定向钻机在煤矿瓦斯治理中的应用.pdf

2023 年第 9 期2023 年 9 月随着科学技术的进步，煤矿生产中的设备渐渐增多，降低了矿工的工作强度，避免了很多安全事故的发生。但煤矿中还是存在一些不可避免的影响安全的因素，例如瓦斯等。矿井内瓦斯浓度一旦超标，就会引发特大安全事故。因此，在钻机钻进过程中，必须严格控制瓦斯浓度，避免事故发生。为了保证矿井瓦斯浓度符合标准，相关研究人员需要设计大功率钻进设备。矿井内采用定向钻机钻进时，由于煤层钻孔越来越深入，必须对钻孔中的瓦斯进行及时处理。1矿井瓦斯爆炸相关情况分析通常来讲，矿井内发生瓦斯爆炸，是因为矿井内瓦斯浓度过高，当瓦斯达到一定的燃点时就会发生爆炸。因此矿井作业中，工作人员应该对瓦斯浓度进行严格把控。瓦斯浓度在正常范围内就不会发生爆炸，也不会影响矿井工作人员的安全。一旦矿井瓦斯浓度超标或接近临界点，就极易发生特大爆炸事故。另外，在普通环境下瓦斯只要达到 650 就会燃烧或发生爆炸1。矿井内的作业环境与普通环境不同，矿井施工致使井内温度升高，达到燃点后就会发生瓦斯爆炸。此外，矿井内的 O2含量也是瓦斯燃烧的影响因素。井内 O2含量一旦超标，在所有因素共同作用下就会发生瓦斯爆炸。瓦斯爆炸会产生强大的冲击力，不仅会损坏已完成的工程，还会严重影响工作人员的生命安全，且浪费资源。并且爆炸时还会产生大量的 CO2与 CO，致使人员碳中毒，污染周边环境。2定向钻进技术研究思路与原理2.1基本需求分析在对顶板进行钻进时，一旦发现有破碎岩层，需要运用回转钻的方法继续工作，达到延伸钻孔的目的。在深度钻进时，对枝状钻孔群要采用复合措施，这样可以提高钻进工作的效率。一般有 2 种钻进方式，即复合钻进和定向钻进。为了确保瓦斯抽采的顺利进行，必须保证深度钻孔的长度为 1 500 m 左右2。为了避免钻机工作过程中钻头被卡住，将钻机设计为具有较大的输出扭矩，而且还要具备起拔能力。同时，应针对作业区附近的地质环境情况进行勘测及分析研究，并据此设计钻机对应的功能结构3。图 1 为定向钻机的基本工作流程图。2.2关键技术原理研究2.2.1总体布局设计在总体布局设计中，如果不重视钻机设备的整体设计和运动方式，设备的尺寸、性能以及安全性等就会受到不利的影响。在利用大功率定向钻井设备进行作业时，需采用全液压方式开展作业，且设备结构应设计为履带式，采用两列式布置结构，从而使结构更加紧凑。收稿日期：2022-12-25作者简介：高云，1976 年生，男，山西黎城人，工程师，主要从事煤矿机电方面的工作。定向钻机在煤矿瓦斯治理中的应用高云（山西潞安工程有限公司，山西 长治 046100）摘要：煤炭资源开发和利用极大程度地推动了经济的发展袁 但是在实际开采中可能会发生瓦斯超标或瓦斯爆炸事故袁给煤矿企业带来一定的经济损失袁 因此袁 煤矿企业将定向钻机应用在瓦斯治理中袁 降低了煤矿瓦斯风险遥 主要介绍了定向钻进技术研究思路与原理袁 探讨了定向钻机在煤矿瓦斯治理中的具体应用袁 为煤矿企业提供一定的参考遥关键词：煤矿曰 定向钻机曰 瓦斯治理中图分类号：TD712+.6文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)09-0212-03Application of Directional Drilling Rig in Coal Mine Gas ControlGAO Yun(Shanxi Luan Engineering Co.,Ltd.,Changzhi 046100,Shanxi,China)Abstract:The development and utilization of coal resources have greatly promoted the development of economy,but there maybe gas exceeding the standard or gas explosion accidents in actual mining,which will bring certain economic losses to coal miningenterprises.Therefore,coal mining enterprises will apply directional drilling rig in gas control to reduce the risk of coal mine gas.The research idea and principle of directional drilling technology was mainly introduced,the specific application of directionaldrilling rig in coal mine gas control was discussed,which can provide some reference for coal mine enterprises.Key words:coal mine;directional drilling rig;gas control（总第 216 期）实践运用2122023 年第 9 期2023 年 9 月设备的主机与操作台应在底盘上布置，再运用液压管路把各部件连接起来，并且对双履带采用平行设计，利用液压油缸和地锚完成对设备的固定。实时监测钻孔数据，对定向钻进设备作业实际情况进行分析。图 2为煤矿井下整体定向钻进设备模拟图。图 1定向钻机的基本工作流程图图 2煤矿井下整体定向钻进设备模拟图2.2.2回转器设计回转器的工作原理是利用钻具的驱动进行回转，不仅能传递扭矩和回转速度，还可以配合实现钻杆拧卸。为了使较大能量的传递和小型构造的矛盾得到解决，必须采用双液控变量液压电机。该电机的主要工作原理是通过采用行星齿轮、斜齿轮，起到两级减速的作用，并有效地输出转矩和转速。作业过程中需要输出转矩，并需要设计合适的两级传动比。依照钻机设备的需求，运用具有通孔结构的回转器，并针对重要部件进行及时优化，最终确定主轴通孔直径为135 mm，其优势是适合各种型号的钻具。研究齿轮工作性能时，要按照齿轮的需求选择合适的材料及结构设计，并进行及时优化处理，以实现较大的输出功率和输出转矩4。2.2.3托板设计主机单元中，托板的主要作用是连接给进机身与回转器，并将给进力输送至回转器，能起到前后位移的作用。为了提高托板的强度，应采用整体式结构方式完成铸造；为了减少作业过程中钻杆丝扣的损耗，需对液压系统给进油缸和托板之间进行特殊处理。托板是钻机中的一个受力零件，托板结构也需要被优化，利用三维软件设计托板三维模型，再采用网格划分方式选择单元类型，查看网络划分的实际效果；对托板在实际作业中的受力情况进行分析，设立参考点作为主轴中心，进行静力学仿真实验。3基于定向钻机的瓦斯抽采钻孔目前，深孔定向钻进技术广泛应用于各大煤矿，进行瓦斯抽采与地质勘测。定向钻进技术的核心是孔内马达驱动及相匹配的测量技术。在钻进时，由于只有钻头在旋转，降低了钻机负载。在合适的位置安装弯接头有利于分支孔的钻进。保证钻进轨迹与设计轨迹一致，钻孔时必须严格把控测量参数，包括弯接头的方向、方位角及侧角，根据实际测量的参数，运用三角函数计算任意一个测点的坐标，利用坐标描述钻进轨迹在水平面与垂直面的投影，再根据实际坐标与设计轨迹的对比确认差异情况，依照对比数据对弯接头的具体方向进行适当的调节，最后确保实际钻进轨迹与设计轨迹无偏差5。图 3 为定向钻机随钻测定瓦斯压力的设备结构示意图。1定向钻机钻头；2孔底马达；3下无磁钻杆；4测量探管；5上无磁钻杆；6瓦斯压力测定装置；7中心通缆钻杆；8输水设备；9信号通信电缆；10输水管路；11压力泵；12孔口监视器。图 3定向钻机随钻测定瓦斯压力的设备结构示意图3.1钻孔设计在钻进之前，应派专人围绕布孔需求收集各种参考资料，包括地质条件、已有的测量数据等，再基于这些资料精确确定钻孔设计参数，例如：水平面与垂直面的投影等。同时，还要做好工作的交接，保证施工人员意识到施工的重要意义，从而为后续钻孔工作奠定基础。3.2开孔将孔内马达放入孔中，再将它与钻杆连接，并在是否偏离设计轨迹钻孔测量定向钻进安装螺杆马达螺杆马达测试准备配套机具设计定向钻调整外管弯调整工具面向定向钻进终孔NY钻杆无磁钻杆定向钻头1.25毅通信电缆孔口防爆计算机高压水管定向钻机螺杆钻具测量探管泥泵泵车送水器121110918765432高云：定向钻机在煤矿瓦斯治理中的应用2132023 年第 9 期2023 年 9 月参考文献：1 王嘉琪.煤矿综合机械化采煤设备与工艺的应用分析 J.现代工业经济和信息化，2022，12(8)：125-126.2 于建兵.煤矿综合机械化采煤设备与工艺的应用分析 J.矿业装备，2021(6)：160-161.3 张汝伟.综合机械化固体充填采煤技术的分析 J.当代化工研究，2021(14)：55-56.4 樊占军.煤矿综合机械化采煤工艺探究 J.黑龙江科学，2022，13(12)：110-111.5 单涛.煤矿综合机械化采煤设备与工艺的应用分析 J.当代化工研究，2021(11)：141-142.6 高龙鹏.关于煤矿综合机械化采煤设备及工艺研究 J.冶金管理，2020(11)：11-12.7 王晓东.浅谈综合机械化采煤工艺 J.石化技术，2020，27(4)：40.8 贾文冶.煤矿采煤中的综合机械化采煤工艺研究 J.中国石油和化工标准与质量，2020，40(4)：236-237.（编辑：刘晓芳）（上接第 208 页）孔口处设置安全装置，例如气水分离器、防喷孔器等，最后利用孔外仪开展实际开孔作业6。开孔作业通常利用直径 150 mm 的扩孔器进行扩孔，扩孔长达 6 m，拔出扩孔器，然后根据要求进行封孔（封孔通常用到的材料有水泥或聚氨酯）。3.3钻进定向钻机钻进与传统钻机钻进的操作工序基本一致。首先开启水泵，发现钻孔内返水时，要及时查看返渣是否正常，确认正常后加压钻进。测量间距保持6 m。画出钻孔在水平面与垂直面的坐标投影，与设计轨迹进行对比，如果有位置差异，要及时根据实际情况做调整7。上述工序重复若干次之后，应把 2 个探顶点连线的延长线当作下段钻进作业中的重要依据，保证煤层中钻孔作业的顺利进行。3.4退钻探底煤矿开采中，有一部分煤层含有夹矸层，而且在煤层下部有软煤存在，该区域的瓦斯含量也非常高。在对该区域瓦斯进行抽采的过程中，必须在钻孔达到设计要求的深度时才能退钻。钻孔之间应按照 50 m 的间距进行探底，主要目的是保证钻孔从夹矸层中穿过时，夹矸层下部的软煤能提供良好的抽采通道，勘测实际煤层厚度，为后续开采工作奠定基础。3.5完孔参数处理在钻进工作结束后，用定向钻进监测系统采集测量数据，并将数据实时上传至计算机，运用计算机的自动整合程序进行合成，展现完孔后垂直面与水平面的预想轨迹，为后续工作提供实际数据。3.6气水和煤屑分离在定向钻进中，必须控制好钻场瓦斯浓度，做好气、水和煤屑的分离，确保钻进工作的安全性。做好以钻机设计为前提的准备工作，实现煤渣的及时分离，将气、水、煤屑一同优化处理。为了充分发挥分离装置的作用，要对分离装置加以改进。为了将气、水、煤屑分离开，应做到以下几点。1)抽采钻孔内的残留瓦斯。采用封孔器和分离器进行抽采，避免瓦斯喷孔现象，保证瓦斯浓度处于安全范围。2)用二次分离器进行废水与煤屑的分离，这样可以保护钻场环境，实现钻场的规范化管理。3)在汇流管上方安装备抽管，从而大幅度提升完孔阶段的抽采速度，并且可以对钻孔时孔内发生的异常情况进行及时处理8。一旦发现瓦斯量倍增，可以保证瓦斯及时进入抽采管，防止发生安全事故。4结束语煤矿生产对瓦斯浓度的要求非常严格。煤矿为了降低瓦斯浓度，一般采取通风系统通风的措施，或通过钻孔对瓦斯进行抽采。随着煤矿开采技术水平的不断提高，定向钻进技术在瓦斯抽采中占有优势，在煤矿生产中得到广泛应用，也取得了较好的抽采效果。研究表明，定向钻机在煤矿瓦斯治理中的应用能提高煤矿瓦斯抽采效率，降低井内的瓦斯浓度。参考文献：1 李小健.煤矿瓦斯抽采中定向钻机成孔技术的应用 J.机械管理开发，2021，36(4)：165-166.2 刘利平.定向钻机在煤矿瓦斯治理中的应用 J.煤，2020，29(8)：22-23.3 谢所库.定向钻机随钻测定瓦斯压力技术适用性研究 D.廊坊：华北科技学院，2022.4 王圣普.深孔定向钻机在瓦斯防治中的应用研究 J.煤炭与化工，2022，45(6)：113-116.5 徐涛.千米定向钻机在近煤层群首采层瓦斯治理中的应用 J.机械管理开发，2022，37(5)：170-171.6 吴兴云.深孔定向钻机在瓦斯抽采方面的应用 J.当代化工研究，2021(17)：55-56.7 张建国，陶云奇，李喜员，等.定向钻进技术在煤与瓦斯突出矿井中的试验研究 J.能源与环保，2021，43(6)：9-14.8 李艺.矿山瓦斯治理及防突问题应对措施 J.矿业装备，2022(6)：162-163.（编辑：高志凤）214