高位大直徑定向鉆孔技術(shù)

及其配套裝備陜西太合科技匯報(bào)提綱技術(shù)應(yīng)用背景一施工用大功率定向鉆機(jī)二施工用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)三鉆進(jìn)工藝技術(shù)四研究展望五一、高位定向鉆孔工藝技術(shù)應(yīng)用背景U型通風(fēng)回采工作面上隅角容易聚集瓦斯，嚴(yán)重制約著煤礦平安生產(chǎn)。采空區(qū)漏風(fēng)攜帶采空區(qū)瓦斯為上隅角瓦斯主要來(lái)源。一、高位定向鉆孔工藝技術(shù)應(yīng)用背景瓦斯〔煤層氣〕是優(yōu)質(zhì)潔凈的新能源和化工原料，煤礦區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)利用是山西省經(jīng)濟(jì)開(kāi)展的重要組成局部。煤礦回采工作面采空區(qū)有大量高濃度瓦斯〔煤層氣〕，將之快速有效地抽采出來(lái)，有利于增加煤礦井下瓦斯抽采量。一、高位定向鉆孔工藝技術(shù)應(yīng)用背景目前，國(guó)內(nèi)煤礦上隅角瓦斯抽采措施主要是采空區(qū)瓦斯抽采、上隅角抽采等。抽采方法通常情況下有：頂板走向鉆孔抽采、高抽巷抽采和采空區(qū)埋管抽采或上述技術(shù)手段聯(lián)合抽采。一、高位定向鉆孔工藝技術(shù)應(yīng)用背景

鉆孔軌跡不可控，鉆孔無(wú)法保證在頂板裂隙帶內(nèi)延伸，瓦斯抽采效果無(wú)法保證；鉆孔施工時(shí)必須開(kāi)拓高位鉆場(chǎng)，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、效率低；鉆孔深度受限。存在問(wèn)題1常規(guī)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)施工頂板高位長(zhǎng)鉆孔。存在問(wèn)題2采空區(qū)埋管受工作面漏風(fēng)影響較大，無(wú)法建立負(fù)壓抽采，抽采濃度低；采空區(qū)冒落后，容易隔斷管路，無(wú)法抽采瓦斯；采空區(qū)埋管抽采瓦斯效率較低。采空區(qū)埋管方式抽采回采工作面上隅角瓦斯和采空區(qū)瓦斯。一、高位定向鉆孔工藝技術(shù)應(yīng)用背景存在問(wèn)題3高抽巷施工效率低，采掘接替緊張；高抽巷施工本錢(qián)高；高抽巷施工勞動(dòng)本錢(qián)大。采用高抽巷治理工作面上隅角和采空區(qū)瓦斯。一、高位定向鉆孔工藝技術(shù)應(yīng)用背景針對(duì)常規(guī)頂板長(zhǎng)鉆孔和采空區(qū)埋管抽采上隅角和采空區(qū)瓦斯的缺點(diǎn)，采用隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)與大功率鉆機(jī)裝備施工大直徑頂板高位定向長(zhǎng)鉆孔解決上隅角瓦斯超限問(wèn)題，可大幅度提高工作面瓦斯抽采量。隨鉆測(cè)控鉆孔軌跡，使其在頂板裂隙帶內(nèi)延伸，控制鉆孔上仰趨勢(shì)，有利于瓦斯抽采；鉆孔施工時(shí)不需要做高位鉆場(chǎng)；鉆孔深度大，減少工作面鉆孔數(shù)量；鉆孔施工效率高。優(yōu)點(diǎn)一、高位定向鉆孔工藝技術(shù)應(yīng)用背景ZYL-15000D鉆機(jī)主要用于煤礦井下瓦斯抽放孔、探放水鉆孔、地質(zhì)勘探孔等各類(lèi)定向鉆孔的施工。適用于巖石鞏固性系數(shù)f≤10的各種煤層和巖層。該鉆機(jī)主要配套產(chǎn)品有孔底馬達(dá)、礦用隨鉆測(cè)量裝置、定向鉆桿、打撈鉆桿等。二、高位定向鉆孔施工用大功率定向鉆機(jī)

2.1鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)二、高位定向鉆孔施工用大功率定向鉆機(jī)二、高位定向鉆孔施工用大功率定向鉆機(jī)

2.1鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)2.2主要結(jié)構(gòu)特征

鉆機(jī)為雙履帶車(chē)式布局，分鉆車(chē)和泵車(chē)兩局部。鉆車(chē)泵車(chē)二、高位定向鉆孔施工用大功率定向鉆機(jī)鉆車(chē)局部主要由電機(jī)組件、回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭、給進(jìn)裝置、底盤(pán)總成、操作臺(tái)組件、隨鉆測(cè)量裝置、夾持器、油箱以及液壓管路系統(tǒng)等局部組成。鉆車(chē)結(jié)構(gòu)緊湊，便于井下搬遷運(yùn)輸。2.2主要結(jié)構(gòu)特征

二、高位定向鉆孔施工用大功率定向鉆機(jī)動(dòng)力頭底盤(pán)總成夾持器給進(jìn)裝置液壓管路系統(tǒng)操作臺(tái)組件測(cè)量裝置電機(jī)組件二、高位定向鉆孔施工用大功率定向鉆機(jī)2.2主要結(jié)構(gòu)特征

泵車(chē)是由履帶底盤(pán)、操縱臺(tái)、泥漿泵組件、電機(jī)組件、電磁起動(dòng)器、液壓油箱等局部組成。各局部之間用高壓膠管和螺栓連接，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高。液壓油箱底盤(pán)總成電機(jī)組件電磁起動(dòng)器二、高位定向鉆孔施工用大功率定向鉆機(jī)2.2主要結(jié)構(gòu)特征

電磁起動(dòng)器speck泥漿泵2.2主要結(jié)構(gòu)特征

二、高位定向鉆孔施工用大功率定向鉆機(jī)運(yùn)用有限元分析軟件〔ANSYS〕對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行受力分析并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化?！絷P(guān)鍵零部件受力分析車(chē)架應(yīng)力分析二、高位定向鉆孔施工用大功率定向鉆機(jī)2.2主要結(jié)構(gòu)特征

進(jìn)給架應(yīng)力分析行星減速箱齒輪應(yīng)力及變形分析二、高位定向鉆孔施工用大功率定向鉆機(jī)◆關(guān)鍵零部件受力分析2.2主要結(jié)構(gòu)特征

2.3鉆機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)采用主車(chē)+泵車(chē)雙履帶結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，前后車(chē)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立行走；扭矩大、給進(jìn)/起拔力大，施工效率高，大流量、高壓力進(jìn)口泥漿泵，排渣能力強(qiáng)，可一次性實(shí)現(xiàn)φ120/203級(jí)別擴(kuò)孔，處理孔內(nèi)事故能力強(qiáng)；機(jī)架角度可以調(diào)節(jié)〔0-15o〕，油缸起拔力大。二、高位定向鉆孔施工用大功率定向鉆機(jī)采用先進(jìn)的負(fù)載敏感系統(tǒng)和先導(dǎo)比例控制系統(tǒng)，適應(yīng)性好，操作方便；采用國(guó)際知名品牌的液壓泵、多路閥、手柄、泥漿泵等，可靠性高；蓄能器多路閥水泵馬達(dá)手動(dòng)換向閥泥漿泵二、高位定向鉆孔施工用大功率定向鉆機(jī)2.3鉆機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)采用嵌入式分體式油箱，能夠改善整機(jī)布局空間，優(yōu)化液壓系統(tǒng)的工作條件，提高液壓系統(tǒng)的傳遞效率；

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)嵌油箱二、高位定向鉆孔施工用大功率定向鉆機(jī)2.3鉆機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)采用斜楔式自鎖油缸型夾持機(jī)構(gòu)，拆卸方便、夾持力大、可靠性高；采用旋轉(zhuǎn)密封式配油套，具有聯(lián)動(dòng)功能，旋轉(zhuǎn)同時(shí)冷卻；卡盤(pán)裝有液壓鎖，夾持力大而穩(wěn)定。配油套卡盤(pán)夾持器二、高位定向鉆孔施工用大功率定向鉆機(jī)2.3鉆機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)該裝置主要用于煤礦地質(zhì)勘探孔、瓦斯抽放孔等鉆孔軌跡的跟蹤監(jiān)測(cè)。3.1YSX15礦用本安型隨鉆測(cè)量系統(tǒng)三、高位定向鉆孔施工用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量范圍與精度YSX15探管根本參數(shù)工作電壓DC15V輸出信號(hào)：兩線(xiàn)制電流≤130mA通信距離1500m外形尺寸φ35×950mm耐水壓≥12MPa重量：5.2kg三、高位定向鉆孔施工用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算機(jī)根本參數(shù)工作電壓AC127V工作電流≤150W通信接口1路485接口2路USB接口操作系統(tǒng)Windows64位操作系固態(tài)硬盤(pán)64G內(nèi)存8G顯示屏15寸外形尺寸570×563×153mm重量

59.2Kg3.1YSX15礦用本安型隨鉆測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量軟件三、高位定向鉆孔施工用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)3.1YSX15礦用本安型隨鉆測(cè)量系統(tǒng)外供電可靠性高——防止電池耗盡引起測(cè)量數(shù)據(jù)中斷探管與孔外設(shè)備的通訊與供電采用共線(xiàn)的方式，即用于信號(hào)傳輸?shù)木€(xiàn)路同時(shí)被孔外電源用來(lái)向探管供電

更換電池要在地面進(jìn)行，至少需要2個(gè)小班的時(shí)間，鉆孔報(bào)廢率高鉆孔效率高——

無(wú)需退鉆更換電池節(jié)約本錢(qián)——不需要孔內(nèi)探管電池，每年每臺(tái)鉆機(jī)可節(jié)省電池費(fèi)用20萬(wàn)元左右三、高位定向鉆孔施工用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)3.1YSX15礦用本安型隨鉆測(cè)量系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)三、高位定向鉆孔施工用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)煤礦井下鉆探有線(xiàn)測(cè)量技術(shù)及設(shè)備已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足日益復(fù)雜的煤礦地質(zhì)條件無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，因此，亟需在隨鉆測(cè)量技術(shù)、隨鉆測(cè)量設(shè)備及隨鉆測(cè)量新工藝有所突破。無(wú)線(xiàn)電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)是電磁波地層傳輸?shù)碾S鉆測(cè)量技術(shù)，不受鉆井媒質(zhì)的影響。其優(yōu)點(diǎn)如下：1〕適用范圍廣。由于它不受鉆井介質(zhì)的影響，因此克服了常規(guī)無(wú)線(xiàn)隨鉆在氣體鉆井和混合媒質(zhì)鉆井中應(yīng)用的局限性。2〕本錢(qián)較低。低本錢(qián)的EM-MWD在水平井施工中，具有廣闊的應(yīng)用前景。3〕設(shè)備簡(jiǎn)單，無(wú)需動(dòng)力設(shè)備，可靠性較高。4〕電磁波易實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，通過(guò)孔口遙測(cè)可在鉆孔施工中隨時(shí)根據(jù)需要控制孔內(nèi)鉆具。EM-MWD缺點(diǎn)：電磁波傳輸受地層電阻率影響較大，影響實(shí)際傳輸深度，適用范圍受到限制。3.2無(wú)線(xiàn)電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)裝置中狀態(tài)檢測(cè)單元實(shí)時(shí)檢測(cè)鉆具的振動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到鉆具處于靜止時(shí)，短節(jié)將采集探管姿態(tài)信息編碼輸出，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路饋送至孔內(nèi)絕緣天線(xiàn)絕緣帶的兩端，信號(hào)耦合后以無(wú)線(xiàn)電磁形式通過(guò)地層和鉆桿的引導(dǎo)傳送至孔口接收天線(xiàn)局部，接收天線(xiàn)拾取信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)字處理并終端顯示。為司鉆工程師提供鉆孔軌跡的信息及鉆頭的位置，以便合理、有效的控制鉆孔軌跡到達(dá)設(shè)計(jì)要求。三、高位定向鉆孔施工用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)3.2無(wú)線(xiàn)電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)工作原理無(wú)線(xiàn)探管根本參數(shù)工作電壓DC16V工作電流

≤640mA工作時(shí)間＞200h工作頻率12.5Hz峰峰值12V～16V通信距離：600～1000m供電方式：電池供電外形尺寸φ40×2650mm重量：10kg耐水壓≥12MPa三、高位定向鉆孔施工用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)充電電流≤1A最高充電電壓

18V充電截止電壓

17.5V放電終止電壓

14V電池容量37.5Ah無(wú)線(xiàn)探管精度參數(shù)3.2無(wú)線(xiàn)電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)探管以中間接頭一分為二，左邊電池組短節(jié)，采用主副電池組供電方式；右面為測(cè)量傳感器和發(fā)射機(jī)短節(jié)上部接頭采用三翼固定，并通過(guò)通纜絕緣實(shí)現(xiàn)與天線(xiàn)的連接探管長(zhǎng)度2.6m，絕緣天線(xiàn)長(zhǎng)度0.4m。三、高位定向鉆孔施工用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)3.2YSX16無(wú)線(xiàn)電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征三、高位定向鉆孔施工用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)YSX16隨鉆測(cè)量裝置實(shí)物圖絕緣天線(xiàn)3.2YSX16無(wú)線(xiàn)電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)系統(tǒng)組成三、高位定向鉆孔施工用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)3.2YSX16無(wú)線(xiàn)電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)孔口裝置三、高位定向鉆孔施工用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)3.2YSX16無(wú)線(xiàn)電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量軟件操作簡(jiǎn)單：探管+無(wú)磁外管=3m，可直接與鉆具連接；可靠性高：無(wú)線(xiàn)采用電磁波傳輸方式，只依靠成孔周邊的地層作為傳輸介質(zhì)，相對(duì)有線(xiàn)無(wú)任何連接點(diǎn)問(wèn)題；本錢(qián)低：只需要普通鉆桿可完成數(shù)據(jù)的測(cè)量，產(chǎn)品使用壽命長(zhǎng)；傳輸距離：根據(jù)不同煤層的電阻率，傳輸距離一般為600~1000米；電池續(xù)航能力：15-20天。三、高位定向鉆孔施工用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)3.2YSX16無(wú)線(xiàn)電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)裝置優(yōu)點(diǎn)

未進(jìn)行頂板抽采瓦斯流場(chǎng)進(jìn)行頂板抽采瓦斯流場(chǎng)根據(jù)回采工作面采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律，確定頂板鉆孔抽采上隅角瓦斯和采空區(qū)瓦斯抽采機(jī)理。四、高位定向鉆孔施工工藝技術(shù)4.1高位大直徑定向鉆孔瓦斯抽采技術(shù)剖面上：鉆孔軌跡在頂板裂隙帶內(nèi)；平面上：回風(fēng)側(cè)頂板離層區(qū)內(nèi)。四、高位定向鉆孔施工工藝技術(shù)4.2高位大直徑定向鉆孔布孔原那么四、高位定向鉆孔施工工藝技術(shù)4.3高位大直徑定向鉆孔布孔方式

寺河礦高位定向鉆孔布孔原則：沿回風(fēng)巷道每隔500m布置一個(gè)鉆場(chǎng)，每鉆場(chǎng)布置4個(gè)定向孔。平面布置：鉆孔終孔孔段(主抽采孔段)在平面上沿工作面走向布置在工作面以?xún)?nèi)巷內(nèi)幫15-60m范圍內(nèi)；剖面布置：高位定向鉆孔布置在據(jù)煤層以上24～30m范圍內(nèi)的頂板中。高位定向鉆孔平面布孔方法高位定向鉆孔剖面布孔方法

對(duì)于地質(zhì)穩(wěn)定巖層：可用有線(xiàn)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)配φ89螺桿馬達(dá)、φ120mm鉆頭，使用常規(guī)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)工藝施工一次先導(dǎo)孔，之后采用φ120/203擴(kuò)孔鉆頭二次擴(kuò)孔直接施工φ203鉆孔；對(duì)于地質(zhì)欠穩(wěn)定巖層：斷層破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造較多，可用有線(xiàn)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)統(tǒng)配φ89螺桿馬達(dá)、φ120mm鉆頭，采用鉆井液護(hù)孔技術(shù)，使用常規(guī)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)工藝施工一次先導(dǎo)孔，之后再用φ120/165擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，最后用φ165/203擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔；對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，松散破碎帶多，成孔性較差巖層：采用無(wú)線(xiàn)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)配三棱螺旋鉆具，用復(fù)合定向鉆進(jìn)配合鉆井液護(hù)孔進(jìn)行一次成孔，之后再用φ120/165擴(kuò)孔鉆頭二次擴(kuò)孔，最后用φ165/203擴(kuò)孔鉆頭三次擴(kuò)孔。四、高位定向鉆孔施工工藝技術(shù)4.4測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用原那么Φ89mm高強(qiáng)度中心通纜式鉆桿四、高位定向鉆孔施工工藝技術(shù)4.5常規(guī)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)Φ89mm無(wú)磁鉆桿Φ89mm無(wú)磁螺桿馬達(dá)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)配套鉆具Φ120/203mm整體式錐形油用復(fù)合片擴(kuò)孔鉆頭Φ120/165mm整體式錐形油用復(fù)合片擴(kuò)孔鉆頭Φ120胎體式增強(qiáng)型三翼弧角定向鉆頭四、高位定向鉆孔施工工藝技術(shù)4.5常規(guī)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)配套鉆具42大直徑鉆孔一次擴(kuò)孔工藝：用于鞏固地層〔f≥4〕89mm孔底馬達(dá)+120mm定向鉆頭完成先導(dǎo)孔；后采用203mm/120mm擴(kuò)孔鉆頭+89mm鉆桿完成擴(kuò)孔鉆進(jìn)。四、高位定向鉆孔施工工藝技術(shù)4.5常規(guī)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)43大直徑鉆孔屢次擴(kuò)孔工藝：用于不鞏固巖層〔f≤4〕，地質(zhì)條件較差的地層用φ120mm鉆頭鉆施工一先導(dǎo)孔；再用φ165mm/120mm進(jìn)行擴(kuò)孔，最后用φ203mm/165mm進(jìn)行擴(kuò)孔。四、高位定向鉆孔施工工藝技術(shù)4.5常規(guī)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在寺河礦W1305工作面W13052巷9#、6#和3#橫川先后進(jìn)行了高位定向長(zhǎng)鉆孔的施工，共施工鉆孔12個(gè)，最大孔深到達(dá)402m，總進(jìn)尺4435m，鉆孔孔徑均擴(kuò)大至153mm，鉆孔主抽采孔段均位于設(shè)計(jì)的煤層以上24～30m范圍內(nèi)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用W1305鉆孔實(shí)鉆平面圖四、高位定向鉆孔施工工藝技術(shù)4.5常規(guī)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)施工工藝技術(shù)抽采效果分析寺河礦W13052巷9#橫川四個(gè)平均單孔瓦斯抽采流量到達(dá)9.89m3/min，單孔最大抽采流量到達(dá)30m3/min以上，到達(dá)了良好的抽采效果。9#橫川高位鉆孔瓦斯流量隨工作面推進(jìn)變化曲線(xiàn)四、高位定向鉆孔施工工藝技術(shù)4.5常規(guī)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)施工工藝技術(shù)9#橫川高位鉆孔瓦斯流量隨隨抽采時(shí)間變化曲線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用四、高位定向鉆孔施工工藝技術(shù)4.5常規(guī)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)施工工藝技術(shù)在山西焦煤華晉吉寧礦2102工作面膠帶巷進(jìn)行了高位定向長(zhǎng)鉆孔施工，共施工鉆孔3個(gè)，采用三次成孔工藝，用φ120mm鉆頭施工一先導(dǎo)孔；再用φ165mm/120mm進(jìn)行擴(kuò)孔，最后用φ203mm/165mm進(jìn)行擴(kuò)孔。3個(gè)鉆孔φ120mm鉆頭施工定向孔均施工至設(shè)計(jì)孔深702m，總進(jìn)尺2106m；因該礦調(diào)整生產(chǎn)進(jìn)度，2102工作面提前回采，為保證鉆孔平安施工，1#鉆孔φ165mm/120mm擴(kuò)孔至516m;2#鉆孔φ165mm/120mm擴(kuò)孔至687m、φ203mm/165mm擴(kuò)孔至630m;3#鉆孔φ165mm/120mm擴(kuò)孔至702m、φ203mm/165mm擴(kuò)孔至702m;，鉆孔主抽采孔段均位于設(shè)計(jì)的煤層以上42～48m范圍內(nèi)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用四、高位定向鉆孔施工工藝技術(shù)4.5常規(guī)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)施工工藝技術(shù)施工成果2102高位鉆孔實(shí)鉆平面圖四、高位定向鉆孔施工工藝技術(shù)4.5常規(guī)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)施工工藝技術(shù)施工成果四、高位定向鉆孔施工工藝技術(shù)4.5常規(guī)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)施工工藝技術(shù)施工成果四、高位定向鉆孔施