煤矿瓦斯抽采新技术2-1课件

煤矿瓦斯抽采新技术(教授、博导、国家安全生产专家）国家煤矿瓦斯治理工程研究中心煤矿瓦斯抽采新技术1主要内容

1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术2、松软煤层抽放钻孔关键技术3、立体交叉钻孔布孔增透技术4、水力导喷增流提透技术5、深孔预裂控制爆破增流提透技术

6、煤层气地面抽采进展

7、V锥流量计主要内容21、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术1）简介

（1）长钻孔是实施“先抽后采、抽放达标”的重要前提。近年来，西安院、重庆院等，研制成功了施工长500-1000m钻孔系列装备。（2）定向钻进工艺和稳定组合钻具也是实现长钻孔施工成功的关键。1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术1）简介31、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术1）简介

针对长钻孔施工中的钻孔定位和钻具等关键技术难题，西安院在十五期间，完善了稳定组合钻头、组合钻具，开发了多点即时测斜仪等。①多点即时测斜仪,方位角测量误差小于0.5º，倾角小于0.5º，工具面向角误差小于3º，可以满足施工要求。②由钻头、钻杆和稳定器组成的钻具称之为稳定组合钻具。根据功能的不同，定向钻进中使用的稳定组合钻具有下斜组合保直稳定组合钻具、上仰组合钻具等5种组合。1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术1）简介4

测量系统组成示意图线缆绞车钻机钻具测斜探管控制及显示界面水力输送钻杆推送①钻孔测斜系统(多点即时测斜仪)：由孔口控制单元、测斜探管、线缆绞车组成。根据需要可通过孔口控制单元进行数据测量、记录、显示和存储。

线缆绞车钻机钻具测斜5孔口控制单元功能①深度测量，实时显示②实时记录日期、时间③测量数据和测量结果显示④固定深度值进行报警⑤测量数据管理孔口控制单元功能①深度测量，实时显示62）稳定组合钻头及稳定组合钻具多级组合钻头下斜钻具组合

=球冠侧切削钻头+无磁钻杆+钻进钻杆复合片组合式扩孔钻头内凹复合片钻头2）稳定组合钻头及稳定组合钻具多级组合钻头下斜钻具组合=73）保直钻具组合系列，可提高钻孔定向精度和成孔率①

内凹钻头+扶正器+钻杆+扶正器+钻杆+扶正器+无磁钻杆+钻进钻杆②

内凹钻头+钻杆+扩孔钻头+扶正器+钻杆+扶正器+无磁钻杆+钻进钻杆③

内凹钻头+钻杆+扩孔钻头+钻杆+扩孔钻头+扶正器+无磁钻杆+钻进钻杆3）保直钻具组合系列，可提高钻孔定向精度和成孔率①内凹钻头8

4）应用实例及效果例1、在七台河精煤集团新兴矿41051工作面分别完成了孔深520m、685m和374m的近水平高位岩石定向钻孔。例2、在铜川局玉华矿完成了一个孔深820m定向钻孔。例3、在彬长公司大佛寺矿钻进了深度为705m的长钻孔例4、在寺河矿2305工作面对研制的Φ73mm高强度钻杆、稳定组合钻头和组合钻具进行了试验验证,共钻进三个钻孔，孔深分别为603m、350m和612m的近水平煤层定向钻孔。4）应用实例及效果例1、在七台河精煤集团新兴矿410519

5）煤矿井下瓦斯抽放长钻孔装备及工艺创新点①钻孔施工过程中，钻杆受到拉、压、弯、扭等作用力，断钻事故时有发生，解决了Φ73mm高强度钻杆结构设计与制造关键技术，为减少事故提高成孔率创造了先决条件。②优化出多级组合钻头、钻具和螺旋槽扶正器，增加了钻孔定向精度和成孔率。③测斜仪采用新型半导体传感器，测斜过程中实时显示钻进轨迹及与钻孔设计的方位差，解决了长钻孔施工中的钻孔定位关键技术难题。5）煤矿井下瓦斯抽放长钻孔装备及工艺①钻孔施工过程中102、松软煤层抽放钻孔关键技术

1）问题的提出、技术途径及其进展

①松软煤层钻孔难施工一直制约着我国煤矿瓦斯抽放与突出防治的技术发展。②实践证明，螺旋钻进、压风排渣是松软突出煤层成孔的有效途径，但还需要解决一些关键技术。③“十五”后期及近两年，重庆院等创新研究思路，从工艺和装备两方面入手，通过2年多的攻关研究，取得了实质性的技术突破。2、松软煤层抽放钻孔关键技术1）问题的提出、技术途径及其进11

2）重点核心技术研究进展

①考察研究了钻机钻具转速与排渣效果的关系，确定了螺旋钻机的临界转速，解决或减弱了螺旋钻机施工时因排渣不畅而形成阻塞和憋钻现象。②试验研究了钻进速度与煤的性质、成孔直径、钻具转速的关系，对螺旋钻杆主要参数进行了分析，确定了螺旋钻杆合理螺旋角。③通过对螺旋成孔所需临界转速、钻杆螺旋升角、中心管径、螺距的优化研究，确定了钻机的最优参数，开发出适用于松软煤层顺层长钻孔施工的螺旋钻机和相应的钻具。2）重点核心技术研究进展①考察研究了钻机钻具12150m深孔合理参数的螺旋钻杆设计图150m深孔合理参数的螺旋钻杆设计图13200m深孔合理参数的螺旋钻杆设计图200m深孔合理参数的螺旋钻杆设计图1437kw型螺旋钻机37kw型螺旋钻机15

3）现场实施效果钻孔编号钻孔直径/mm施工角度终孔深度/m卡钻情况终孔原因1#钻孔90+0.5°125.6-钻杆数量不够2#钻孔90-0.5°128.0-钻杆数量不够3#钻孔90-1.0°20.8-见岩石4#钻孔90-0.5°103.2钻进129根钻杆后,卡钻严重，排粉量剧增风压太小0.1MPa5#钻孔90-0.5°120.0-风压太小①打通一矿试验钻孔参数表3）现场实施效果钻孔编号钻孔直径施工角度终孔深度/m卡16②松藻渝阳煤矿现场钻孔对比

在渝阳煤矿煤柱区成孔深度达168m，还能继续钻进，但因见岩而终孔，。在同一地点，用相同能力的钻机，采用矿上现有的螺旋钻杆及钻头作对比试验，最大成孔深度还不到80m，60m左右就卡钻、抱钻，70多m时钻机就不能旋转了。通过现场试验，螺旋钻进成孔技术能成孔160m深度以上，为顺层长钻孔施工从装备和工艺技术上奠定了很好的基础。②松藻渝阳煤矿现场钻孔对比在渝阳煤矿煤柱区成孔深度达17③王坡煤矿3207回风巷顺层长钻孔试验

3207回风巷，煤层较稳定，采用普通钻机和工艺施工顺层钻孔，平均施工深度在60m左右。在2008年5月9日至6月28日期间，在3207回风巷施工了55个下向孔，总计进尺6272m，平均孔深达114.3m，最大成孔深度165m，平均每天成孔187m。

③王坡煤矿3207回风巷顺层长钻孔试验3207回18王坡矿3207回风巷施工钻孔竣工布置图王坡矿3207回风巷施工钻孔竣工布置图19两种钻机在王坡矿3207回风巷施工钻孔深度分布对比图两台螺旋钻机在3207回风巷施工水平长度约为200m，取同一时间段(1个月)各施工的28个钻孔深度对比如下图两种钻机在王坡矿3207回风巷施工钻孔深度分布对比图两台螺旋20②已在松藻打通一矿、渝阳煤矿；邯郸局；丰城矿务局；淮南矿业集团和阳泉新景矿等局矿应用。4）推广应用情况①适用于松软煤层钻进的3个系列钻机：22kw，37kw，55kw型；②已在松藻打通一矿、渝阳煤矿；邯郸局；丰城矿务局；淮南矿业集213、立体交叉钻孔布孔增透技术国内外矿井试验与应用结果表明，立体交叉钻孔预抽能提高瓦斯抽采量、抽采率和煤层透气性系数。不同地质条件下，最优交叉钻孔的间距不同。

1）交叉钻孔布孔增流提透原理：①钻孔交叉点及其邻区塑性与流变范围增大，即卸压范围加大与卸压程度加深，卸压提透增流；②各孔之间互通成网，其任一孔不会出现像平行孔的单一孔那样：某点垮孔或被堵，整个钻孔瓦斯都转化为难流出状态，形成断流或微流③由于工作面推进，从斜向孔孔底最先进入卸压增透区获得卸压流起，一直延续到孔口被回采止，比平行孔在边采边抽卸压带中的时间长，况且在现场软煤中的孔位看不到孔洞，斜孔出露端基本不形成漏气与短路。3、立体交叉钻孔布孔增透技术国内外矿223、立体交叉钻孔布孔增透技术立体交叉钻孔布孔示意图3、立体交叉钻孔布孔增透技术立体交叉钻孔布孔示意图233、立体交叉钻孔布孔增透技术2）焦作九里山矿现场试验研究成果

1994～1995，抚顺院与焦作局合作，在九里山矿13051面进行了交叉孔与平行孔预抽本煤层瓦斯对比的试验研究，平行孔和交叉孔分段分别布置，钻孔直径Φ65mm，钻孔平均长L63.8m，孔间距D2.35～3.0m，斜向孔与平行孔夹角15～20°封孔管内径25mm聚氨酯封堵长1m，封孔深6m,煤均厚m5.2m、倾角17o、瓦斯含量X=16.9m3/t、坚固性系数f=0.2~0.35、煤容重γ=1.3t/m3。结果表明，在同一工作面相同钻孔工程量条件下，交叉孔较传统的平行孔增加瓦斯抽放量0.46～1.02倍。布孔方式钻孔自然涌出量m3/min.hm钻孔瓦斯抽采量m3/min.hm百m孔t天累计瓦斯量m3/hm单孔瓦斯抽采率交叉钻孔q=0.0309e-0.016tq=0.064e-0.0063tQhm=14629(1-e-0.0063t)η=14629(1-e-0.0063t)/XγmLD=1.19(1-e-0.0063t）/D平行钻孔q=0.0116e-0.026tq=0.04e-0.0081tQhm=7111(1-e-0.0081t)η=0.58(1-e-0.0081t）/D九里山矿交叉孔与平行孔瓦斯涌出与抽采规律比较表3、立体交叉钻孔布孔增透技术2）焦作九里山矿现场试验研究成果243、立体交叉钻孔布孔增流提透技术九里山矿13051面交叉孔与平行孔预抽本煤层瓦斯分段布置图3、立体交叉钻孔布孔增流提透技术九里山矿13051面交叉孔与253、立体交叉钻孔布孔增透技术3）推广实例①某矿试验采面斜长168m，煤层总厚4.2m，上分层1.3-1.4m，下分层2.6-2.8m，夹矸厚0.1-0.4m。倾角11-17˚，采深620-750m，瓦斯含量11.4m3／t，渗透率0.01375md。在走向200m试验段布置90个交叉钻孔（45个平行孔，45个斜向孔），钻孔总长7368m。分三组每组30孔，其孔间距分别为2.0m，2.5m，3.0m。孔径75mm，平行孔开孔距底板0.8m，方向垂直风巷，孔长80-90m；斜向孔开孔距底板1.2m，方向与风巷夹角73˚，孔长85-95m，聚氨脂封孔，封孔长1.0m，封孔深度5.0m。抗静电阻燃塑料封孔管径25mm。

不同密度交叉钻孔预抽率与时间关系曲线

η——瓦斯抽采率，%；Qct——t天钻孔百米抽放总量m3；S——平均单孔长度，m；N——布孔方式系数，回风巷或进风巷单向布孔时，N＝1，双向布孔时，N＝2；Q0——煤层原始瓦斯含量，取11.38m3/t；M——煤层厚度，取4.2m；C——孔间距，m；L——工作面长度，m；d——巷道预排瓦斯等值宽度，取20m；r——煤的密度，取1.30t/m3。3、立体交叉钻孔布孔增透技术3）推广实例不同密度交叉钻26②不同孔间距交叉钻孔自然瓦斯涌出量与时间的关系

孔间距2.0m百米交叉孔瓦斯涌出曲线孔间距2.5m百米交叉孔瓦斯涌出曲线孔间距3.0m百米交叉孔瓦斯涌出曲线孔间距/m初始流量m3/min.hm衰减系数d-1极限流量m32.00.04680.011757602.50.03740.012443433.00.02940.029427134、立体交叉钻孔布孔增透技术②不同孔间距交叉钻孔自然瓦斯涌出量与时间的关系孔间距2.273、立体交叉钻孔布孔增透技术

③不同孔间距交叉钻孔瓦斯抽采量与时间的关系孔间距2.0m百米交叉孔抽放量与时间关系孔间距2.5m百米交叉孔抽放量与时间关系孔间距3.0m百米交叉孔瓦斯抽放与时间关系

孔间距/m初始流量m3/min.hm衰减系数d-1极限流量m32.00.04070.011451412.50.03850.015939883.00.03370.019225273、立体交叉钻孔布孔增透技术

③不同孔间距交叉钻孔瓦斯抽采284、水力导喷增流提透技术1）增透原理

依据高瓦斯含量软煤的自喷特性，利用高压水诱导提高喷孔效果，在钻孔周围形成较大的松动卸压区，并在孔群间形成导通裂隙，实现区域性提透增流效果。该方法的关键技术包括：孔群参数优化、诱导钻孔喷孔和封孔抽采技术。4、水力导喷增流提透技术1）增透原理294、水力导喷增流提透技术2）关键技术(孔群参数优化、水力诱导喷孔技术、封孔抽采技术）①孔群参数优化：孔群提透增流效果是通过孔间裂隙的相互沟通来实现的。若孔间距过大，导喷形成的裂隙不能充分沟通钻孔，无法实现孔群范围内的区域性增流提透；若孔间距过小，则钻孔工程量大。应根据地质、瓦斯、喷孔和施工条件，运用现场测试和理论研究方法，优化孔群参数。钻孔直径90mm，孔底间距5～8m。4、水力导喷增流提透技术2）关键技术304、水力导喷增流提透技术2）关键技术②水力诱导喷孔技术：在导喷安全装置保护下实现诱导喷孔施工。利用煤的自喷特性，在钻孔进入煤层时导喷水压为5～10MPa、流量为10m3/h=0.17m3/min，喷出的煤、瓦斯和水经导喷钻进安全装置进入分离器分离。瓦斯分离后进入抽采管路，确保作业地点人员的施工安全。喷孔煤量1～5t/孔。③封孔抽采技术：钻孔竣工后应立即封孔，封孔材料为水泥浆，封孔长度不小于10m，封孔管长度12m、直径40mm。封孔管接入汇流管、气水分离器和支管并入抽采管网进行抽采。集气箱应具有排水除渣功能。钻孔孔口负压不低于25kPa，钻孔平均预抽时间不低于5个月。4、水力导喷增流提透技术2）关键技术314、水力导喷增流提透技术3）底板巷钻场水力导喷穿层钻孔群瓦斯抽采管设施与抽采管路的连接。4、水力导喷增流提透技术3）底板巷钻场水力导喷穿层钻孔群瓦斯324、水力导喷增流提透技术4）导喷钻进安全装置系统导喷安全装置主要包括固定套管、导喷三通、煤水瓦斯分离装置及连接管路。固定套管外径108mm、内径100mm、长2m钢管，一端焊有法兰；导喷三通外径108mm、内径100mm、直管长0.4m、导喷管长0.25m钢管；导喷三通直管两端焊接法兰。导喷三通前端与固定套管连接，后端采用盖板和密封垫实现与钻杆之间的旋转密封，导喷管通过连接管路与分离装置连接。4、水力导喷增流提透技术4）导喷钻进安全装置系统导喷安全装置334、水力导喷增流提透技术5）煤水瓦斯分离器：

①根据喷煤量大小来设计，体积一般为1～6m3，由铁板加工而成。②分离器上部设有进、出口各一个，其直径皆为150mm，进口通过导喷连接管与导喷三通连接，出口通过直径150mm的橡胶管与瓦斯抽采管路相连，瓦斯抽采管路的抽采能力按60m3/min设计；分离器内进、出口之间安设隔水挡板，出口内口安设过滤网，防止煤、水进入瓦斯抽采管路；在分离器侧壁及底部开设若干直径为5mm的小孔，用于进气、排水；分离器下部设有除煤口，用于清除煤渣。4、水力导喷增流提透技术5）煤水瓦斯分离器：344、水力导喷增流提透技术6）安全钻进工艺：在钻孔设计位置首先施工直径150mm、长1.9m的钻孔；将长度为2.0m的固定套管放入钻孔，用速凝水泥将套管与钻孔岩壁固结；用法兰将导喷三通与套管连接后，将带有90mm钻头的钻杆穿过导喷三通进入钻孔，利用盖板和密封垫密封后端头，实现与钻杆的旋转密封；启动钻机，正常钻进至煤层后停钻；用导喷连接管将三通导喷管与煤水瓦斯分离器连接并开启抽采系统，继续钻进，喷孔时，钻机保持旋转，但不推进。7）煤、水、瓦斯分离技术：煤、水、瓦斯通过导喷三通、导喷连接管进入煤水瓦斯分离器后，瓦斯通过出口被吸入抽采管路，水通过侧壁及底部小孔排出，煤渣沉淀于分离器底部，定期清理。8）安全效果：该装置系统可在煤层瓦斯压力10MPa条件下正常工作。能将钻孔过程喷出的煤、水、瓦斯及时进行有效分离，并将瓦斯吸入瓦斯抽采管路，一方面可以保证作业人员安全，另一方面可避免作业场所及附近巷道瓦斯浓度超限及污染，防止发生瓦斯爆炸。4、水力导喷增流提透技术6）安全钻进工艺：在钻孔设计位置首先359）应用：底板巷穿层钻孔条带掩护巷道掘进+顺层钻孔抽采4、水力导喷增流提透技术9）应用：底板巷穿层钻孔条带掩护巷道掘进+顺层钻孔抽采4、水36

用于单一突出危险煤层，在底板岩巷采用水力导喷提透增流技术施工条带穿层钻孔，预抽瓦斯消除顺槽预掘区域的突出危险性；然后掘进顺槽。9）应用：底板岩巷穿层钻孔条带掩护巷道掘进+顺层钻孔抽采4、水力导喷增流提透技术通过板岩巷用于单一突出危险煤层，在底板岩巷采用水力导喷提透增流374、水力导喷增流提透技术

10）实例

在祁南矿713工作面突出危险72煤层底板巷道实施了72煤穿层钻孔群水力导喷增透效果的考察研究。煤层厚度3.5m，倾角5o，透气性系数0.0486m2/Mpa2.d，平均瓦斯压力2.42Mpa，平均瓦斯含量10.4m3/t。（1）最初施工的几个钻孔都有喷孔现象，在最大单孔喷煤量为5t的情况下，导喷系统能安全顺利地将喷出的煤水瓦斯导入分离器、瓦斯被吸入矿井抽放管路、水与煤经分离器排出；作业场所瓦斯浓度能控制在0.5%以下；回风流瓦斯浓度在0.3%以下。（2）最初施工的几个钻孔喷孔后，其周围煤体得到一定程度的卸压，故后期施工的钻孔发生的喷孔强度要小或不喷孔，为增加喷孔比重和喷孔均匀性，应根据地质条件及其喷孔特性优化钻孔施工顺序与距离。4、水力导喷增流提透技术10）实例384、水力导喷增流提透技术钻场编号孔数/个煤层段钻孔总长度/m喷出煤量体积/m3

原始钻孔直径/mm喷孔后煤孔段钻孔当量直径/mm煤孔段孔径扩大倍数/倍1＃钻场5排╳6孔/排=351399.4394258.742.752＃钻场351305.2294198.362.113＃钻场351352.8194142.821.524＃钻场3514011.4594283.103.015＃钻场351357.4794232.862.486＃钻场351289.2194265.532.827＃钻场351406.2394208.822.22总计24594751.82平均231平均2.46（3）

孔群区域内钻孔喷煤量、及其当量钻孔直径等实测值如下表。注：72煤顶板处孔间距5m，钻场间距25m，控制抽采宽度35m、控制范围875m3。4、水力导喷增流提透技术钻场孔数煤层段钻孔总长度/m喷出煤394、水力导喷增流提透技术

（4）实测统计得出：瓦斯抽放平均浓度为47.3%。抽放纯量随时间的变化曲线见下图所示。前半段时间，投入抽放钻孔数为105个，瓦斯抽放纯流量2.34～6.39m3/min，从10月30日起又投入105个钻孔，瓦斯抽采量随之增加，达7.74～10.26m3/min，平均纯流量为8.6m3/min，钻孔总数210个，煤孔总长947m，喷孔总煤量平均当量孔径231mm，单孔平均纯流量为0.041m3/min，平均百m钻孔纯流量0.908m3/min.hm。4、水力导喷增流提透技术（4）实测统计得出：404、水力导喷增流提透技术（5）效果：①通过近5个月的瓦斯抽采，煤巷掘进位置宽35m条带内煤层平均瓦斯含量降至6.2m3/t,瓦斯预抽率达40％，实现了低透气性煤与瓦斯突出煤层的安全、高效抽采瓦斯，变高瓦斯突出危险为低瓦斯无突出危险煤层条带；②煤巷掘进方式由原来的炮掘改为综掘，月平均掘进速度由原来的50～60m提高到150m以上。4、水力导喷增流提透技术（5）效果：415、深孔预裂控制爆破增流提透技术1）简介2）深孔预裂控制爆破增透原理与器材3)深孔预裂控制爆破专用器材的改进4)布孔参数选择5）增流提透效果现场考察研究（1）现场简介（2）煤层透气性考察结果（3）百m钻孔瓦斯流量考察结果（4）百m钻孔极限瓦斯量对比（5）百m钻孔瓦斯抽采率对比5、深孔预裂控制爆破增流提透技术1）简介427、V锥流量计8）V型锥流量传感器应用情况目前在煤矿、石化、热能、供水等领域广泛应用。锥具有独特的“自整流、自清洁”功能。流体在节流元件的作用下，流场将，流场将经过“非稳定流—>稳定流)。恒（常）流”盼变化过程，在节流件的上游部分达到差压式流量计测量原理所需要的理想前提条件，前后直管段要求较短，一般上游只需o一3D，下游只需o一1D。从本质上保证了能广泛适用各种复杂现场，特别适合以下场所：脏污介质、直管段不足的场所、对精度要求高的场所。作为发展中国家和《京都议定书》缔约国，在温室气体排放方面享有相关优惠条件，CDM目对瓦斯流量的监测在测量精度和稳定性方面要求很高。重庆将V型内锥瓦斯输送管道流量传感检测技术广泛运用到CDM项目中，很受煤矿现场用户欢迎。主要业绩包括：山西阳城县局与国际能源集团建设的CDM项目，包括：皇城相府风景区、白沟电厂、屯城电厂、易塬煤矿等多个瓦斯利用单位，效果良好，该项目在联合国交易平台中注册顺序为全球第七家，已经通过联合国专家组的验收。四）11，荚蓉矿区(0MCDM项目，包括：白皎、杉木树、红卫、芙蓉电厂、珙泉等多个瓦斯监测测点，效良好，已经通过联合国专家组的验收。河南登封磴槽集团金岭矿电厂CDM项目，效果良好，已经通过联合国专家组的验收。他还包括水城矿业集团民用瓦斯CDM项目、盘江煤电集团山脚树电厂CDM项目等。7、V锥流量计8）V型锥流量传感器应用情况43经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量StudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量写44谢谢你的到来学习并没有结束，希望大家继续努力LearningIsNotOver.IHopeYouWillContinueToWorkHard演讲人：XXXXXX时间：XX年XX月XX日

谢谢你的到来演讲人：XXXXXX45煤矿瓦斯抽采新技术(教授、博导、国家安全生产专家）国家煤矿瓦斯治理工程研究中心煤矿瓦斯抽采新技术46主要内容

1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术2、松软煤层抽放钻孔关键技术3、立体交叉钻孔布孔增透技术4、水力导喷增流提透技术5、深孔预裂控制爆破增流提透技术

6、煤层气地面抽采进展

7、V锥流量计主要内容471、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术1）简介

（1）长钻孔是实施“先抽后采、抽放达标”的重要前提。近年来，西安院、重庆院等，研制成功了施工长500-1000m钻孔系列装备。（2）定向钻进工艺和稳定组合钻具也是实现长钻孔施工成功的关键。1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术1）简介481、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术1）简介

针对长钻孔施工中的钻孔定位和钻具等关键技术难题，西安院在十五期间，完善了稳定组合钻头、组合钻具，开发了多点即时测斜仪等。①多点即时测斜仪,方位角测量误差小于0.5º，倾角小于0.5º，工具面向角误差小于3º，可以满足施工要求。②由钻头、钻杆和稳定器组成的钻具称之为稳定组合钻具。根据功能的不同，定向钻进中使用的稳定组合钻具有下斜组合保直稳定组合钻具、上仰组合钻具等5种组合。1、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术1）简介49

测量系统组成示意图线缆绞车钻机钻具测斜探管控制及显示界面水力输送钻杆推送①钻孔测斜系统(多点即时测斜仪)：由孔口控制单元、测斜探管、线缆绞车组成。根据需要可通过孔口控制单元进行数据测量、记录、显示和存储。

线缆绞车钻机钻具测斜50孔口控制单元功能①深度测量，实时显示②实时记录日期、时间③测量数据和测量结果显示④固定深度值进行报警⑤测量数据管理孔口控制单元功能①深度测量，实时显示512）稳定组合钻头及稳定组合钻具多级组合钻头下斜钻具组合

=球冠侧切削钻头+无磁钻杆+钻进钻杆复合片组合式扩孔钻头内凹复合片钻头2）稳定组合钻头及稳定组合钻具多级组合钻头下斜钻具组合=523）保直钻具组合系列，可提高钻孔定向精度和成孔率①

内凹钻头+扶正器+钻杆+扶正器+钻杆+扶正器+无磁钻杆+钻进钻杆②

内凹钻头+钻杆+扩孔钻头+扶正器+钻杆+扶正器+无磁钻杆+钻进钻杆③

内凹钻头+钻杆+扩孔钻头+钻杆+扩孔钻头+扶正器+无磁钻杆+钻进钻杆3）保直钻具组合系列，可提高钻孔定向精度和成孔率①内凹钻头53

4）应用实例及效果例1、在七台河精煤集团新兴矿41051工作面分别完成了孔深520m、685m和374m的近水平高位岩石定向钻孔。例2、在铜川局玉华矿完成了一个孔深820m定向钻孔。例3、在彬长公司大佛寺矿钻进了深度为705m的长钻孔例4、在寺河矿2305工作面对研制的Φ73mm高强度钻杆、稳定组合钻头和组合钻具进行了试验验证,共钻进三个钻孔，孔深分别为603m、350m和612m的近水平煤层定向钻孔。4）应用实例及效果例1、在七台河精煤集团新兴矿4105154

5）煤矿井下瓦斯抽放长钻孔装备及工艺创新点①钻孔施工过程中，钻杆受到拉、压、弯、扭等作用力，断钻事故时有发生，解决了Φ73mm高强度钻杆结构设计与制造关键技术，为减少事故提高成孔率创造了先决条件。②优化出多级组合钻头、钻具和螺旋槽扶正器，增加了钻孔定向精度和成孔率。③测斜仪采用新型半导体传感器，测斜过程中实时显示钻进轨迹及与钻孔设计的方位差，解决了长钻孔施工中的钻孔定位关键技术难题。5）煤矿井下瓦斯抽放长钻孔装备及工艺①钻孔施工过程中552、松软煤层抽放钻孔关键技术

1）问题的提出、技术途径及其进展

①松软煤层钻孔难施工一直制约着我国煤矿瓦斯抽放与突出防治的技术发展。②实践证明，螺旋钻进、压风排渣是松软突出煤层成孔的有效途径，但还需要解决一些关键技术。③“十五”后期及近两年，重庆院等创新研究思路，从工艺和装备两方面入手，通过2年多的攻关研究，取得了实质性的技术突破。2、松软煤层抽放钻孔关键技术1）问题的提出、技术途径及其进56

2）重点核心技术研究进展

①考察研究了钻机钻具转速与排渣效果的关系，确定了螺旋钻机的临界转速，解决或减弱了螺旋钻机施工时因排渣不畅而形成阻塞和憋钻现象。②试验研究了钻进速度与煤的性质、成孔直径、钻具转速的关系，对螺旋钻杆主要参数进行了分析，确定了螺旋钻杆合理螺旋角。③通过对螺旋成孔所需临界转速、钻杆螺旋升角、中心管径、螺距的优化研究，确定了钻机的最优参数，开发出适用于松软煤层顺层长钻孔施工的螺旋钻机和相应的钻具。2）重点核心技术研究进展①考察研究了钻机钻具57150m深孔合理参数的螺旋钻杆设计图150m深孔合理参数的螺旋钻杆设计图58200m深孔合理参数的螺旋钻杆设计图200m深孔合理参数的螺旋钻杆设计图5937kw型螺旋钻机37kw型螺旋钻机60

3）现场实施效果钻孔编号钻孔直径/mm施工角度终孔深度/m卡钻情况终孔原因1#钻孔90+0.5°125.6-钻杆数量不够2#钻孔90-0.5°128.0-钻杆数量不够3#钻孔90-1.0°20.8-见岩石4#钻孔90-0.5°103.2钻进129根钻杆后,卡钻严重，排粉量剧增风压太小0.1MPa5#钻孔90-0.5°120.0-风压太小①打通一矿试验钻孔参数表3）现场实施效果钻孔编号钻孔直径施工角度终孔深度/m卡61②松藻渝阳煤矿现场钻孔对比

在渝阳煤矿煤柱区成孔深度达168m，还能继续钻进，但因见岩而终孔，。在同一地点，用相同能力的钻机，采用矿上现有的螺旋钻杆及钻头作对比试验，最大成孔深度还不到80m，60m左右就卡钻、抱钻，70多m时钻机就不能旋转了。通过现场试验，螺旋钻进成孔技术能成孔160m深度以上，为顺层长钻孔施工从装备和工艺技术上奠定了很好的基础。②松藻渝阳煤矿现场钻孔对比在渝阳煤矿煤柱区成孔深度达62③王坡煤矿3207回风巷顺层长钻孔试验

3207回风巷，煤层较稳定，采用普通钻机和工艺施工顺层钻孔，平均施工深度在60m左右。在2008年5月9日至6月28日期间，在3207回风巷施工了55个下向孔，总计进尺6272m，平均孔深达114.3m，最大成孔深度165m，平均每天成孔187m。

③王坡煤矿3207回风巷顺层长钻孔试验3207回63王坡矿3207回风巷施工钻孔竣工布置图王坡矿3207回风巷施工钻孔竣工布置图64两种钻机在王坡矿3207回风巷施工钻孔深度分布对比图两台螺旋钻机在3207回风巷施工水平长度约为200m，取同一时间段(1个月)各施工的28个钻孔深度对比如下图两种钻机在王坡矿3207回风巷施工钻孔深度分布对比图两台螺旋65②已在松藻打通一矿、渝阳煤矿；邯郸局；丰城矿务局；淮南矿业集团和阳泉新景矿等局矿应用。4）推广应用情况①适用于松软煤层钻进的3个系列钻机：22kw，37kw，55kw型；②已在松藻打通一矿、渝阳煤矿；邯郸局；丰城矿务局；淮南矿业集663、立体交叉钻孔布孔增透技术国内外矿井试验与应用结果表明，立体交叉钻孔预抽能提高瓦斯抽采量、抽采率和煤层透气性系数。不同地质条件下，最优交叉钻孔的间距不同。

1）交叉钻孔布孔增流提透原理：①钻孔交叉点及其邻区塑性与流变范围增大，即卸压范围加大与卸压程度加深，卸压提透增流；②各孔之间互通成网，其任一孔不会出现像平行孔的单一孔那样：某点垮孔或被堵，整个钻孔瓦斯都转化为难流出状态，形成断流或微流③由于工作面推进，从斜向孔孔底最先进入卸压增透区获得卸压流起，一直延续到孔口被回采止，比平行孔在边采边抽卸压带中的时间长，况且在现场软煤中的孔位看不到孔洞，斜孔出露端基本不形成漏气与短路。3、立体交叉钻孔布孔增透技术国内外矿673、立体交叉钻孔布孔增透技术立体交叉钻孔布孔示意图3、立体交叉钻孔布孔增透技术立体交叉钻孔布孔示意图683、立体交叉钻孔布孔增透技术2）焦作九里山矿现场试验研究成果

1994～1995，抚顺院与焦作局合作，在九里山矿13051面进行了交叉孔与平行孔预抽本煤层瓦斯对比的试验研究，平行孔和交叉孔分段分别布置，钻孔直径Φ65mm，钻孔平均长L63.8m，孔间距D2.35～3.0m，斜向孔与平行孔夹角15～20°封孔管内径25mm聚氨酯封堵长1m，封孔深6m,煤均厚m5.2m、倾角17o、瓦斯含量X=16.9m3/t、坚固性系数f=0.2~0.35、煤容重γ=1.3t/m3。结果表明，在同一工作面相同钻孔工程量条件下，交叉孔较传统的平行孔增加瓦斯抽放量0.46～1.02倍。布孔方式钻孔自然涌出量m3/min.hm钻孔瓦斯抽采量m3/min.hm百m孔t天累计瓦斯量m3/hm单孔瓦斯抽采率交叉钻孔q=0.0309e-0.016tq=0.064e-0.0063tQhm=14629(1-e-0.0063t)η=14629(1-e-0.0063t)/XγmLD=1.19(1-e-0.0063t）/D平行钻孔q=0.0116e-0.026tq=0.04e-0.0081tQhm=7111(1-e-0.0081t)η=0.58(1-e-0.0081t）/D九里山矿交叉孔与平行孔瓦斯涌出与抽采规律比较表3、立体交叉钻孔布孔增透技术2）焦作九里山矿现场试验研究成果693、立体交叉钻孔布孔增流提透技术九里山矿13051面交叉孔与平行孔预抽本煤层瓦斯分段布置图3、立体交叉钻孔布孔增流提透技术九里山矿13051面交叉孔与703、立体交叉钻孔布孔增透技术3）推广实例①某矿试验采面斜长168m，煤层总厚4.2m，上分层1.3-1.4m，下分层2.6-2.8m，夹矸厚0.1-0.4m。倾角11-17˚，采深620-750m，瓦斯含量11.4m3／t，渗透率0.01375md。在走向200m试验段布置90个交叉钻孔（45个平行孔，45个斜向孔），钻孔总长7368m。分三组每组30孔，其孔间距分别为2.0m，2.5m，3.0m。孔径75mm，平行孔开孔距底板0.8m，方向垂直风巷，孔长80-90m；斜向孔开孔距底板1.2m，方向与风巷夹角73˚，孔长85-95m，聚氨脂封孔，封孔长1.0m，封孔深度5.0m。抗静电阻燃塑料封孔管径25mm。

不同密度交叉钻孔预抽率与时间关系曲线

η——瓦斯抽采率，%；Qct——t天钻孔百米抽放总量m3；S——平均单孔长度，m；N——布孔方式系数，回风巷或进风巷单向布孔时，N＝1，双向布孔时，N＝2；Q0——煤层原始瓦斯含量，取11.38m3/t；M——煤层厚度，取4.2m；C——孔间距，m；L——工作面长度，m；d——巷道预排瓦斯等值宽度，取20m；r——煤的密度，取1.30t/m3。3、立体交叉钻孔布孔增透技术3）推广实例不同密度交叉钻71②不同孔间距交叉钻孔自然瓦斯涌出量与时间的关系

孔间距2.0m百米交叉孔瓦斯涌出曲线孔间距2.5m百米交叉孔瓦斯涌出曲线孔间距3.0m百米交叉孔瓦斯涌出曲线孔间距/m初始流量m3/min.hm衰减系数d-1极限流量m32.00.04680.011757602.50.03740.012443433.00.02940.029427134、立体交叉钻孔布孔增透技术②不同孔间距交叉钻孔自然瓦斯涌出量与时间的关系孔间距2.723、立体交叉钻孔布孔增透技术

③不同孔间距交叉钻孔瓦斯抽采量与时间的关系孔间距2.0m百米交叉孔抽放量与时间关系孔间距2.5m百米交叉孔抽放量与时间关系孔间距3.0m百米交叉孔瓦斯抽放与时间关系

孔间距/m初始流量m3/min.hm衰减系数d-1极限流量m32.00.04070.011451412.50.03850.015939883.00.03370.019225273、立体交叉钻孔布孔增透技术

③不同孔间距交叉钻孔瓦斯抽采734、水力导喷增流提透技术1）增透原理

依据高瓦斯含量软煤的自喷特性，利用高压水诱导提高喷孔效果，在钻孔周围形成较大的松动卸压区，并在孔群间形成导通裂隙，实现区域性提透增流效果。该方法的关键技术包括：孔群参数优化、诱导钻孔喷孔和封孔抽采技术。4、水力导喷增流提透技术1）增透原理744、水力导喷增流提透技术2）关键技术(孔群参数优化、水力诱导喷孔技术、封孔抽采技术）①孔群参数优化：孔群提透增流效果是通过孔间裂隙的相互沟通来实现的。若孔间距过大，导喷形成的裂隙不能充分沟通钻孔，无法实现孔群范围内的区域性增流提透；若孔间距过小，则钻孔工程量大。应根据地质、瓦斯、喷孔和施工条件，运用现场测试和理论研究方法，优化孔群参数。钻孔直径90mm，孔底间距5～8m。4、水力导喷增流提透技术2）关键技术754、水力导喷增流提透技术2）关键技术②水力诱导喷孔技术：在导喷安全装置保护下实现诱导喷孔施工。利用煤的自喷特性，在钻孔进入煤层时导喷水压为5～10MPa、流量为10m3/h=0.17m3/min，喷出的煤、瓦斯和水经导喷钻进安全装置进入分离器分离。瓦斯分离后进入抽采管路，确保作业地点人员的施工安全。喷孔煤量1～5t/孔。③封孔抽采技术：钻孔竣工后应立即封孔，封孔材料为水泥浆，封孔长度不小于10m，封孔管长度12m、直径40mm。封孔管接入汇流管、气水分离器和支管并入抽采管网进行抽采。集气箱应具有排水除渣功能。钻孔孔口负压不低于25kPa，钻孔平均预抽时间不低于5个月。4、水力导喷增流提透技术2）关键技术764、水力导喷增流提透技术3）底板巷钻场水力导喷穿层钻孔群瓦斯抽采管设施与抽采管路的连接。4、水力导喷增流提透技术3）底板巷钻场水力导喷穿层钻孔群瓦斯774、水力导喷增流提透技术4）导喷钻进安全装置系统导喷安全装置主要包括固定套管、导喷三通、煤水瓦斯分离装置及连接管路。固定套管外径108mm、内径100mm、长2m钢管，一端焊有法兰；导喷三通外径108mm、内径100mm、直管长0.4m、导喷管长0.25m钢管；导喷三通直管两端焊接法兰。导喷三通前端与固定套管连接，后端采用盖板和密封垫实现与钻杆之间的旋转密封，导喷管通过连接管路与分离装置连接。4、水力导喷增流提透技术4）导喷钻进安全装置系统导喷安全装置784、水力导喷增流提透技术5）煤水瓦斯分离器：

①根据喷煤量大小来设计，体积一般为1～6m3，由铁板加工而成。②分离器上部设有进、出口各一个，其直径皆为150mm，进口通过导喷连接管与导喷三通连接，出口通过直径150mm的橡胶管与瓦斯抽采管路相连，瓦斯抽采管路的抽采能力按60m3/min设计；分离器内进、出口之间安设隔水挡板，出口内口安设过滤网，防止煤、水进入瓦斯抽采管路；在分离器侧壁及底部开设若干直径为5mm的小孔，用于进气、排水；分离器下部设有除煤口，用于清除煤渣。4、水力导喷增流提透技术5）煤水瓦斯分离器：794、水力导喷增流提透技术6）安全钻进工艺：在钻孔设计位置首先施工直径150mm、长1.9m的钻孔；将长度为2.0m的固定套管放入钻孔，用速凝水泥将套管与钻孔岩壁固结；用法兰将导喷三通与套管连接后，将带有90mm钻头的钻杆穿过导喷三通进入钻孔，利用盖板和密封垫密封后端头，实现与钻杆的旋转密封；启动钻机，正常钻进至煤层后停钻；用导喷连接管将三通导喷管与煤水瓦斯分离器连接并开启抽采系统，继续钻进，喷孔时，钻机保持旋转，但不推进。7）煤、水、瓦斯分离技术：煤、水、瓦斯通过导喷三通、导喷连接管进入煤水瓦斯分离器后，瓦斯通过出口被吸入抽采管路，水通过侧壁及底部小孔排出，煤渣沉淀于分离器底部，定期清理。8）安全效果：该装置系统可在煤层瓦斯压力10MPa条件下正常工作。能将钻孔过程喷出的煤、水、瓦斯及时进行有效分离，并将瓦斯吸入瓦斯抽采管路，一方面可以保证作业人员安全，另一方面可避免作业场所及附近巷道瓦斯浓度超限及污染，防止发生瓦斯爆炸。4、水力导喷增流提透技术6）安全钻进工艺：在钻孔设计位置首先809）应用：底板巷穿层钻孔条带掩护巷道掘进+顺层钻孔抽采4、水力导喷增流提透技术9）应用：底板巷穿层钻孔条带掩护巷道掘进+顺层钻孔抽采4、水81

用于单一突出危险煤层，在底板岩巷采用水力导喷提透增流技术施工条带穿层钻孔，预抽瓦斯消除顺槽预掘区域的突出危险性；然后掘进顺槽。9）应用：底板岩巷穿层钻孔条带掩护巷道掘进+顺层钻孔抽采4、水力导喷增流提透技术通过板岩巷用于单一突出危险煤层，在底板岩巷采用水力导喷提透增流824、水力导喷增流提透技术

10）实例

在祁南矿713工作面突出危险72煤层底板巷道实施了72煤穿层钻孔群水力导喷增透效果的考察研究。煤层厚度3.5m，倾角5o，透气性系数0.0486m2/Mpa2.d，平均瓦斯压力2.42Mpa，平均瓦斯含量10.4m3/t。（1）最初施工的几个钻孔都有喷孔现象，在最大单孔喷煤量为5t的情况下，导喷系统能安全顺利地将喷出的煤水瓦斯导入分离器、瓦斯被吸入矿井抽放管路、水与煤经分离器排出；作业场所瓦斯浓度能控制在0.5%以下；回风流瓦斯浓度在0.3%以下。（2）最初施工的几个钻孔喷孔后，其周围煤体得到一定程度的卸压，故后期施工的钻孔发生的喷孔强度要小或不喷孔，为增加喷孔比重和喷孔均匀性，应根据地质条件及其喷孔特性优化钻孔施工顺序与距离。4、水力导喷增流提透技术10）实例834、水力导喷增流提透技术钻场编号孔数/个煤层段钻孔总长度/m喷出煤量体积/m3

原始钻孔直径/mm喷孔后煤孔段钻孔当量直径/mm煤孔段孔径扩大倍数/倍1＃钻