煤矿井下孔内事故可视处理技术在青龙煤矿的应用_褚志伟.pdf

Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 煤矿井下孔内事故可视处理技术 在青龙煤矿的应用 褚志伟， 杨伟锋， 方俊， 刘飞 （中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077） 摘要 钻具掉落是煤矿井下定向钻孔施工中一种常见的孔内事故， 针对现有处理措施存在过 程不可视、 措施盲目性和易发生二次孔内事故问题， 提出了一种煤矿井下孔内事故可视处理技 术。在分析试验事故钻孔情况的基础上， 介绍了孔内事故可视处理技术的技术原理和配套装置， 选用了合理的事故处理钻具组合， 并制定了事故可视化处理流程。在青龙煤矿钻具掉落事故钻 孔进行了应用试验， 成功打捞出孔内落鱼。 应用试验表明 矿用钻孔成像仪人工推送深度达 143 m， 顺利获取了孔内落鱼的图像和视频信息， 对孔内情况进行了辅助判断， 满足孔内事故处理可 视化的要求。 关键词 钻孔孔内事故； 钻具掉落； 钻孔成像仪； 人工推送； 可视处理技术 中图分类号 TD679文献标志码 B文章编号 1003－496X （2020 ） 02－0101-04 Application of Visible Treatment Technology for Underground Borehole Accident in Qinglong Coal Mine CHU Zhiwei, YANG Weifeng, FANG Jun, LIU Fei （China Coal Technology and Engineering Group Xi’ an Research Institute, Xi’ an 710077, China） Abstract Drilling tool drop is a common borehole accident in directional drilling in underground coal mine． In view of the problems existing in current treatment measures, such as non -visibility of the process, blindness of the measures and the possibility of secondary borehole accident, a visual treatment technology for borehole accident in underground coal mine is put forward． Based on the analysis of the accident borehole, the technical principle and supporting device of the visual treatment technology for borehole accident is introduced, the reasonable accident handling drilling assembly is selected, and the visual treatment process is established． The application test is carried out in the accident borehole of the drilling tool drop in Qinglong Coal Mine, and the drop fish is successfully fished out of the accident borehole． The application test shows that the artificial push depth of the mine borehole imager reaches 143 m, and the image and video ination of the borehole fish is obtained successfully, which can be used for auxiliary judgment about the condition inside borehole． The technology can meet the requirements of visual treatment of borehole accident． Key words borehole accident; drilling tool drop; mine borehole imager; artificial push; visual treatment technologyy 煤矿井下随钻测量定向钻进技术具有钻孔轨迹 可控、 施工深度大、 钻进效率高等优势， 已广泛应用 于煤矿井下瓦斯治理、水害防治和隐蔽致灾因素探 查等领域[1-3]。基于随钻测量定向钻进技术， 国内于 2018 年施工了主孔深度 2 311 m 顺煤层超长定向 钻孔， 创造了煤矿同类钻孔孔深的世界纪录[4-5]。 随着随钻测量定向钻进技术的广泛应用，煤矿 井下定向钻孔施工深度逐渐加深，钻遇复杂地层的 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．022 褚志伟， 杨伟锋， 方俊， 等．煤矿井下孔内事故可视处理技术在青龙煤矿的应用 ［J］ ．煤矿安 全， 2020， 51 （2） 101-104． CHU Zhiwei, YANG Weifeng, FANG Jun, et al． Application of Visible Treatment Technology for Under－ ground Borehole Accident in Qinglong Coal Mine ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2） 101-104． 基金项目 天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项资助项 目 （2018- TD- ZD016） 移动扫码阅读 101 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 图 2上无磁断裂实物图 Fig.2The figure of upper drill pipe without magnetic 图 1B4孔剖面轨迹图 Fig.1The profile trajectory of B4borehole 图 3孔内落鱼示意图 Fig.3The diagram of borehole drop fish 图 4孔内事故可视处理技术原理图 Fig.4The diagram of visible technology for borehole accident 情况越来越多，各种孔内事故发生的概率也越来越 高[6-8]。其中， 钻具掉落是一种常见的孔内事故， 发生 的原因在于①定向钻孔施工所应用的定向钻具组 合接头多，孔内振动较大或接头丝扣损伤时，易发 生钻具掉落事故；②定向钻孔扩孔施工时所使用的 钻具组合级配较大，钻杆受力不均容易出现钻具断 裂事故；③孔内发生卡钻事故，采用强力起拔和回 转方式处理时易出现钻具断裂事故。 目前， 煤矿井下主要采用打捞公锥、 打捞母锥、 螺旋式卡瓦打捞筒和蓝式卡瓦打捞筒等打捞工具打 捞孔内掉落钻具，打捞过程不可视，无法准确地判 断打捞前和打捞措施实施后孔内落鱼的情况，存在 打捞措施盲目、打捞成功率低和易发生二次孔内事 故等问题[9-10]。因此， 提出了基于矿用钻孔成像仪的 孔内事故可视处理技术，可为井下钻孔事故处理提 供一种新的技术途径。 1孔内事故概况 1.1事故钻孔概况 事故钻孔位于青龙煤矿 21601 轨道巷千米钻 场，该钻场设计施工顺煤层空气定向钻孔 7 个， 设 计孔深 300 m， 以覆盖待掘巷道及其两侧 20 m 范围 内瓦斯抽采区域。事故钻孔为 B4孔， 设计在 4孔 和 5孔之间，以覆盖 2 个钻孔之间的瓦斯抽采盲 区， 4钻孔轨迹剖面如图 1， 孔内落鱼位于主孔深度 143 m 位置。 1.2孔内落鱼概况 B4孔终孔提钻过程中在孔深 143 m 发生卡 钻， 经强力起拔、 回转处理后铍铜下无磁钻杆断裂， 断口不规则， 上无磁断裂实物图如图 2。 孔内落鱼依 次连接断裂铍铜下无磁断头、铍铜变径接头和空气 螺杆马达， 孔内落鱼示意如图 3。 2孔内事故可视处理技术 2.1技术原理 孔内事故可视处理技术依托孔内成像装置， 配 套对应打捞工具， 可以实现孔内事故处理的可视化， 其技术原理为 事故处理前， 利用孔内成像装置观察 事故位置的基本情况；依据事故位置的成像分析情 况， 制定合理的事故处理方案； 实施事故处理方案， 如果不能完成事故的处理，利用孔内成像装置观察 处理方案的实施情况， 调整事故处理方案， 直至成功 处理孔内事故， 如果完成事故的处理， 则进行实施方 案的总结。孔内事故可视处理技术原理图如图 4。 2.2装置配套 2.2.1孔内成像装置 孔内成像装置采用 CXK12 矿用钻孔成像仪， 该 仪器采用先进的嵌入式技术，基于 Android 系统进 行软件开发，集钻孔图像采集与存储、视频采集与 存储、 钻孔轨迹测量、 深度测量、 图像展开与拼接等 功能于一体，适用于煤矿井下恶劣条件下的各类钻 孔检测， 对钻孔进行全孔壁成像、 录像， 关键部位抓 拍图片、 局部放大等。 102 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 1－显示器； 2－供风管路； 3－大通径风便； 4－通缆钻杆； 5－上无磁钻杆； 6－无磁外管； 7－有线随钻测量探管； 8－下无磁钻杆； 9－打捞工具。 图 5事故处理钻具组合 Fig.5The diagram of accident handling drilling assembly CXK12 矿用钻孔成像仪主要由孔内图像探头、 彩色触摸显示器、数据传输线和推送杆组成，其技 术参数为①光照度 ≥1 000 lx；②分辨率 ≥700 Lines； ③存储容量 ≥32 G； ④视频格式 MPEG-4； ⑤连续工作时间 ≥8 h。孔内成像探头用于探测钻 孔内的图像信息；彩色触摸显示器用于实时显示孔 内图像探头探测的图像信息，并可对图像进行录 像， 关键部位抓拍图片、 局部放大处理； 数据传输线 用于将孔内图像探头探测的图像信息向彩色触摸显 示器传输； 推送杆用于向孔内下入孔内图像探头。 2.2.2打捞工具 根据孔内落鱼情况，选用了公锥和母锥 2 种打 捞工具。 1） 公锥。公锥是打捞作业中经常使用的工具， 其螺纹表面硬度大于落鱼的钢材硬度，打捞原理 为 公锥进入打捞落物内孔之后， 加适当的钻压， 并 转动钻具， 迫使打捞螺纹挤压吃入落鱼内壁进行造螺 纹， 当所造之螺纹能承受一定的拉力和扭矩时， 可采 取上提或倒扣的办法将落鱼全部或部分捞出[11-12]。 2） 母锥。母锥打捞的原理与公锥基本一致， 利 用母锥可在落鱼外表面造扣，不损坏落鱼待打捞部 位的丝扣及内部重要器件，可用于打捞通缆钻杆、 上下无磁钻杆和探管外管，以及落鱼待打捞部位内 径太小， 公锥无法使用等情况[13-14]。 3孔内事故可视处理现场试验 3.1事故处理钻具组合 事故处理钻具组合如图 5， 从孔内向孔口依次连 接打捞工具 （公锥或母锥 ） 、 下无磁钻杆、 无磁外管、 上 无磁钻杆、 通缆钻杆、 大通径风便等。其中， 公锥用于 处理落鱼前端铍铜断头， 母锥用于打捞落鱼； 有线随 钻测量探管配套通缆钻杆实时测量和向孔口显示器 传输钻孔轨迹数据， 显示器实时显示钻孔轨迹， 以保 证事故处理钻具准确下入落鱼所在位置； 大通径风便 连接井下供风管路， 向孔内钻具通风， 清除孔内沉渣， 并对打捞过程进行降温， 防止孔内自燃。 3.2事故处理流程 落鱼前端铍铜断头形状不规则，会引导打捞工 具偏向落鱼一侧，阻碍公锥进入落鱼内部和母锥套 住落鱼， 基于此种情况制定了如下的处理流程 1） 铍铜断头处理。首先利用公锥将铍铜断头顶 断，以保证后续打捞工具可以套住落鱼。处理流程 为向孔内下入公锥打捞钻具组合，至落鱼前 3 m 位置，向孔内通风以清除落鱼附近沉渣，之后缓慢 向前送钻直至送到落鱼位置，慢速回转并加大给进 压力直至无法向前送钻，退钻适当距离并多次重复 上述操作， 以保证铍铜断头被公锥顶断。 2） 落鱼可视处理。利用公锥多次处理铍铜断头 后， 为了确认铍铜断头被顶断， 计划向孔内下入钻孔 成像仪。从孔内退出公锥打捞钻具组合，每退出 3 根钻杆冲孔 1 次， 清除孔内沉渣， 以保证钻孔成像仪 下入的顺畅。钻孔成像仪下入流程为在孔口调试 好钻孔成像仪， 将孔内图像探头固定在推送杆前端； 连接推送杆将孔内图像探头向孔内下入，每下入 1 根推送杆将数据传输线在推送杆上固定好；下入过 程中，每隔 10 m 确认 1 次孔内图像探头是否工作 正常； 下入距落鱼前端 1 m 位置， 缓慢下入孔内图 像探头， 观察孔内情况， 直至接近落鱼前端。 3） 落鱼打捞处理。利用孔内成像仪确认铍铜断 头被顶断后，向孔内下入母锥打捞钻具组合。母锥 打捞钻具组合打捞流程为将母锥下入至落鱼前 3 m 位置， 向孔内通风以清除落鱼附近沉渣， 之后缓慢 向前送钻直至送到落鱼位置，慢速回转并加大给进 压力直至无法向前送钻 （给和回转， 退钻适当距离并 重复上述操作， 直至回转压力恢复正常， 向钻具内供 风， 如果孔口观察到空气螺杆马达振动明显， 说明打 捞成功， 提钻检查， 否则重复此步骤。 3.3 事故处理结果 利用公锥处理铍铜断头后向孔内下入钻孔成像 仪， 顺利将其推送到落鱼位置， 探测到的落鱼前端图 像和视频信息，可以看出铍铜断头部分只留有一小 段， 具备利用母锥进行打捞的条件。因此， 下入母锥 打捞孔内落鱼，一次打捞处理便将落鱼成功从孔内 打捞出来， 捞出落鱼实物图如图 6。 4结语 1） 针对煤矿井下孔内事故处理存在不可视， 处理 103 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 图 6捞出落鱼实物图 Fig．6The figure of the drop fish 措施盲目性等问题，提出了基于矿用钻孔成像仪的 孔内事故可视处理技术，可视处理技术可在事故处 理过程中对孔内情况进行辅助判断，提高孔内事故 处理的成功率。 2） 将矿用钻孔成像仪成功应用于孔内事故处理 中，获取孔内落鱼的图像和视频信息，人工推送距 离达到 143 m， 满足孔内事故处理可视化的要求。 3） 矿用钻孔成像仪采用人工推送的方式向孔内 下入，下入深度有限，应研制采用钻杆推送方式的 矿用钻孔成像仪， 以满足深孔事故处理需要。 参考文献 ［1］ 石智军， 董书宁， 姚宁平， 等．煤矿井下近水平随钻测 量定向钻进技术与装备 ［J］ ．煤炭科学技术， 2013， 41 （3） 1－6． ［2］ 李泉新， 石智军， 史海岐．煤矿井下定向钻进工艺技术 的应用 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2014， 42 （2） 85－88． ［3］ 刘建林， 李泉新．基于轨迹控制的煤矿井下复合定向 钻进工艺 ［J］ ．煤矿安全， 2017， 48 （7） 78－81． ［4］ 赵建国， 李泉新．碎软煤层定向钻进技术研究与应用 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （7） 119－122． ［5］ 李泉新， 石智军， 许超， 等． 2 311 m 顺煤层超长定向 钻孔高效钻进技术 ［J］ ．煤炭科学技术， 2018， 46 （4） 27－32． ［6］ 许超， 石智军．煤矿井下定向钻进钻孔事故的预防及 处理 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2014， 42 （3） 100－104． ［7］ 管强盛， 杨慧琳．煤矿井下定向钻孔常见孔内事故预 防与处理 ［J］ ．科技与创新， 2017 （14） 21－24． ［8］ 皮希宇， 李铁， 王栓林．煤矿井下钻机钻孔与机械伤害 事故原因分析及对策 ［J］ ．煤炭工程， 2017， 49 （1） 49． ［9］ 杨虎伟， 董萌萌， 许翠华， 等．井下定向钻进随钻螺旋 解卡工具的研制及应用 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （2） 96－99． ［10］ 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