穿层钻孔挠性钻杆研制及应用

针对高瓦斯工作面顶底板穿层钻孔有效抽采的煤孔段长度短,抽采率低的问题,研制了穿层钻孔挠性钻杆及其配套设备。通过三维建模计算分析,对挠性钻杆的结构进行优化设计;再通过室内模拟实验,测试挠性钻杆的抗扭强度、挠度及密封性能,试验结果表明,钻杆静态抗扭强度达到了4000N·m,挠曲率大于5°/m,且密封可靠,能够满足耐压8MPa的要求。现场工程实践表明:钻孔倾角20°~40°时,利用挠性钻杆施工钻孔的煤孔段长度达到设计长度2倍以上;倾角大于40°时,钻孔煤孔段长度达到设计长度1.5倍以上,钻孔煤孔段长度增大,瓦斯抽采率得到极大提高。     

煤矿下斜钻孔用水力冲孔器流体力学分析与结构优化

随钻型水力冲孔器的研制,解决了煤矿井下水力冲孔施工中需要成孔后再下入冲孔器的问题,在上仰穿层钻孔中取得了良好的使用效果。但是在近水平或下斜钻孔中,由于冲孔钻渣重力作用难以随钻井液排出孔口,易造成塌孔、抱钻等孔内事故。文章通过对水力冲孔施工过程及水力冲孔器进行流体力学分析,计算水力冲孔钻具内沿程损失、冲孔器水力换向阀水力压力、排出钻渣需要的冲洗液上返流速等,并通过增加底喷水眼的方法,增大冲孔流量,提高钻井液上返流速,从而解决排渣困难的问题,并根据改进后的水力参数对冲孔器的复位弹簧进行了重新设计。采用改进型水力冲孔器进行了现场试验,试验表明在近水平下斜钻孔中,改进型水力冲孔器换向阀工作稳定,钻渣能够排出孔内,满足了矿方煤层下斜钻孔水力冲孔施工要求。     

ф95/60.3 mm插接密封式宽翼片螺旋钻杆研制

为解决常规宽翼片螺旋钻杆和插接式螺旋钻杆在富含硫铁矿结核的松软突出煤层钻孔施工存在的钻孔深度浅、孔内事故多、煤层钻遇率低、钻进时效慢等问题,通过借鉴上述2种钻杆排粉机理,设计插接密封式钻杆接头,改进螺旋翼片结构,研制出ф95/60.3 mm插接密封式宽翼片螺旋钻杆。简要介绍了插接密封式宽翼片螺旋钻杆设计和关键制造技术。通过现场工业性试验,累计施工8个钻孔,最大成孔深度103.5 m,平均成孔深度近97 m,平均钻进效率为10.4m/h,纯钻进效率约18.3 m/h,表明了该钻杆在同类煤层施工时具有很好的应用效果。     

松软低透煤层随钻水力冲孔钻具研制与应用

针对现有水力冲孔钻具在松软低透煤层造穴施工中存在需2次下钻、劳动强度大、施工效率低、钻杆密封性不好等问题,研制了随钻型水力冲孔钻具,实现了只需下入一趟钻便可同时完成正常钻进和冲孔作业,并在晋煤集团赵庄矿、淮南矿业丁集矿及阳煤集团新元矿开展了现场试验。试验结果表明:研制的随钻型水力冲孔钻具结构设计合理,压力转换机构工作可靠,密封性能良好,耐压能够达到30 MPa;与常规水力工艺相比,该技术能够减少辅助作业时间,有效降低了工人劳动强度,对松软低透煤层卸压增透作用显著,有效提高了瓦斯抽采效果,具有较高的推广应用价值。     

大直径定向长钻孔用ф73mm钻杆接头设计及应用

针对煤矿井下大直径定向长钻孔施工时常规钻杆频繁发生断裂及粘扣等问题,分析了钻杆失效原因,通过优选接头材质并借鉴石油管接头的设计经验,开发出双顶结构接头及W-038R螺纹牙型,并利用有限元分析软件、室内试验及现场试验的方式依次对设计开发的W-038R螺纹接头和常规V-040螺纹接头进行对比,结果表明,工况加载条件下W-038R螺纹接头应力分布要明显优于V-040螺纹接头,前者可以满足使用要求,而后者会发生联接失效;室内静扭试验表明,设计的W-038R螺纹接头静扭能力可达22 000 Nm,是V-040螺纹接头1.5倍;现场试验表明,同等施工条件下,W-038R螺纹接头钻杆千米扩孔进尺钻具事故率约为V-040螺纹接头常规外平钻杆的18%。     

随钻水力冲孔技术在松软低透气煤层瓦斯增透中的应用

松软低透气性煤层,由于煤层松软、透气性低,瓦斯抽放浓度低、持续时间短、抽放量小,使煤层瓦斯区域预抽效果不理想。作为改善瓦斯抽采效果的有效方法之一,水力冲孔法以其原理简单、易于实现的优点广泛应用于各大煤矿,但是需要预先施工先导孔,辅助作业时间长。为解决这一问题,研究了随钻水力冲孔技术,该技术采用钻进-冲孔一体式钻具,将钻孔施工与冲孔施工一次完成,不需重复起下钻,提高了工作效率。采用随钻冲孔技术在赵庄煤矿进行了现场试验,试验证明,随钻水力冲孔技术能够满足矿方施工要求,且通过计算对冲孔直径进行了评价,瓦斯抽采钻孔通过水力冲孔可将原常规施工钻孔直径扩大12.2倍。     

随钻水力冲孔技术在丁集矿的应用

常规水力冲孔技术需要预先施工先导孔,辅助作业时间长,工人的劳动强度高,特别在大倾角钻孔施工时,起、下钻等辅助作业难度大且具有风险。为解决这一问题,研究了随钻水力冲孔技术,形成了钻进-冲孔一体式钻具及配套工艺方法。在丁集煤矿进行了现场试验,结果表明:随钻水力冲孔技术能够满足矿方施工要求,达到预期的施工效果。与现用的常规水力冲孔工艺相比,辅助时间缩减到了40%左右,效率提高了29%,降低了工人的劳动强度,提高了施工效率。     

突出煤层钻孔施工防瓦斯超限技术及装备

针对穿层钻孔施工(水力冲孔)期间瓦斯喷孔的问题,分析确定了水力冲孔作业期间容易引起作业空间瓦斯超限的因素,从解决孔口-防喷装置、钻杆-防喷装置、集气箱排渣处、钻杆水尾等关键地点的密封问题入手,研发了孔口防喷装置,并通过分源抽采自动控制解决抽采能力的合理匹配;防喷装置创新性的采用皮垫-毛刷综合密封,起到了良好密封效果;配套设计了瓦斯缓冲装置,能够起到缓冲、储存瓦斯的作用,有效降低防喷装置内瓦斯冲击压力;同时,根据现场反馈情况从尺寸、材料等方面进行不断优化,提高防喷装置的轻便性及耐用性,形成了完善的穿层钻孔施工(水力冲孔)防超限技术及系列化装备。     

“骨筋”特性仿生钻杆公接头断裂防掉技术

针对钻探施工过程中因钻杆公接头断裂导致的掉钻问题，基于仿生学原理，以动物“骨筋”结构为仿生原形，提出了“骨筋”特性仿生公接头技术，在公接头（骨）内孔设置自锁连杆（筋），形成骨筋复合双连接单元，满足了公接头螺纹部位正常施钻时承受载荷与断裂后保持轴向连接的双重要求，实现了“打断骨头连着筋”的效果；阐述了仿生公接头的工作原理，介绍了自锁连杆设计方法，对研制的?73 mm仿生钻杆进行了接头螺纹及内筋性能试验。结果表明：“骨筋”特性?73 mm仿生钻杆抗扭能力达到20.12 kN·m，抗拉能力达到1 444 kN，断裂位置均位于公接头螺纹大端，接头断裂后自锁连杆仍能保持钻杆轴向连接，实现了断裂防掉功能，抗拉能力达到384 kN，满足了提钻强度需求。     

突出煤层穿层抽采钻孔水力冲孔工艺优化

针对焦作矿区水力冲孔存在的问题,从工艺系统和施工技术等方面进行分析优化,研制开发了钻扩(冲)一体化钻具,实现了钻孔施工与水力冲孔一体化,简化了穿层钻孔水力冲孔工艺,有效解决了钻冲一体诸多难题,工作效率大幅提高。     

三棱凹槽螺旋钻杆的设计

松软突出煤层由于煤层松软、破碎、承压能力低,钻孔施工非常困难。为了解决现有钻杆在松软突出煤层钻孔施工中出现的卡钻、埋钻等问题,设计了一种三棱凹槽螺旋钻杆,探讨了钻杆的结构特点及工作原理,通过现场工业试验验证钻杆的使用效果。     

煤矿井下水力反循环连续取芯配套钻具设计与应用

针对可用于近水平浅钻孔的水力反循环连续取芯方法,设计了双壁钻杆、多规格金刚石复合片取芯钻头、双壁送水器以及孔口装置等反循环取芯配套钻具。在某废弃采石场施工了3个近水平取芯钻孔,完成该套钻具的功能性测试,优化了取芯钻头的底喷水眼数量,取芯率和岩芯质量达到设计要求。在某矿完成多个穿断层、穿陷落柱取芯钻孔,取得良好的反循环取芯效果,应用试验表明,该钻具的结构设计较为合理,水力反循环连续取芯技术可推广应用于煤矿井下取芯钻孔施工中。     

水力冲孔和带压封孔联合技术在穿层抽放钻孔中的应用

通过对传统封孔工艺进行分析,针对瓦斯抽采钻孔封孔普遍存在的问题,提出了水力冲孔和带压注浆封孔联合技术,能有效封堵钻孔周围裂隙、提高封孔质量、并在鹤煤三矿四水平北翼第一辅助回风巷钻场进行了对比试验。结果表明,采用水力冲孔和带压封孔联合技术后,钻场瓦斯抽采浓度提高了25%~40%,效果显著。     

底板岩巷穿层钻孔和水力冲孔消突技术试验研究

介绍了底板岩巷穿层钻孔和水力冲孔消突技术的施工设计、试验研究内容和水力冲孔消突技术的效果,提出了水力冲孔的施工要领、水力冲孔及其消突机理,研究表明,采用底板岩巷穿层钻孔与水力冲孔区域消突措施,可有效的消除突出应力,大幅度的增加煤层的透气性,保障了工作面的安全高效回采。     

松软破碎煤层定向钻孔工艺的研究与实践

针对定向钻孔工艺在松软破碎煤层成孔困难问题,介绍了一种新型螺旋定向钻杆,并对钻杆的结构特点及抗扭强度做了分析和验证。据晋煤集团寺河煤矿的工业性试验,该定向钻孔工艺的抗事故能力强,试验中未发生压杆、卡钻等事故,是该区域目前钻孔平均深度的3倍以上。     

随钻水力造穴技术在低透性煤巷卸压孔中的应用

随钻水力造穴技术节省了先导孔施工,缩短了作业时间,提高了效率,室内试验了流量、压力等水力参数与造穴效果的关系,得到了最优参数配比,该技术应用于新元矿3209工作面掘进头预抽钻孔施工,掩护低透性煤巷安全掘进。评价结果表明,在水压达到20MPa、流量在200L/min条件下时,冲孔时间维持15min/m、冲孔单元每5m 1次,冲煤量大于0.48t/m,钻孔冲孔半径为普通钻孔6倍,施工效率较原来提高了25%,应用效果最佳。     

煤矿瓦斯抽采钻孔直向钻进装置

介绍了保直技术、排渣技术以及退钻技术等3个直向钻进的关键技术;针对煤矿瓦斯抽采钻孔偏斜问题,开发煤矿瓦斯抽采钻孔直向钻进装置;阐述了直向钻进装置结构和技术参数;综合考虑装置的耐受应力强度,为钻杆接头和钻杆杆体优选了材料,进行了抗扭强度计算。     

破槽接头预防钻孔拉槽卡钻

随着我国煤炭事业的发展 ,老矿区的后备储量已日渐减少 ,为延长矿井的服务年限 ,矿井外围扩勘尤为必要。老矿扩勘项目往往煤层埋藏较深 ,施工的钻孔较深 ,施工周期较长。由于钻孔弯曲 ,拉槽卡钻现象时有发生 ,严重地威胁着钻孔的正常施工 ,有时还会造成钻孔的报废 ,经济损失较大。我们除在施工中采取各种防斜措施外 ,还采用了破槽接头 ,避免拉槽形成。1　破槽接头的设置及结构随着钻孔的延深 ,逐渐加入粗径钻具 (钻铤 )。当加入的粗径钻具的重力超过孔底所需压力的 2 0 %时 ,可加入钻杆 ,在钻杆上每隔 2 0ｍ左右加一个破槽接头。破槽接头在…     

三软突出煤层“钻机+瓦斯抽采孔水力作业机”协同冲孔工艺研究及应用

新义矿为简化现有水力冲孔技术、提高冲孔效率,通过分析冲孔效率与冲孔压力和钻孔环空三者之间的关系,认为钻冲一体化水力冲孔工艺存在环空小、最优冲孔效率较低的弊端,提出了钻机+瓦斯抽采孔水力作业机协同冲孔工艺。通过现场试验表明,钻孔环空的大小对冲孔效率起到了制约作用,随着钻孔环空的增大,其最佳冲孔压力和最佳冲孔效率明显增加。钻机+瓦斯抽采孔水力作业机协同冲孔工艺的最佳冲孔压力为16~18 MPa,冲孔效率为5.6~5.8t/班,是钻冲一体化水力冲孔工艺的3.8倍。     

水力冲孔孔洞瓦斯造成掘进工作面瓦斯超限的的原因及控制措施

为了进一步探讨穿层钻孔水力冲孔期间与相邻的冲孔孔洞及掘进工作面间瓦斯涌出的影响,针对中马矿水力冲孔期间的瓦斯超限事故,从钻孔设计、穿层钻孔施工过程中水力冲孔的煤量及瓦斯超限过程进行了认真分析研究,摸索出在同样煤层赋存条件下,采用水力冲孔的方式增加煤体的透气性和蠕变程度时,要充分考虑冲孔煤量、孔洞范围及施工间隔时间的关系,否则,极易出现相邻的孔洞及与施工地点间瓦斯相互影响的情况。