矿用钻杆中声波通信技术研究

针对现有几种煤矿井下随钻测量数据传输方式在实际应用中的局限性,提出利用钻杆中传播的声波,实现数据传输,以弥补现有随钻数据传输方式的不足。通过对钻杆柱中声波传播特性的数学分析及试验测试,验证了钻杆柱中声波信号的衰减及适应频率;基于换能器的研究设计了满足煤矿井下工况条件的声波信号源;通过随钻测量数据传输试验,验证了声波在钻杆柱中传输数据的通信效果,证明矿用钻杆中通过声波传输随钻测量数据的可行性。     

煤矿井下钻孔深度检测技术研究

针对煤矿井下钻孔施工质量检验中钻孔深度检测的问题,结合钻孔施工工艺和使用钻杆结构的不同,论述了煤矿井下钻孔深度快速检测与验证的最新技术成果,包括:利用声波和低压脉冲反射检测钻孔中钻杆柱长度的方式确定钻孔深度,以及钻机上装载多路传感器实时监测钻机参数的方式计算钻孔深度,指出利用2种检测方式实现孔深快速检测与验证的基本原理、适应工况、影响因素、优缺点等,并提出将2种检测方式结合起来应用,可以更加可靠和准确地实现钻孔深度检测的目的。     

煤矿井下随钻测量数据声波传输系统

煤矿井下坑道钻探是防治瓦斯和水突出最直接、最有效的技术手段,常规回转钻进工艺因为工艺简单、成孔速度快和设备要求低等优点成为煤矿坑道钻探的主流施工方式,但其钻进过程中不能进行钻孔轨迹随钻测量,给煤矿安全开采留下了安全隐患。针对常规回转钻进过程中无法随钻测量钻孔轨迹的关键问题,进行随钻测量数据声波传输的研究,弥补现有随钻测量数据传输方式应用于常规回转钻进的不适应性。首先,通过建立钻杆柱中声波传输数学模型、借助仿真分析软件和搭建声波传输特性试验平台,得到声波在不同钻杆柱结构中传播时幅值衰减和波形变化规律,为数据传输速率的确定提供理论依据;其次,通过建立稀土超磁致伸缩换能器输出特性数学模型和优化激励线圈和预压力系统参数,研制钻孔内声波信号发送装置,为声波传输系统提供大功率高精度信号源;然后,针对接收信号的波形识别问题,通过对识别的信号提取多维特征向量,构建支持向量机分类器,提出SVM多维特征向量提取的波形识别方法,解决煤矿复杂工况条件下声波信号的智能识别问题;最后,通过搭建的随钻测量数据传输平台验证系统在传输距离289.5 m和传输速率10 bit/s条件下的运行效果,证明各模块理论模型、设计方法和整体系统的科学性和有效性。     

孔深及通缆钻杆故障检测仪

针对煤矿井下钻孔施工中孔深检测和通缆钻杆故障点检测问题,为了达到快速检测和验证单个钻孔的深度并检测通缆钻杆故障类型及故障点位置的目的,设计了可同时解决这2种问题的集成式煤矿井下孔深及通缆钻杆故障检测仪,通过介绍检测仪的检测原理、结构设计和应用于常规回转钻进和水平定向钻进施工的使用方式,分析了现场试验中仪器的使用效果。     

煤矿井下近水平定向钻进配套钻杆的研制

针对进口定向钻进装备配套钻具在使用过程中出现的问题,结合我国煤矿具体地质赋存特点和定向钻进技术要求,通过对定向钻进配套钻具工作条件分析、材料优选、结构优化和性能检测,确定了中心通缆钻杆的螺纹结构和信号传递装置结构,研制成功了高强度(￠)73 mm中心通缆钻杆及其配套钻具,并制定了钻杆的性能检测标准.现场工业性试验期间,利用(￠)73 mm中心通缆钻杆实现了煤矿井下近水平定向钻进钻孔深度1 212 m,钻进过程中信号传递实时、高效、可靠,可满足煤矿井下随钻测量千米孔深定向钻进的使用要求.     

顶板高位大直径水平长钻孔配套钻具研制

针对煤矿井下顶板高位大直径水平定向长钻孔施工中常规钻杆出现粘扣、弯曲、断裂等问题,分析了钻杆柱的工作状态,建立了顶板高位大直径长钻孔钻杆柱受力模型和有限元分析模型,明确了钻杆失效的主要原因,通过优化螺纹牙型和接头连接形式,研制了73 mm高韧性高强度钻杆,解决了定向钻孔扩孔钻进时钻杆断裂、粘扣等问题,满足了顶板高位大直径定向长钻孔的施工要求。     

松软突出煤层长钻孔装备及钻进工艺研究

为解决松软突出煤层瓦斯治理过程中,钻孔深度浅、钻进效率低、钻孔事故频发等长期影响煤矿正常生产的难题,从钻机的主要技术参数、负载敏感液压系统、高转速动力头和大行程推进机构等主要方面对高速钻机进行设计研究;并从可反旋转六方扣接头钻杆和高速切削松软煤层钻头2个方面设计长钻孔钻具;通过在具有代表性煤矿井下进行现场试验,对松软突出煤层长钻孔钻进关键工艺技术进行了分析和探讨,最终研制了一套松软突出煤层长钻孔装备与钻进工艺技术,实现了在松软突出煤层钻孔中施工深度不小于300 m的目标。     

钻孔深度测量仪在方位伽马测井中的应用

为了满足煤矿井下随钻方位伽马测井在顺煤层钻进地质导向的应用需求,设计开发了矿用钻孔深度测量仪,为随钻方位伽马测井的数据资料解释提供精确深度数据支持。从组成、工作原理、结构设计、现场试验等几个方面介绍了钻孔深度测量仪在随钻方位伽马测井中的应用情况。通过在地面勘探孔及煤矿井下实钻孔中的试验,表明钻孔深度测量仪测量的深度数据稳定、可靠,可以满足煤矿井下方位伽马测井对钻孔深度测量的需求。     

矿用电磁随钻测量装置及应用

针对有线随钻测量装置的中心通缆钻杆制造成本高、通缆接头易损坏等问题,研制了一种矿用电磁波随钻测量装置。该装置由专用工控机、测量探管、电磁传输探管等部件组成,以钻杆和地层为传输信道,并采用智能电源管理单元延长仪器工作时间。煤矿井下试验结果表明:电磁随钻测量系统工作稳定、测量数据准确、电磁传输可靠,且无需使用中心通缆钻杆,既提高了井下定向钻进的可靠性又显著降低了钻进成本,满足煤矿井下各类定向钻孔的随钻测量要求。     

ZDY3000LG高转速钻机螺旋钻杆的研究与应用

通过对煤矿井下高转速螺旋钻进工艺进行分析,结合ZDY3000LG型钻机参数,设计了ф110/63.5 mm高转速钻进工艺用螺旋钻杆,包括螺距、螺旋头数等参数及联接结构。现场工业试验中,使用设计钻杆钻进最深钻孔深度达330 m,创国内螺旋钻进孔深最高记录,表明螺旋钻杆结构设计合理,强度可靠,能满足高转速螺旋钻进工艺的使用要求。     

电缆湿接头在小口径定向孔中的应用

小口径地质勘探不断向深部发展,受地层条件、孔内事故和孔斜要求等因素影响,很多钻孔需要定向钻进施工。而小口径钻孔一般采用50、60 mm钻具无法满足随钻仪器的下入要求。通过技术攻关及数次现场试验和改进,研制成功了一套小直径电缆湿接头,较好地解决了小通孔钻杆随钻受控定向钻进的关键技术及难点。具体方案为:把测量探管和传输电缆分开,定向测量探管事先与钻具连接,随钻具下放到预定深度,电缆连接信号上接头由钻杆内腔下入,与探管顶部的信号下接头在钻井液中实现电气连接和信号传输,完成定向作业。该方法在国投新集杨村煤矿DF33断层地面探测及注浆工程和莲塘李井田煤炭勘探中进行了试验并成功应用。具有一定的推广应用价值。     

松软特厚强黏结性突出煤层抽放钻孔工艺研究

为了解决松软特厚强黏结性突出煤层中抽放钻孔施工困难的问题,以新疆艾维尔沟矿区1930煤矿2上煤层为研究对象,通过6次现场试验及应用,对常规钻孔工艺与液压钻机配套三棱钻杆水排渣工艺进行对比分析。结果表明,液压钻机配套三棱钻杆水力排渣工艺能够有效避免孔内煤渣黏结,且护孔效果明显,对提高成孔率十分有利。     

深部科学钻探钻杆接头优化措施

地球深部探测对提高我国勘探开发深部资源能力和深部地质研究水平及地位是不可或缺的,深部科学钻探是唯一准确地获取深地实物资料的工程方法。钻杆柱作为深部科学钻探技术的核心与关键,其管柱规格组合与钻杆接头选配决定着钻杆在平衡其自重后的剩余强度和应付孔内复杂情况的能力,尤其是作为连接各钻杆柱短节的钻杆接头的性能直接决定着钻杆柱的使用极限深度。本文从产品类型、结构特点等方面对国内外高性能石油钻杆接头进行了梳理,分析了现有钻杆接头存在的不足与失效的原因,提出了钻杆接头结构改进方案,对提高钻杆柱的可靠性与安全性,延长钻杆使用寿命,使其更好地应用于深部科学钻探,具有一定的科学意义与工程价值。     

中心通缆钻杆及其在煤矿井下定向钻进中的应用

针对煤矿井下定向钻技术对钻杆的随钻测量通讯和强度要求,钻杆采用中心通缆方式,可实时传输钻孔随钻测量信号。采用高强度管材、特种螺纹丝扣结构、摩擦焊技术,可提高钻杆抗拉、压、弯、扭强度。并根据现场使用中存在的问题给出了解决方法。大佛寺煤矿随钻测量应用实例说明中心通缆钻杆满足最大孔深1200 m的随钻测量通讯和钻杆强度要求,朱仙庄梳状孔应用实例说明中心通缆钻杆满足最小弯曲半径54 m定向孔施工,哈沙图煤矿定向钻孔应用实例说明中心通缆钻杆满足急倾斜58°煤层定向孔施工。     

基于漏失量测定的采空区覆岩裂隙带高度探测技术

煤矿井下采空区的形成导致采场周围岩体的应力重新分布，覆岩在垂向上形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带3个不同变形特征的分带，裂隙带高度是瓦斯抽采、矿井防治水等工作的重要参数。分析了煤矿井下采空区覆岩破坏理论和裂隙带高度确定方法研究现状，研究了基于井下钻孔岩层漏失量测定的采空区覆岩裂隙带高度探测技术与方法，研制了水压膨胀式封隔器和双通道式测试管柱等测试设备，水压膨胀式封隔器膨胀系数大，与钻孔壁贴合紧密，实现钻孔分段严密封堵，且体积小、耐磨；双通道式测试管柱，一路用于膨胀孔内封隔器，另一路用于注水测定岩层漏失量，解决了以往采用橡胶软管耐压差、易损坏、软管与钻杆缠绕导致输送困难等问题。黄陵某矿现场应用表明，采用水压膨胀式封隔器和双通道式测试管柱等测试设备、基于漏失量测定的煤矿采空区覆岩裂隙带高度探测技术，可方便、快速、准确地测定采空区覆岩裂隙带高度，为矿井高位孔瓦斯抽采及顶板防治水提供技术依据。     

基于无线测量技术的煤矿工程随钻设备设计

为实现针对井下钻进设施的实时控制，研究设计了一套基于无线测量技术的煤矿工程随钻设备，综合运用倾角传感器、工具面向角传感器、磁方位角传感器等小型传感设备来采集钻井设施当前的姿态参数，通过防爆计算机对各项参数实施编码与计算，并在视频器上实现钻进轨迹参数的图形化显示。经应用试验后发现，研究所提出的煤矿工程随钻设备信号传输距离长、解调准确率高，可充分兼容结构较为简单的钻杆，控制过程稳定。     

煤层瓦斯含量测定方法优化及现场应用

针对现有瓦斯含量测定过程中存在问题进行了分析,研制出了反循环定点快速取样装置,该装置包括取样钻头、双套管钻杆、双通道汽水龙头、煤样收集装置等。装置采用端头杆一端与取样钻头相连,另一端与双套管钻杆连接;通过钻机驱动双壁钻杆带动取样钻头旋转产生煤渣,利用压风在钻孔底形成压风涡流,将煤样带入双壁钻杆内管吹出进入采样装置。同时利用CHP50M煤层瓦斯含量快速测定仪对收集的煤样进行测定,通过对煤层瓦斯含量测定进行优化的现场应用结果表明：取样时间小于3 min,取样深度大于100 m,取样成功后3~5 min后立刻得到煤层瓦斯含量结果,优化了煤层瓦斯含量测定方法。     

复杂煤岩层复合强排渣定向钻进工艺及应用

针对复杂煤岩层顶板高位孔定向钻进技术难题,提出复合强排渣定向钻进工艺,设计了以泥浆脉冲随钻测量系统与三棱螺旋钻杆为核心的强排渣定向钻具组合,分析了三棱螺旋钻杆强排渣技术原理,形成了复合强排渣定向钻进成套装备。在王坡煤矿3314采煤工作面进行了应用研究,结果表明：在以泥岩为代表的复杂顶板岩层中,完成顶板高位定向钻孔6个,成孔率达到100%,最大钻孔深度500m,日平均进尺不低于70m,累计定向钻孔进尺2325m,钻孔成孔效率与成孔率较常规定向钻进工艺大幅提升。为利用顶板高位定向长钻孔代替高抽巷进行工作面及采空区瓦斯抽采治理、保障采煤工作面的安全高效生产提供了技术支撑。     

煤矿智能打钻造穴一体化技术应用

为了进一步提高煤矿安全生产效率,改进防突治理工艺,保障作业人员的身体健康,释放人力资源,研究了煤矿智能打钻造穴一体化技术。以某煤矿具体巷道为例,分析了智能钻冲一体化成套装备,主要为自动化控制打钻车和自动化控制钻杆车,并对比分析了智能打钻造穴一体化装备与普通打钻造穴设备的平均钻进速度、平均扩充速度等指标。研究表明,引入自动化施工设备来代替原始设备,配套使用智能水力冲孔造穴来提高防突治理效率,保障煤矿安全生产,降低人力资源输出和工人的劳动强度,保障工人作业安全。     

深孔定点快速取样技术在钻屑瓦斯解析指标 K1值测试中的应用

钻屑瓦斯解析指标K1值是综合反映煤层瓦斯含量及卸压初期瓦斯解吸速度大小的指标,是确定煤层局部突出危险性程度的关键参数,对煤与瓦斯突出灾害防治起到了重要作用。本文针对煤矿采用麻花钻杆机械排渣取样方法取样测试K1值过程中存在的无法准确确定取样位置和煤样暴露时间,有效测试深度浅,现场测值与实际情况误差较大等问题,利用基于反循环钻进原理研发的深孔定点快速取样技术及装置对K1值合理有效取样测试深度进行了研究。研究结果表明：深孔定点快速取样技术利用双壁钻杆的中心管将钻孔底部煤样快速排出,所取煤样中未掺混钻孔壁上的煤粉,达到了定点取样的要求,保证了测定煤样的有效性,且取得足够数量的煤样时间不超过2min,有效降低了煤样暴露时间,可以有效提高时K1值的有效测定深度及测定结果的准确性,在仲恒煤矿和湾田煤矿采用深孔定点快速取样技术可增加钻屑解吸指标K1值有效测试深度至30m。