顶板大直径钻孔定向钻进技术优化研究与应用
发布时间：2021-08-03 03:17
寺河矿是我国乃至世界罕见的高瓦斯矿井,采用顶板高位大直径定向钻孔对工作面采空区和上隅角瓦斯进行治理,通过数值模拟研究确定合理的钻孔直径为153 mm,为解决传统的定向钻孔钻进工艺存在的诸多缺陷,提出将常用的滑动定向钻进与复合钻进工艺相结合的新型钻进工艺方法,并设计其在寺河矿5301工作面进行应用,现场应用的监测结果表明,新型复合钻进工艺提高机械钻速30%以上,钻孔轨迹平均弯曲强度（曲率）较小,为顶板大直径定向钻孔的高效钻进提供了可靠保障。
【文章来源】：煤炭与化工. 2020,43(02)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
5301工作面平面布置
高位大直径定向钻孔抽采瓦斯与常规煤层钻孔抽采瓦斯有着本质区别，如图2(a）所示，工作面后方采空区内的瓦斯通过上覆岩层中的裂隙向上运移，通过高位钻孔抽出工作面，高位钻孔可视为1条瓦斯抽采管道，孔底连接采空区，孔口与工作面瓦斯抽采系统相连，孔底气压为井下大气压力（约103kPa），孔口压力为实际抽采压力（一般为13～25kPa），钻孔的直径对于采空区瓦斯的抽采效果非常关键，根据高位大直径定向钻孔瓦斯抽采模型，在已知抽采压力、钻孔深度的情况下，通过“Pipe flow3D”软件对孔深500 m，孔径分别为96、113和153 mm的钻孔进行模拟计算，得出3种孔径钻孔瓦斯抽采流量随孔口与孔底压差变化的流量变化曲线，如图2(b）所示。图2(b）中阴影部分为寺河煤矿瓦斯抽采孔口实际压力降范围（13～25 k Pa）。由图可知，在孔深、孔底抽采负压一定的情况下，随着高位钻孔直径的增大，瓦斯抽采流量也不断增大，φ96 mm的钻孔平均抽采能力约为5.0 m3/min，φ113 mm的钻孔抽采能力约为7.5 m3/min，同比增长50%，φ153 mm的钻孔抽采能力约为17 m3/min，相对于直径113 mm增长了约1.5倍，因此设计寺河矿5301工作面高位钻孔直径为153 mm，并设计采用二次扩孔技术，先进行直径为96 mm钻孔的钻进，再将孔径扩大至153 mm，提高钻孔瓦斯抽采效率。
传统的钻孔定向钻进工艺包括滑动定向钻进和复合钻进2种形式[2-3]，为提高顶板岩层大直径钻孔定向钻进技术的钻进效率，提出复合定向钻进工艺，将滑动定向钻进和复合钻进工艺相结合的新型钻进工艺。传统的滑动定向钻进技术施工过程中，钻头转动的动力来源于高压泥浆，钻头和转子转动，钻具的其余部分仅能沿轴向滑动，螺杆马达工具面可保持一个稳定的方向，原理如图3(a）所示。复合钻进过程中，高压泥浆驱动螺杆马达带动钻头转动，同时，钻机带动钻具回转并向钻具施加钻压，原理如图3(b）所示，但由于螺杆马达的倾角随着其定子的旋转在不断变化，无法实现钻孔轨迹的连续人工控制，钻进的实际应用效果并不理想。复合定向钻进工艺将滑动定向钻进钻孔轨迹控制功能和复合钻进高效及轨迹平滑特点相结合[4]，在钻孔轨迹人工控制的同时发挥复合钻进的技术优势，进而获得理想的钻进效果。2.2工艺流程
【参考文献】：
期刊论文
[1]顶板复杂岩层无线随钻测量复合定向钻进技术[J]. 王鲜,李泉新,许超,方俊. 煤矿安全. 2019(09)
[2]水平定向钻进技术在市政供水管道施工中的应用分析[J]. 梅英军. 住宅与房地产. 2019(24)
[3]空气螺杆钻具在碎软煤层定向钻进中的应用分析[J]. 刘飞,方俊,褚志伟,杨伟锋. 矿业研究与开发. 2019(08)
[4]煤矿井下深孔定向钻进瓦斯抽采技术及应用[J]. 马小敏. 工矿自动化. 2019(08)
本文编号：3318816
【文章来源】：煤炭与化工. 2020,43(02)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
5301工作面平面布置
高位大直径定向钻孔抽采瓦斯与常规煤层钻孔抽采瓦斯有着本质区别，如图2(a）所示，工作面后方采空区内的瓦斯通过上覆岩层中的裂隙向上运移，通过高位钻孔抽出工作面，高位钻孔可视为1条瓦斯抽采管道，孔底连接采空区，孔口与工作面瓦斯抽采系统相连，孔底气压为井下大气压力（约103kPa），孔口压力为实际抽采压力（一般为13～25kPa），钻孔的直径对于采空区瓦斯的抽采效果非常关键，根据高位大直径定向钻孔瓦斯抽采模型，在已知抽采压力、钻孔深度的情况下，通过“Pipe flow3D”软件对孔深500 m，孔径分别为96、113和153 mm的钻孔进行模拟计算，得出3种孔径钻孔瓦斯抽采流量随孔口与孔底压差变化的流量变化曲线，如图2(b）所示。图2(b）中阴影部分为寺河煤矿瓦斯抽采孔口实际压力降范围（13～25 k Pa）。由图可知，在孔深、孔底抽采负压一定的情况下，随着高位钻孔直径的增大，瓦斯抽采流量也不断增大，φ96 mm的钻孔平均抽采能力约为5.0 m3/min，φ113 mm的钻孔抽采能力约为7.5 m3/min，同比增长50%，φ153 mm的钻孔抽采能力约为17 m3/min，相对于直径113 mm增长了约1.5倍，因此设计寺河矿5301工作面高位钻孔直径为153 mm，并设计采用二次扩孔技术，先进行直径为96 mm钻孔的钻进，再将孔径扩大至153 mm，提高钻孔瓦斯抽采效率。
传统的钻孔定向钻进工艺包括滑动定向钻进和复合钻进2种形式[2-3]，为提高顶板岩层大直径钻孔定向钻进技术的钻进效率，提出复合定向钻进工艺，将滑动定向钻进和复合钻进工艺相结合的新型钻进工艺。传统的滑动定向钻进技术施工过程中，钻头转动的动力来源于高压泥浆，钻头和转子转动，钻具的其余部分仅能沿轴向滑动，螺杆马达工具面可保持一个稳定的方向，原理如图3(a）所示。复合钻进过程中，高压泥浆驱动螺杆马达带动钻头转动，同时，钻机带动钻具回转并向钻具施加钻压，原理如图3(b）所示，但由于螺杆马达的倾角随着其定子的旋转在不断变化，无法实现钻孔轨迹的连续人工控制，钻进的实际应用效果并不理想。复合定向钻进工艺将滑动定向钻进钻孔轨迹控制功能和复合钻进高效及轨迹平滑特点相结合[4]，在钻孔轨迹人工控制的同时发挥复合钻进的技术优势，进而获得理想的钻进效果。2.2工艺流程
【参考文献】：
期刊论文
[1]顶板复杂岩层无线随钻测量复合定向钻进技术[J]. 王鲜,李泉新,许超,方俊. 煤矿安全. 2019(09)
[2]水平定向钻进技术在市政供水管道施工中的应用分析[J]. 梅英军. 住宅与房地产. 2019(24)
[3]空气螺杆钻具在碎软煤层定向钻进中的应用分析[J]. 刘飞,方俊,褚志伟,杨伟锋. 矿业研究与开发. 2019(08)
[4]煤矿井下深孔定向钻进瓦斯抽采技术及应用[J]. 马小敏. 工矿自动化. 2019(08)
本文编号：3318816
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