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煤矿井下瓦斯钻机技术现状及发展趋势
双击自动滚屏 发布者:admin 发布时间:2012-2-8 1:45:41 阅读:1866次 【字体:

国外煤矿井下瓦斯钻机技术现状
美、德、澳等发达国家,由于采取了行之有效的瓦斯抽采措施,基本实现了煤矿安全生产。就煤矿瓦斯抽采工艺而言,除美国部分煤矿采取地面抽采之外,多数矿井采取本煤层钻孔抽采。
发达国家的煤矿井下瓦斯抽采所用的井下瓦斯钻机,虽然种类繁多,功能各异,但根据驱动钻头回转的动力来源不同,煤矿坑道钻机的主流产品可分成两大类:一类是常规的孔口回转钻机(钻机通过钻杆柱驱动钻头回转)。像浅孔钻机及德、日为代表的一些国家生产的深孔钻机一般都是这一类;另一类是孔底动力回钻钻机(钻进时钻杆柱不回转,由孔底马达驱动钻头回转)。像美国和多以孔底动力为主,我国引进的几种钻机都属于这种类型。对用于施工钻进超过300 米的瓦斯抽采长钻孔的钻机而言,不仅钻机本身的功率要求较大,而且还需要采取相应的定向措施,以保证钻孔轨迹符合要求,达到预期的抽采效果。迄今在煤矿井下广泛采用的定向技术有两种:一种是采用稳定组合钻具,另一种是采用孔底马达配合造斜工具。这两种定向技术分别适用于上述两种井下瓦斯钻机(或者说是井下瓦斯钻机的两种工作方式)。
在煤矿井下采用稳定组合钻具控制钻孔方向的方法最先始于20 世纪70 年代的美国,但在煤矿井下应用效果最好的却是德国,并且推广到了钾盐矿。1999 年德国Wirth 公司用稳定组合钻具在一个钾盐矿完成了一个进尺2223 米的地质勘探孔,2003 年该公司网站又发布了又钻成一个进尺2700 米的水平勘探孔的消息,这是目前世界范围内最深的井下近水平定向钻孔。日本利根公司采用该技术成效也很显著,曾在上世纪80 年代初钻成2150 米的近水平勘探孔。这种方法的优点是成本较低、可以钻大直径钻孔,缺点是控制钻孔方向的能力不如孔底马达。
煤矿井下钻机采用孔底马达的定向钻进技术于上世纪80 年代初始于英国,当时其设备能力可以达到1000 米,因为煤层松软和钻进工艺问题,实际最大孔深只有635 米。但从80年代中期开始,该方法已成为澳大利亚施工瓦斯抽放孔和地质勘探孔的主要手段,成效也最为显著。钻孔深度一般在700 米左右。最大孔深纪录不断刷新,至2002 年达到1761 米。该方法的优点是控制钻孔方向的能力较强,但由于孔底马达的扭矩较小,钻孔直径也较小,孔底马达的价格较高,相应地钻井成本较高。值得注意的是,这种方法得到成功应用的前提条件是要有长寿命的孔底马达和可靠的随钻测斜技术。国外先进的孔底马达寿命一般都在200~300 小时以上。使用效果较好的随钻测量仪器有澳大利亚钻机上配备的DDM MECCA测量系统,据称可确保钻孔精度在0.5°/100 米以内,每百米孔深最大偏差为0.5~1.0 米,钻孔直径在89~96 毫米之间。
从上世纪60 年代起,国外一些发达国家逐步实现了坑道钻机的更新换代,用全液压动力头式钻机取代立轴式钻机。特别是90 年代推出的新产品,比以前的产品又有明显的改进,将电液比例控制技术应用于新型钻机。瑞典Atlas Copco 公司、加拿大JKS Boyles 公司、澳大利亚Longyear 公司等开发的几种新型坑道勘探用钻机还采用了自动控制技术,实现了机电一体化操作。这些新技术将很快在瓦斯钻机上得到推广应用。在钻进动力方面,美国对用水力和压缩空气钻进进行了研究,REI Drilling 公司曾研发了一种水力破碎岩石的设备及钻进工艺,在肯塔基州某矿煤层顶板中钻进近水平定向瓦斯抽放孔,取得较好的效果。与清水钻进相比,在松软、渗透性好的地层搅拌桨搅拌器精细过滤器袋式过滤器蓝式过滤器管道过滤器单袋式过滤器多袋式过滤器,泥质页岩、泥岩等遇水容易膨胀、坍塌的地层,采用压缩空气钻进效果要好得多。
从整体上看,国外煤矿井下瓦斯钻机的特点是,在整机设计及元、部件的选用上,较国内钻机要先进,其性能更可靠,功能更完善。发达国家的深孔瓦斯钻机多采用先进的孔底马达、造斜工具和随钻测量设备,钻进能力强(大于1000m)、定向精度高。
我国煤矿井下瓦斯钻机存在的主要问题
一是高瓦斯矿区抽采,钻孔钻不进去、瓦斯抽不出来,松软突出煤层抽采钻孔施工难以解决。
松软突出煤层一般是煤层松软、渗透性极差,但瓦斯含量却特高。在这种煤层中钻进,容易产生垮孔、卡钻、喷孔等现象。我国在松软突出煤层虽然有钻孔深度超过150m 甚至达到240m 的记录,但大部分的钻孔深度都在100m 以下,且成孔率低,防突成本和瓦斯抽放成本很高。我国松软煤层(硬度系数f≤1)在所采煤层中所占比例较大,因此,松软突出煤层的钻进成孔问题一直是个亟待解决的难题。
目前,在煤矿井下钻探施工时,大部分都用水作为钻孔循环介质,由于煤层松软,高压水流对孔壁的冲刷和浸泡导致孔壁坍塌、掉块,严重时导致钻杆卡死,孔底水压升高,形成憋泵现象。用压缩空气作为钻孔循环介质有利于保持孔壁稳定和瓦斯的释放,可有效减少瓦斯突出的可能。但由于目前井下管路风压较低,限制了钻孔深度增大。尽管采用螺旋钻进工艺对于较完整煤层或局部坍塌煤层能够取得较好的成孔效果,但目前由于受钻机能力、钻具强度等因素的影响,孔深依然有限。
二是高瓦斯矿超前抽采钻孔施工长度不足,抽采时间短。
目前,国内普遍采用的回转钻进工艺,钻孔轨迹的控制主要靠改变孔底稳定组合钻具和调整工艺参数的方法来实现。对于构造简单、稳定的地层来讲,如果钻孔轨迹设计合理,操作方法得当,基本能够满足钻孔的方向性要求。但对于复杂地层,特别是深孔钻进,钻孔轨迹的方向就很难控制。这是制约我国坑道钻探技术进一步发展的关键性难题。
三是施工防突钻突出现象严重,危险性大,易造成事故。
目前,施工防突超前钻孔是局部防突的重要技术措施之一。然而,施工防突钻突出现象严重,危险性大,直接威胁工作面作业人员安全。例如,松藻矿务局在工作面打超前排放钻孔时即发生了突出强度近700t 的突出,现场的钻孔施工人员全部殉职。淮南矿区去年和今年也先后有工作面作业人员在场的情况下发生的突出,导致了人员伤亡。
技术发展趋势
根据煤矿瓦斯综合治理的需要和我国的技术实力,我国煤矿井下瓦斯钻机的技术发展趋势将会朝着三个主要方向发展。
一是研制开发满足大口径、长钻孔、定向水平孔需要的钻进关键技术与高端钻机装备。其中研发研制的关键技术是长寿命孔底马达和性能可靠的随钻测量系统等。为解决煤矿井下钻机频繁搬迁问题,需研制具有自行能力的履带式钻机,以提高工作效率。
二是研制开发适宜松软突出煤层的瓦斯抽采关键技术及其钻机装备,突破松软突出煤层的瓦斯抽采难关。
三是研制开发安全、可靠、有效的远距离防突关键技术及其性能优良的防突远程控制钻机装备。

 
 
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