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碎软煤层顺层自动钻机的研制及应用

矿业安全与环保 2022年第5期49卷 24-28,33页

作者：辛德忠唐敏刘小华中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆400039 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆400037

为解决常规钻机在碎软煤层顺层钻孔中存在的钻孔深度浅、易卡钻、施工扇形孔姿态调整困难等难题,研制了碎软煤层顺层自动钻机。介绍了该钻机的总体结构、参数和液压系统;分析了高转速钻进工况下,影响接卸扣可靠性的关键因素,研究了动力... 详细信息

为解决常规钻机在碎软煤层顺层钻孔中存在的钻孔深度浅、易卡钻、施工扇形孔姿态调整困难等难题,研制了碎软煤层顺层自动钻机。介绍了该钻机的总体结构、参数和液压系统;分析了高转速钻进工况下,影响接卸扣可靠性的关键因素,研究了动力头马达排量自适应调节技术;研究了矩阵式大容量钻杆箱及基于路径规划的双机械手协同送杆技术;分析了影响卡钻的主要因素,形成了自适应防卡钻技术;针对顺层钻孔中扇形布孔的特点,研制了悬置式旋转提升机构。通过现场试验得出:该钻机结构合理、运行可靠,与相关钻具配合,在碎软煤层实施自动化钻孔时,钻孔深度可提升1倍以上。研究成果可为相关煤矿用自动钻机的设计及碎软煤层钻孔施工提供参考。

关键词：碎软煤层顺层钻孔自动钻机机械手钻杆箱大容量

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青龙煤矿碎软煤层顺层定向钻孔钻进试验研究

工矿自动化 2018年第11期44卷 1-6页

作者：李泉新方俊褚志伟刘飞中煤科工集团西安研究院有限公司陕西西安710077

针对青龙煤矿碎软煤层瓦斯抽采钻孔成孔深度浅、轨迹控制精度低及瓦斯抽采效果差等问题,在分析矿井瓦斯地质情况与预抽采方式现状基础上,介绍了采用空气复合定向钻进技术进行顺层定向钻孔施工的原理和关键技术,制定了钻场与钻孔设计、... 详细信息

针对青龙煤矿碎软煤层瓦斯抽采钻孔成孔深度浅、轨迹控制精度低及瓦斯抽采效果差等问题,在分析矿井瓦斯地质情况与预抽采方式现状基础上,介绍了采用空气复合定向钻进技术进行顺层定向钻孔施工的原理和关键技术,制定了钻场与钻孔设计、钻进装备和钻具组合选套、钻进技术要求总结的整体试验方案,并在21608轨道巷迎头钻场进行了顺层钻孔空气复合定向钻进试验。试验结果表明,采用空气复合定向钻进技术可实现碎软煤层内顺层定向钻孔施工,完成7个主孔和2个主分支孔,总进尺为3 929m,最大孔深达406m,300m以上钻孔成孔率达88.9%;试验钻孔瓦斯抽采体积分数均超过68%,平均单孔瓦斯抽采纯量超过1m^3/min,最大单孔瓦斯抽采纯量超过2.55m^3/min,抽采纯量是常规钻孔的10倍以上,瓦斯抽采体积分数提高了50%左右,钻孔成孔与瓦斯抽采效果显著。

关键词：煤矿安全瓦斯抽采碎软煤层顺层定向钻孔空气复合定向钻进

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谢桥煤矿碎软煤层顺层自动钻孔工艺探索

矿山机械 2022年第1期50卷 4-7页

作者：刘小华中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆400039 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆400039

针对在碎软煤层中进行顺层钻孔存在钻孔深度浅、钻进难度大、成孔率低等问题,在淮南谢桥煤矿 21316 工作面运输巷,使用 ZYWL-4000SY 自动钻机在碎软煤层中进行顺层钻孔试验。根据试验情况,对顺层钻孔工艺进行了改进。试验表明,ZYWL-4000... 详细信息

针对在碎软煤层中进行顺层钻孔存在钻孔深度浅、钻进难度大、成孔率低等问题,在淮南谢桥煤矿 21316 工作面运输巷,使用 ZYWL-4000SY 自动钻机在碎软煤层中进行顺层钻孔试验。根据试验情况,对顺层钻孔工艺进行了改进。试验表明,ZYWL-4000SY 自动钻机各系统运行稳定,防卡钻效果显著,适用于碎软煤层中的顺层钻孔,可为煤矿在减人和提高自动化方面提供借鉴和参考。

关键词：碎软煤层顺层钻孔自动钻机工艺试验

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煤矿井下碎软煤层顺层钻完孔技术研究进展

煤田地质与勘探 2021年第1期49卷 285-296页

作者：王力姚宁平姚亚峰王毅张杰方俊魏宏超煤炭科学研究总院北京100013 中煤科工集团西安研究院有限公司陕西西安710077

我国碎软煤层赋存层位多、分布广,普遍存在构造应力复杂、瓦斯压力高、煤体力学强度低、渗透性差等特点,钻进时易塌孔、喷孔、孔壁失稳,导致钻进困难、孔内事故频发、成孔深度浅、钻孔堵塞、存在抽采盲区等问题。随着煤炭开采深度的不... 详细信息

我国碎软煤层赋存层位多、分布广,普遍存在构造应力复杂、瓦斯压力高、煤体力学强度低、渗透性差等特点,钻进时易塌孔、喷孔、孔壁失稳,导致钻进困难、孔内事故频发、成孔深度浅、钻孔堵塞、存在抽采盲区等问题。随着煤炭开采深度的不断增加,碎软煤层瓦斯抽采钻完孔就更加困难。因此,碎软煤层高效、深孔、精准钻进技术以及增透、增产、护孔的完孔技术一直是碎软煤层瓦斯治理的重大技术需求和研究热点。从护孔、排渣、轨迹控制、完孔等成孔的关键技术难题方面,总结了碎软煤层顺层钻完孔技术研究现状和应用情况,分析了目前碎软煤层钻进技术存在的问题,提出了改进完善建议,分析了内控导向式旋转定向钻进技术,多孔介质充填式筛管、折叠膨胀管完孔技术等碎软煤层钻完孔技术新进展,为进一步完善现有碎软煤层钻完孔技术提供了思路。

关键词：煤矿井下碎软煤层瓦斯抽采内控导向式旋转定向钻进筛管完孔

碎软煤层空气定向钻进煤粉运移规律数值模拟研究

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煤矿安全 2022年第3期53卷 175-180页

作者：聂超王毅姚亚峰煤炭科学研究总院北京100013 中煤科工集团西安研究院有限公司陕西西安710077

为研究粒径和风量对煤粉在钻杆与孔壁环空内沉积、运移和分布规律的的影响,以碎软煤层空气定向钻进成孔为背景,利用欧拉-欧拉模型,对压缩空气输送煤粉颗粒形成的气固两相流进行数值模拟。结果表明:风量越大,颗粒粒径越小,煤粉的沉积程... 详细信息

为研究粒径和风量对煤粉在钻杆与孔壁环空内沉积、运移和分布规律的的影响,以碎软煤层空气定向钻进成孔为背景,利用欧拉-欧拉模型,对压缩空气输送煤粉颗粒形成的气固两相流进行数值模拟。结果表明:风量越大,颗粒粒径越小,煤粉的沉积程度越小,对煤粉的输送能力越强,相应的孔底压强越大;在同一风量下,小粒径煤粉主要呈现螺旋线翻滚向孔口输送,大颗粒煤粉则主要位于中下部沿特定轨迹向孔口移动。

关键词：碎软煤层空气定向钻进煤粉沉积程度风量煤粉粒径

碎软煤层高螺旋复合排渣定向钻进技术试验研究

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煤炭工程 2022年第10期54卷 62-67页

作者：张宏杰张杰杨帅王常委张亚洲王建强杨智杰山西天地王坡煤业有限公司山西晋城048000 中煤科工集团西安研究院有限公司陕西西安710077

针对碎软煤层液动定向钻孔施工中存在的钻孔排渣困难、钻进效率低及成孔难的问题,分析了碎软煤层钻孔失稳特征,依据钻杆单位煤渣搅动体积越大越有利于螺旋排渣,提出“高螺旋机械排渣为主、液动排渣为辅”的复合排渣方式,研制出了φ98mm... 详细信息

针对碎软煤层液动定向钻孔施工中存在的钻孔排渣困难、钻进效率低及成孔难的问题,分析了碎软煤层钻孔失稳特征,依据钻杆单位煤渣搅动体积越大越有利于螺旋排渣,提出“高螺旋机械排渣为主、液动排渣为辅”的复合排渣方式,研制出了φ98mm焊接螺旋钻杆,且试验对比分析了三种规格螺旋钻杆的结构特征与排渣能力。在王坡矿开展现场试验,施工了4个孔深300m以上钻孔,试验结果表明:φ98mm焊接螺旋钻杆钻进效率可达30.6m/班,单位进尺返渣量可达270kg/m,钻进效率与排渣能力较φ89mm螺旋钻杆和φ89mm三棱螺旋钻杆都提高了1倍以上,形成适用于碎软煤层高效排渣顺层定向钻孔成孔工艺方法。

关键词：碎软煤层液动定向钻进钻具组合钻进效率复合排渣

碎软低渗煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂工程应用

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煤炭科学技术 2022年第8期50卷 91-100页

作者：刘乐张俭方秦月王晨阳赵继展中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077

随着矿井采掘活动不断向深部延伸,碎软、低渗煤层瓦斯抽采难度增加,矿井瓦斯治理面临更大挑战。常规水力压裂煤层增透措施存在压裂不均匀、压裂排量低、压裂覆盖范围小及裂缝易闭合等不足。基于此,提出碎软煤层顶板定向长钻孔水力加砂... 详细信息

随着矿井采掘活动不断向深部延伸,碎软、低渗煤层瓦斯抽采难度增加,矿井瓦斯治理面临更大挑战。常规水力压裂煤层增透措施存在压裂不均匀、压裂排量低、压裂覆盖范围小及裂缝易闭合等不足。基于此,提出碎软煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂煤层增透区域瓦斯超前预抽的技术方案,研发了“定向喷砂射孔+加砂分段压裂”复合工艺技术,形成了多手段、多角度考察分段加砂压裂影响范围和压裂后煤层瓦斯抽采效果分析为一体的压裂效果评价方法。在山西阳泉矿区新景煤矿保安区北六、北七工作面开展工业性试验,完成2个压裂钻孔(孔深均为609 m)定向喷砂射孔、水力加砂分段压裂工程试验。累计定向喷砂射孔80次,其中1号压裂孔定向喷砂射孔30次,2号压裂孔定向喷砂射孔50次,砂比2%~3%、定向喷砂射孔压力22.6~28.6 MPa,共计注入射孔液1 072 m^(3),使用石英砂19.84 t。实施水力加砂分段压裂16段,1号压裂孔分6段压裂,2号压裂孔分10段压裂,单段注入压裂液153.76~235.11 m^(3)、平均砂比2.02%~2.56%、共计注入核桃壳砂36.48 t、压裂液2 808.57 m^(3)。采用孔内瞬变电磁法、微量示踪剂法等手段确定压裂影响半径20~38 m。统计压裂后1号钻场、2号钻场100 d瓦斯抽采数据,其中1号钻场平均瓦斯抽采体积分数43.97%,平均瓦斯抽采混合流量1.61 m^(3)/min,日均瓦斯抽采纯量1 025.11 m^(3);2号钻场平均瓦斯抽采体积分数23.17%,平均瓦斯抽采混合流量8.56 m^(3)/min,日均瓦斯抽采纯量2 810.6 m^(3)。1号钻场、2号钻场较邻近区域顺层钻孔瓦斯抽采分数提高了3.36倍和6.38倍,百米钻孔瓦斯抽采纯量提高了16.44倍和45.14倍;较千米钻孔瓦斯抽采体积分数提高10.53倍和19.99倍,百米钻孔瓦斯抽采纯量提高了5.61倍和15.42倍。结果表明,该技术在煤矿井下实现大排量、高砂比,连续水力压裂作业,压裂后煤层透气性显著提高,为碎软煤层区域瓦斯治理提供技术借鉴。

关键词：碎软煤层顶板定向长钻孔加砂分段压裂定向喷砂射孔瓦斯抽采

碎软煤层井下顶板长钻孔分段水力压裂瓦斯抽采技术研究

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碎软煤层井下顶板长钻孔分段水力压裂瓦斯抽采技术研究

作者：李文博煤炭科学研究总院

学位级别：硕士

水力压裂是低渗煤层实现瓦斯高效抽采的关键技术之一。本文针对碎软低渗煤层顺层钻进难、成孔性难、瓦斯区域抽采效果差等难题,依托中煤科工西安研究院(集团)有限公司科技创新基金项目(编号:2017XAYZD06),开展煤矿井下碎软低渗煤层顶板... 详细信息

水力压裂是低渗煤层实现瓦斯高效抽采的关键技术之一。本文针对碎软低渗煤层顺层钻进难、成孔性难、瓦斯区域抽采效果差等难题,依托中煤科工西安研究院(集团)有限公司科技创新基金项目(编号:2017XAYZD06),开展煤矿井下碎软低渗煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂技术研究。运用煤田地质学、瓦斯地质学、岩石力学等学科知识,采用理论分析、数值模拟和工程试验等手段方法,研究了煤矿井下碎软煤层顶板压裂裂缝延伸特征和顶板分段压裂施工工艺等技术参数,并在山西阳泉典型碎软低渗煤层中开展了工程应用试验。主要取得如下成果和认识:(1)分析了碎软煤层与其顶板岩石力学参数和地应力分布特征,揭示了碎软煤层高强度压裂改造、实现瓦斯高效抽采的机理。碎软煤层顶板弹性模量、泊松比值分别是煤层的2.56～4.41倍和0.68～0.84倍,煤层顶板最小水平主应力比煤层高1～3 MPa,压裂煤层顶板有利于形成复杂缝网,且纵向裂缝更易于向煤层方向延伸,直至沟通煤层;数值模拟结果显示顶板水力压裂缝长和缝宽分别是碎软煤层的4.48倍和2.91倍。(2)形成了煤矿井下碎软煤层顶板定向钻孔水力喷砂射孔、双封单卡、裸眼拖动式携砂分段压裂工艺技术,并优化了阳泉矿区煤矿井下碎软煤层顶板水力加砂分段压裂施工工艺参数。碎软煤层顶板分段压裂间距40～50 m,能够有效降低各相邻压裂段之间主裂缝的相互干扰;定向喷砂射孔方向与垂向应力夹角β煤层;单段注水量大于150 m,能够有效保证各压裂段裂缝半长稳定大于25 m,且能对下部煤层进行较好的沟通。(3)在阳泉矿区碎软煤层中开展了2个顶板定向长钻孔裸眼加砂分段压裂瓦斯抽采工程应用试验。碎软煤层顶板定向长钻孔长度均为609 m,分别按照6段和10段进行裸眼加砂分段压裂;效果检测表明2孔压裂影响半径为25～35 m,2个压裂钻孔100 d内瓦斯抽采纯量均值为1025.1 m/d和2810.6 m/d,2个钻孔百米瓦斯抽采纯量均值分别为同区域千米定向穿层和顺层瓦斯抽采孔的8.42～24.65倍和23.13～67.71倍。我国华北、西南地区石炭-二叠纪煤田碎软煤层普遍发育,煤层瓦斯灾害严重。煤矿井下煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂技术研究的成功及推广应用,对我国碎软低渗高突煤层瓦斯区域高效抽采治理具有重要意义和工程应用价值。

关键词：煤矿井下碎软煤层顶板瓦斯抽采定向长钻孔加砂分段压裂

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煤层瓦斯含量测定技术及装备研究进展

煤炭科学技术 2024年第4期52卷 164-176页

作者：孙四清杨帆郑玉岐张庆利煤炭科学研究总院北京100013 中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077

瓦斯含量是煤与瓦斯突出危险预测、煤层瓦斯资源量估算、矿井瓦斯治理工程设计的重要参数。围绕如何在大区域准确快速测定煤层瓦斯含量,依托国家科技重大专项、国家自然科学基金和煤炭企业联合基金等项目科技攻关,在取样、测试方面取得... 详细信息

瓦斯含量是煤与瓦斯突出危险预测、煤层瓦斯资源量估算、矿井瓦斯治理工程设计的重要参数。围绕如何在大区域准确快速测定煤层瓦斯含量,依托国家科技重大专项、国家自然科学基金和煤炭企业联合基金等项目科技攻关,在取样、测试方面取得了一定进展。主要表现在如下4个方面:①煤层瓦斯含量测定取样经历了孔口接样、岩心管定点取样、压力引射定点取样和密闭取样4个阶段,密闭取样装备保压能力达到11.5 MPa,煤心直径达到38 mm;②针对不同煤层地质条件,发展形成了顺煤层定向长钻孔密闭取样、底板穿层钻孔密闭取样和顶(底)板梳状定向长钻孔密闭取样3种取样技术;③在河南焦作和山西晋城矿区硬煤层中,顺层定向长钻孔取样深度达到516 m,密闭取样法测得煤层瓦斯含量较常规取样法分别平均提高了0.44倍和1.04倍。在安徽淮南矿区碎软煤层中,穿层钻孔密闭取样深度达到209 m,测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.26倍;在安徽淮北矿区碎软煤层中,顶(底)板梳状钻孔密闭取样深度达到484 m,测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.19倍,密闭取样法在煤层瓦斯含量测定精度、探测范围上优于常规取样法;④在瓦斯含量测试方面,除了传统解吸法测试,发展了系列煤矿井下瓦斯含量快速测试装备,可实现最快30 min内测得煤层瓦斯含量,一般用于百米孔内的瓦斯含量测试。提出了煤层瓦斯含量测定密闭取样装备需向小型化、轻量化的方向发展,并能实现随钻密闭取样。在测试上,应根据实际情况确定合理的解吸终止限,并将测试装备和密闭取样装备进一步结合,以实现深孔瓦斯含量快速准确测定。密闭取样技术已成为煤层瓦斯含量大区域精准勘查、预测的主要手段,是煤炭安全高效开采的重要技术保障。

关键词：煤层瓦斯含量定点取样密闭取样碎软煤层硬煤