔壁坍塌堵塞钻孔，保证瓦斯抽采效果。 试验 在煤 易 底 岩层,增加无效孔段长度；随钻测量装置距离钻头 6 m左右，钻孔轨迹数据测量具有一定的滞后性，加 大了轨迹精准控制的难度，不利于钻孔沿煤层长距 离延伸。因此，沿煤层中上部位置布置钻孔，以便为 提 足 空 ； 煤 长 成 孔技术，每隔30〜60 m主动抬升钻孔倾角以探查 煤层顶板，预测煤层走势，为钻孔轨迹调整提供依 据,保障钻孔沿煤层长距离延伸。 试验钻孔延伸距离长，施工过程中由于煤层松 软破碎，钻渣易在孔底沉积造成钻头重复破碎，降低 钻进效率;钻渣易在运移过程中沉积,增大孔内摩擦 阻力的同时,加大了孔内沉渣卡钻的风险。因此，采 用“压风排渣复合搅渣”的钻渣排出方式，即在压 风携带钻渣的同时，利用钻机回转钻具搅动孔底和 运移通道内的钻渣，减小钻渣沉积量，有助于提高钻 进效率和安全性。 2. 3 结果分析 试验钻孔施工统计见表1,可看出最大孔深为 345 m,孔深达300 m以上钻孔成孔率约为67，总 进尺3 599 mo实钻轨迹平面如图4所示。 表1试验钻孔施工统计 Ta ble1 Co ns t ruct io nst a t ist icso f t est bo reho les 1号 钻孔编号孔深/m/m终孔原因 1 117323 钻遇断层破碎带 2 318618 达到目标孔深 3 243243 钻遇断层破碎带 4 345528 达到目标孔深 5 261381 钻遇断层破碎带 6 333333 达到目标孔深 7306 306 目标 8330 306 目标 9 312561 目标 9号 图4试验钻孔轨迹平面 ・・・・气动钻进技术 回转钻讲持术 Fig.4 Test bo reho lest ra ject o rypla ne 分别应用气动定向钻进技术和回转钻进技术施 工 单 对 图5 o 可看出 回转钻进技术相比，应用气动定向钻进技术施工钻 单 平 提高 30 上 明显提 o 20 - --------1-------1--------1---------1--------1 1 2 3 4 5 6 班次 图5有效进尺对比 Fig.5 Co mpa riso no f efect iv ef o o t a ge ・・18・ ・ 工矿自动化 第46卷 试验钻场于2020年5月9日接入瓦斯抽放管 路进行抽采，单孔瓦斯抽采结果如图6所示。。可看 出单孔平均瓦斯抽采体积分数保持在70左右，与 普通回转钻孔相比提高了 60左右。。抽采过程中， ， 单孔平均瓦斯抽采纯量达0. 4 m3/min,为普通回转 钻孔单孔平均瓦斯抽采纯量为0. 03 m3/min的 10倍以上。截至2020年6月7日，钻场主管路平 均瓦斯抽采体积分数为71. 2，平均瓦斯抽采纯量 达4. 0 m3/min,累计抽采瓦斯11. 5万m3。 。 测点 图6单孔瓦斯抽采体积分数对比 Fig. 6 Co mpa riso n o f ga s dra ina ge v o lume f ra ct io n o f singlebo reho le 3结论结论 1 气动定向钻进技术以井下防爆空气压缩机 输出压风为钻进动力和排渣介质，利用有线随钻测 量装置随钻获取钻孔轨迹参数，应用压风监控装置 实时监测供风压力、温度和流量等参数，为孔内工况 判断提供依据，应用压风除尘装置对孔口煤尘进行 分级净化以实现煤尘高效处理，具有钻孔轨迹可控、 成孔深度大、钻进效率高和瓦斯治理效果好的优势， 可提升碎软煤层瓦斯治理水平。 。 2 应用气动定向钻进技术在青龙煤矿21608 运输巷南段钻场施工定向钻孔，最大孔深为345 m， ， 单班平均有效进尺比普通回转钻孔提高了 30以 上;单孔平均瓦斯抽采体积分数保持在70左右， ， 与普通回转钻孔相比提高了 60左右；钻场主管路 平均瓦斯抽采体积分数为71. 2，平均瓦斯抽采纯 量达4. 0 m3/min,累计抽采瓦斯11. 5万m3，有效 覆盖了 300 m待掘巷道瓦斯抽采区域。 。 参考文献References 1 李冬，彭苏萍，杜文凤，等.煤层瓦斯突出危险区综合 预测方法J .煤炭学报2018,432 466-472. 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