煤矿井下定向长钻孔用新型PDC扩孔钻头的研制及应用

针对煤矿井下长钻孔扩孔钻进时,普通PDC扩孔钻头存在钻进效率低,钻头寿命短,可靠性低等问题,结合煤矿井下近水平定向长钻孔扩孔施工的工艺特点,改进扩孔钻头和导向器的结构,研制了一种新型结构组合式PDC扩孔钻头,并进行了现场试验。试验结果证明,新型组合式扩孔钻头具有钻进效率高、寿命长、保直效果好等优点,试验单只钻头累计进尺达2 364 m,满足了煤矿井下近水平定向长钻孔扩孔施工的需求。     

弧角形PDC钻头在煤层顶板高位定向钻孔中的应用

结合定向钻进原理,分析了3种常用PDC定向钻头的结构特点及适用性,并针对地层特性,通过钻头剖面形状设计、刀翼结构设计、切削齿排布等方面的优化,设计了弧角形PDC定向钻头,并进行了现场试验,试验结果表明:弧角形PDC钻头寿命为普通钻头2倍以上,钻进效率提高1倍,钻头能够满足顶板孔定向钻进的要求。     

顶板高位大直径定向钻孔扩孔新技术探索

针对顶板高位大直径定向钻孔施工过程中暴露的扩孔钻进效率低、钻具工作寿命短等问题,提出扭力冲击旋转扩孔技术与反向回拉扩孔技术。在分析现有扭力冲击器产品用于煤矿井下扩孔钻进可行性与反向回拉扩孔技术难点的基础上,完成了扭力冲击器的遴选与改造,研制了216/110 mm型反向回拉式扩孔器,实施了工艺探索试验。试验结果表明:扭力冲击器对于提升顶板高位定向钻孔扩孔效率效果显著,较常规扩孔技术机械钻速提升65%。研制的反向回拉扩孔器工作原理可行,动作可靠,保证回拉扩孔钻进效率的同时,改善扩孔钻具受力工况,对于提升扩孔钻具工作寿命具有积极意义。     

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。     

大直径定向长钻孔用PDC钻头设计与应用

针对煤矿井下中硬地层钻进中采用的常规单齿式PDC定向钻头和常规型扩孔钻头钻进寿命短,效率低,以及常规扩孔钻头在扩孔钻进中难以沿原孔轨迹钻进的缺陷,结合大直径定向长钻孔对三种钻头的需求,研制了两种新型PDC钻头,其中新型PDC定向钻头采用刮刀型平底结构并优化布齿,增加了切削齿数量,扩孔钻头采用圆弧形剖面,并沿切削剖面布齿,增大了切削自由面。针对两种钻头进行了现场应用,现场应用证明,新型PDC定向钻头受控性好,钻进稳定,在中硬地层钻进效率和寿命显著提高,是普通单齿式钻头的2倍,新型扩孔钻头能够沿先导孔轨迹扩孔钻进,钻头寿命是普通扩孔钻头的3倍以上。     

煤层顶板高位定向钻孔扩孔钻杆接头有限元分析

依据正向加压扩孔与反向回拉扩孔钻进工艺方法原理,建立顶板高位大直径定向钻孔扩孔钻杆弯曲姿态几何模型;将钻杆弯曲与钻孔轨迹弯曲叠加,计算出2种扩孔钻进方法钻杆最大综合全角弯曲强度分别为2°～2.5°/3 m、1°～1.5°/3 m;以此为基础建立钻杆公、母接头及装配体三维模型,通过无缝接口导入ABAQUS有限元分析软件;依据扩孔钻进实际工况与钻杆综合弯曲强度计算结果,设置边界条件,施加压力、拉力、弯矩与扭矩等外部载荷,开展有限元数值模拟分析;得出正向加压扩孔与反向回拉扩孔工况条件下,造斜孔段与保直孔段钻杆公、母接头最大应力分布特征,对于顶板高位大直径定向钻孔扩孔钻杆的合理使用具有指导意义。     

煤矿井下顶板高位大直径定向钻孔双级双速扩孔钻头研究北大核心

双级双速扩孔工艺技术可以实现煤矿井下顶板高位大直径定向钻孔的一次高效扩孔,克服常规正向多级扩孔技术方法提下钻工作量大、辅助钻进时间长和钻具安全性较差等局限性。扩孔钻头是实施多动力双级双速扩孔技术的关键工具,为进一步提高双级双速扩孔的碎岩效率,对双级双速扩孔钻头的冠部剖面形状、切削齿直径和切削齿结构参数进行优化设计;在此基础上建立了双级双速扩孔钻头和对应地层三维模型、有限元模型,采用动态分析软件模拟研究3种不同钻头直径的碎岩效果;优选一级钻头ф165~ф152 mm、二级钻头ф165 mm的钻头直径配比,利用新设计的双级双速扩孔钻头进行现场试验,完成2个120 mm钻孔一次钻扩至200 mm实钻施工,累积扩孔进尺474 m,扩孔综合钻效为5.6 m/h,最高钻速可以达到7 m/h。结果表明:双级双速一级钻头能够有效减少二级钻头的碎岩难度,延长钻头寿命,满足双级双速工艺要求,大大提高顶板高位大直径综合钻进施工效率。     

煤矿井下定向扩孔用PDC钻头的改型与应用

为了解决煤矿井下高位定向钻孔二次扩孔施工过程中出现的PDC扩孔钻头寿命低的问题,分析了常规PDC扩孔钻头结构特点,研究了PDC扩孔钻头的切削机理,并从导向器、刀翼、反向切削齿、钻头等方面对PDC扩孔钻头进行了设计改型。现场试验表明,改型后的PDC扩孔钻头单只寿命达800m以上,能够很好地应用于高位定向钻孔扩孔。     

KZ型CCSD专用扩孔钻头的研制

介绍了KZ型CCSD专用扩孔钻头的技术特点、技术指标、钻进工艺参数的确定原则以及钻头生产中的有关事项，并简要介绍了钻头实钻检验的有关情况。     

螺旋钻进快速下筛管工艺配套用PDC钻头的研制与应用

介绍了螺旋钻进工艺和钻杆内快速下筛管工艺技术,研发了一种适用于螺旋钻进快速下筛管工艺配套用干钻式可开闭PDC钻头;钻头结构主要包括钻头体、密闭中心翼片、特殊铰接机构等。在阳煤新景矿试验过程中,累计使用钻头10只,施工钻孔21个,最大孔深205 m,单只钻头平均寿命358 m,筛管下入率达98%。试验表明钻头结构设计合理,开闭结构稳定,适用于该工艺技术的推广应用。     

深孔PDC扩孔钻头研究及计算机辅助设计

介绍了深孔PDC扩孔钻头设计方法,参考了全面钻进PDC钻头设计理论,进行了冠部轮廓设计及等切削布齿理论研究,借助CAD/CAM/CAE一体化三维软件Pro/ENGINEER完成PDC扩孔钻头三维建模,参数化设计提高了PDC布齿的准确性,PDC扩孔钻头可应用到各种扩孔施工,应用前景十分广阔。     

深孔 PDC 扩孔钻头研究及计算机辅助设计

介绍了深孔PDC扩孔钻头设计方法,参考了全面钻进PDC钻头设计理论,进行了冠部轮廓设计及等切削布齿理论研究,借助CAD/CAM/CAE一体化三维软件Pro/ENGINEER完成PDC扩孔钻头三维建模,参数化设计提高了PDC布齿的准确性,PDC扩孔钻头可应用到各种扩孔施工,应用前景十分广阔。     

复杂顶板高位定向长钻孔钻完孔技术

针对亭南煤矿顶板高位定向钻孔施工存在的开孔段地层破碎、定向孔段泥岩缩颈、两级扩孔效率低和瓦斯抽采通道易堵塞等问题,提出了复杂顶板高位定向长钻孔钻完孔技术;集成了大直径套管护孔、缩颈地层扩孔、双级双速一次扩孔和钢筛管完孔等关键技术,配套了大功率定向钻机、泥浆泵车、随钻测量装置、液动螺杆钻具和双级双速扩孔螺杆钻具等钻进装备。在亭南煤矿3410工作面钻场进行了现场应用,顺利施工了2个顶板高位定向钻孔,成孔深度分别为511、610 m,孔径?200 mm,单班扩孔进尺在60 m以上,全孔下入?89 mm护孔钢筛管,钻进过程安全高效,为复杂顶板高位定向钻孔施工提供了一种新的技术途径。     

随钻型水力扩孔钻头的研用

针对穿层钻孔煤层段掏洞施工时存在垮孔严重、排渣困难、钻孔工序复杂、扩孔直径受限等问题,研制了一种随钻型水力扩孔钻头,并进行了现场试验。结果表明:在穿层钻孔施工中,钻头可实现一次下钻同时完成先导孔施工和水射流扩孔施工,大大缩短了施工周期,节约了钻孔成本;在射流扩孔方面,采用8 MPa的压力,每钻进1 m可冲出煤粉约1 t,煤孔直径扩大了约8.4倍,达到了增加煤层暴露面积和卸压范围的目的,从而提高了煤层的透气性,增大了煤层的抽采半径。     

复杂顶板高位定向长钻孔全程下筛管技术实践

针对淮南矿区复杂地层顶板高位定向钻孔施工及瓦斯抽采中存在的钻孔坍塌造成瓦斯抽采通道堵塞问题,研究复杂地层顶板高位定向长钻孔全程下筛管技术;在张集煤矿进行了现场试验,通过对下筛管施工过程中遇到的复杂地层易塌孔、PVC筛管强度低、钢制筛管对测量系统影响、下管工艺流程复杂、遇阻后难处理等问题的分析,针对性的提出确保轨迹平滑、使用钢制筛管、单个钻孔施工完成后及时下管、可切割式导向头及辅助下筛管变径等技术措施;成功实现钻孔平均下管率97%以上,基本实现复杂顶板高位定向长钻孔全程下筛管,保证了瓦斯抽采效果;并利用形成的技术措施在顾桥矿南区成功实现φ73 mm钢制筛管最大下入深度744.6 m,创造煤矿井下φ73 mm钢筛管下放记录,促进"以孔代巷"技术的全面推广应用。     

顶板高位定向大直径长钻孔钻进技术与装备

顶板高位钻孔是治理采空区瓦斯的有效技术手段之一,利用随钻测量定向钻进技术施工顶板高位定向钻孔可显著改善采空区瓦斯治理效果和经济效果。针对当前顶板高位定向钻孔钻进深度浅、钻进效率低和安全措施不够等问题,研制了大功率定向钻进装备、优化了钻进成孔工艺方案和扩孔钻具级配、开发了复合定向钻进技术和大直径扩孔技术等,形成了完整配套的定向钻进技术与装备。现场试验施工的大直径顶板高位定向长钻孔孔径达到153mm,孔深达到1026m,先导孔钻进效率大于41m/班。试验结果表明,研究的钻进技术和装备满足大直径顶板高位定向长钻孔实钻深度、直径和速度的需要,可用于大型工作面的采空区瓦斯抽采治理,对煤矿安全高效开采意义重大。     

刮刀型PDC钻头在煤矿瓦斯抽采钻孔中的应用

为解决煤矿瓦斯抽采钻孔粉砂岩、细砂岩层段三翼内凹PDC钻头钻进效率低、钻头寿命短的问题,对PDC钻头进行了选型并优化设计,通过选用刮刀型PDC钻头,并采用等切削的方法进行钻头布齿,并配套以一定的钻进工艺,在同种地层中取得了较好的钻进效果,解决了钻进效率低、钻头寿命短的问题。     

顶板高位定向长钻孔采空区瓦斯治理关键影响因素研究

针对顶板高位定向长钻孔抽采效果不稳定,无法满足工作面瓦斯动态涌出治理需求等问题,为进一步提高钻孔全生命周期抽采效果,提升“以孔代巷”可替性和普适性,以理论分析、数值模拟、现场试验相结合的方法开展研究,通过研究确定了钻孔施工目标层位,得出了钻孔布置层位、抽采参数及回采期间工作面瓦斯涌出的变化规律,分析了顶板高位定向长钻孔有效治理采空区瓦斯的关键影响因素,可为顶板高位定向长钻孔进一步优化设计和提高抽采效果提供参考。     

采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采瓦斯机理研究

为了提高采空区顶板高位走向长钻孔瓦斯抽采效率,消除工作面上隅角瓦斯超限事故,以山西华晋吉宁煤业有限责任公司2102综采工作面为研究对象,采用数值模拟、理论分析与现场试验相结合的方法,利用3DEC软件模拟计算2102综采工作面回采期间采空区顶板裂隙场演化过程,根据裂隙场、应力场和应变场分布模拟结果在沿工作面推进方向上划分采空区顶板裂隙加强区范围与压实区范围,工作面推进期间煤层顶板在时间上先后经历裂隙加强区和重新压实区,处于裂隙加强区的钻孔部分为钻孔高效抽采作用区域,钻孔高效抽采段长度与钻孔高效抽采段裂隙发育程度共同决定高位走向长钻孔抽采效率,揭示了采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采瓦斯作用机制;在此基础上,在采空区顶板裂隙带高度范围内布置多个高位试验钻孔,进行钻孔瓦斯抽采效果考察,研究结果表明:在保证高位钻孔布置于回风巷内侧顶板裂隙带前提下,最佳布孔层位为距煤层底板60 m左右,同时在高位试验钻孔作用下,上隅角瓦斯体积分数最大值由1.1%降低至0.6%,说明根据回风巷内侧采空区顶板裂隙带高度范围,布置高位走向长钻孔能显著降低上隅角瓦斯浓度。