VLD型定向钻机在大宁矿瓦斯抽放中的应用.pdf

第 3 4 卷 第5 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 6 年5 月 V L D型定 向钻机在大 宁矿 瓦斯抽 放 中的应用 刘子龙。 ， 克里斯 弗睿尔 ， 张津平。 1 ．山西亚美大宁能源有限公司 ，山西 晋城0 4 8 1 0 0 ；2 ．山谷长壁钻进有限公司 ，澳大利亚 新南威尔士2 3 3 3； 3 ．北京万德工业有限公司 ，北京1 0 0 0 0 4 摘要 定 向钻进技术是一项 新的钻进技术 ，V L D一1 0 0 0型钻机是井下定 向钻进设备 ，具有钻进 能力大的优 点，可 以钻进 1 0 0 0 m 以上；在山西大宁矿用 2台 V L D钻机总共钻进4 2 0个钻孔，总进 尺 2 2 8 4 8 8 m。 日瓦斯抽放纯量 4 0～ 5 0 万 m ，在矿井即将转入生产期时，矿井瓦斯抽放率达到 8 5 ％，实现 了真正意义上的先抽后采。 关键词 定向钻进 ；V L D一1 0 0 0型钻机 ；瓦斯抽放 中图分类号 T D 7 1 2 ． 6 2 文献标识码 B 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 0 6 0 5 0 0 3 4 0 3 VLD d i r e c t i o n a l dr i l l i ng r i g a pp l i e d t o mi ne g a s d r a i na g e i n Da n i ng M i ne L I U Z i ． 1 o n g ，Ch ri sF r e e r ，Z HAN G J i n ． p i n g 1 ．S h a n x i A s i a n A m e r i c a n D a n i n g E n e r g y C o ．L t d ． ，J i neh e n g 04 8 1 0 0 ，C h i n a ； 2 ． Z 妨 L o n g w a l l D r i l l i n g P ， N e w S o u t h Wa le s 2 3 3 3 ，A u s t r a lia；3 ．B e ij i n g W a d a m I n d ust r y C o m p a n y L t d ． ，B e i n g 1 0 0 0 0 4．C h i n a 1 定向钻进的历史 井下定 向钻进技术的起步与试验可追溯到 2 0 世纪 6 0年代，首先在美国的 P i t t s b u r g h ， P o c a h o n t a s 和 M a r y l e e 煤层 ．2 应用， 在 2 0世纪 9 0年代，阳 泉矿务局曾经提议使用定向钻进技术 。V a l l e y钻 进公司和 R E I 资源公 司促进 了井下定 向钻进技术 在美 国和澳大利亚的应用 J 。在 2 0世纪 9 0年代 ， 联合 国在 中国的 U N D P项 目曾经引进 了3台 F l e t c h - e r 定 向钻机 ，分别用于松藻矿务局 和铁法矿务局 ， 但是这 3台定向钻机至今在这 2个矿务局累计进 尺 不 足 1 0 0 0 m 2 VL D一1 0 0 0钻机的主要特点 2 ． 1 紧凑的结构设计和 自行走功能 图 1所示是 V L D定 向钻机的实外形 图。V L D 定向钻机的设计 比较紧凑 ，可 以适合矿井井下的使 用条件 ，这个钻机原来设计宽度 是 2 3 4 0 m m，现 在经过修改的外形尺寸宽 长 高为 2 0 0 0 m m 4 0 0 0 m m1 6 0 0 n l l n ，钻机总质量 8 ． 5 t 。 V L D定 向钻机行走部为有履带 ，行走速度 3 ． 4 k m ／ h 。钻机也 可 以拖运 ，拖运 的速度 同样是 3 ． 4 k m／h。 3 4 图 1 V L D定 向钻机 2 ． 2电 一液驱动的操作功能 该钻机的驱动是 1台 9 0 k w 1 1 4 0 V， 5 0 Hz 电机 ，通过 电机驱 动 1台液压 泵，经过 1个 三 向 阀，可以执行 3个主要功能 。首先是顶底板支撑液 压千斤顶的支撑 稳机功能 ，其次是钻机行走功能 ， 最主要 的功能是钻进功能。 液压泵是轴向柱塞泵 ，其操作压力为 2 6 MP a ， 主泵流量 1 4 0 L ／ m i n ，高压泵流量为 8 0 L ／ mi n ，辅 助／ 微量进 给流 量 为 5 0 L ／ m i n ，液 压 油箱 容积 为 20 0 L。 2 ． 3 采用孔底马达钻进 的钻进能力 采用孔底马达进行钻进 ，不需要钻杆旋转 ，孔 维普资讯 第3 4 卷 第 5 期 煤 炭科 学 技 术 2 0 0 6 年 5 月 底马 达是靠 高 压水 进行 驱动 ，进给 速度 是 0～5 m ／ m i n ，而回收钻 杆时 的速度 为 0～2 0 m ／ m i n 。采 用孔底马达钻进 ，减少 了钻杆与孔 壁的摩擦 阻力 ， 因而 ，该钻机在较小动 力损失 的情况 下具有超过 1 0 0 0 m的钻进能力。 钻杆的进给行程是 9 0 0 m，而钻杆进给架 的长 度是 1 8 0 0 mm。最小推力 拉力是 1 5 0 k N；在 3 0 MP a压 力时的力矩最 大 ，低速旋 转时 为 3 0 4 8 N m， 高速旋转时为 2 2 8 6 N m。钻机 的旋转速度 可以在 2 0 0～6 0 0 r ／ mi n 低 速大 力矩 和 2 5 0～ 1 2 0 0 r ／ m i n 高速小力矩之间进行无级调节。 前夹持器是采用弹簧夹 紧、液压释放 的设计 ， 释放压力为 1 ． 0 3 MP a ，在使用 卡爪情况下 ，可以 使用的最大钻杆直径是 1 1 4 mm H Q钻杆 ，在不 使用卡爪情况下 ，可以通过的钻杆直径为 1 3 2 m m， 前夹持器的夹紧力为 1 5 0 k N。 该钻 机采用 的钻进 用前灯为 5 O w 防爆 白炽 灯 ，用于钻场照明的是 2个 3 2 w 防爆荧光灯。这 些为钻机操作提供了 良好的照明环境 。 2 ． 4 定向钻进检测导线连接单元 ，可快速检测 该钻机装备有先进的定向钻进检测导线连接单 元 D D M ME C C A检测系统 ，这个测量系统包括 有孔底测量单元 ，孔外接收仪器和专用钻杆 ，专用 钻杆中间安装有永久 的测量连接导线。 孔底测量单元，是一个 2 6 5 0 mm长的组合件 ， 外径 7 0 m m，质量 5 2 ，与非磁性铜铍短钻杆组 合的一个3 0 0 0 m m的钻杆，然后和普通定向钻杆 连接 。这个定向钻进检测导线连接单元的存放温度 要求在 一 4 O～1 2 5 o C，而要求钻进使用时 的温度 在 0～ 5 0 C。孔底测量单元使用的电池是不可充 电 的，使用周期为 8～l O周 。 孔外接收仪器是一个外形尺寸为 4 7 0 mm3 4 0 m m1 0 0 m m的长方形箱体 ，质量为 1 O 。该仪 器使用的电池是可充 电的镍铬 电池 ，可 以充电 1 0 0 次以上 ，充电周期 在 1 ． 5～2周 。每次测量在孔外 接收仪器的液晶显示屏上都有显示，共 9个显示参 数 方位 角 ；钻 头位 置；下 行轨 迹 ；左／ 右偏 差； 上／ 下偏差 ；时间及 日期 ；仰角／ 俯角 ；孔深 ；电池 状态。孔外接收仪器可以存储 6 1 5组测量数据。这 些数据可 以通过 R S 2 3 2下载 为 E x c e l电子 表格形 式 ，在计算机上可 以很方便地进行分析 ，并且可和 A u t o C A D连接 ，画在图纸上。 专用测量钻杆 是 N系列钻杆 ，中心安装有永 久 电缆 ，外径为 6 9 ． 9 m m，内径为 6 O ． 3 m m，长度 为 3 0 0 0 mm，质量 2 5 ． 9 k g 。 测量程序是孔 底测量单 元把信号通过 N系列 D D E M E C C A钻杆传 出来 ，在孔外接 收仪器接 收， 通过显示屏显示 ，并且存储在孔外接收仪器 中。整 个测量过程非常快 ，仅在 5 s 之内。由于这个测量 过程非常快 ，也使得 V L D定 向钻机能够有更高 的 钻进效率。测量的精度为上下偏差 0 ． 2 。 ，水平偏 差 0 ． 5 。 。 3 定向钻机在大宁矿应用 3 ． 1 基本情况 大 宁矿位 于山西省东南部阳城县 以北 1 6 k m。 含煤地层是上石炭纪太原组和下二叠纪山西组 ，含 煤地层 总厚度为 1 5 1 m，含煤 l O～2 2层 ，其 中 3 和 l 5号煤层为全 区稳定可采煤层 ，6 ，7和 9号煤 层是局部可采煤层 。该矿 井地质储量 为 6 ． 7亿 t ， 其 中 3号煤层的工业储量 为 2 ． 8万 t 。该矿井设计 年生产能力为4 0 0万 t ，服务年限为8 4 ． 9 a ，其中 3 号煤的服务年限为 3 O ． 7 a ，预计在 2 0 0 6年矿井可 以达到设计生产能力 。 整个矿区的地质构造 比较简单 ，呈单斜构造 ， 倾角一般在 l O 。 以内，在矿 区东部以褶皱为主 ，在 矿 区西部断层 比较发育 ，矿区内基本没有陷落柱存 在 。瓦斯含量 比较 高，3号煤 层瓦斯 原始 含量 为 8 ． 7 l ～1 8 ． 3 9 I n ／ t ，平均 l 3 ． 4 3 I n ／ t 。 3 ． 2瓦斯抽放中的应用 由于矿井的建设初期就受到瓦斯 问题 的制约 ， 首先建设 了适 应 当时发 展 的小型 瓦斯抽 放 系统。 2 0 0 2年开始建设 4 0 0万 t 矿井 ，确定了瓦斯预抽和 随采随抽的原则 ，首先 ，从井下钻进设备能力上加 大投资力度。 V L D定向钻机从 2 0 0 3年 4月开始 在大 宁矿调 试 、运行 ，到 2 0 0 4年 4月末的 1年 中，总共钻进 进尺为 7 8 ． 5 k m。在 2 0 0 4年 9月 ，第 2台 V L D一 1 0 0 0定向钻机也开始在大宁矿使用。到 2 0 0 5年 1 1 月底 ，2台 V L D钻机 已经完成 了定向钻孔 4 2 0个 ， 总进尺达到了 2 2 8 ． 5 k m。在大宁矿最长的 V L D定 向钻孔达到了 1 0 0 5 I n 。图 2所示为实际钻孔 剖面 轨迹。 包括 国产钻机在 内，从 2 0 0 2年到 2 0 0 5年 1 1 月 ，大宁矿总共完成瓦斯抽放钻孔 1 3 3 3个 ，总进 尺达到 了 3 3 3 ． 8 k m。从 2 0 0 2年到 2 0 0 5年 1 1月， 3 5 维普资讯 第3 4 卷 第 5 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 6 年 5 月 昌 ＼ 堡 图 2 VP 2 T 2 2 2 0号钻孔实 际钻孔轨迹 示意 4 1个月建井期间，总共抽放瓦斯 1 ． 5 8亿 m ，月平 均抽放瓦斯量 3 8 6万 m ； 而平均每米钻孔抽放量达 到 了 4 7 4 ． 5 m 。瓦斯抽 放 纯量从 2 0 0 2年 7月 的 6 ． 8 6 m ／ m i n提 高 到 了 2 0 0 5年 1 1月 的 3 4 1 ． 9 6 m ／ mi n ，矿井抽 放率从 2 8 ． 8 8 ％ 提高 到 8 5 ％。 目 前 ，日抽放瓦斯量达到了 4 9万 m 。 在长壁面投产之前 ，利用 V L D定向钻进技术 ， 布置了顶板邻近层瓦斯抽放定向穿层钻孔。大宁矿 即将形成采前预抽 、边采边抽和采后 的采空区抽放 的格局。 3 ． 3 V L D定向钻机瓦斯抽放效果及基本原理 利用 V L D定 向钻 进技术 提高 瓦斯抽放 效果 ， 主要是其定 向钻进功能 ，做多分支钻孔 ，利用这个 功能可以集 中布置瓦斯抽放钻孔。例如 ，在 4 0 4钻 场 ，总共布置了 2 1个钻孔，单孔最大累计钻 进深 度为 2 046 m，这个钻场累计钻孔深度达到 了 2 5 ． 9 k m，可以控 制 0 ． 2 5 k m 面积 内的煤 层瓦斯 抽 放， 提高瓦斯抽放效率 。 利用 V L D定 向钻 机的水平分 支功能，可 以在 扇形钻孔布置时，在钻孔接近终端进行分支，保证 煤层钻孔在终端的间距基本相同。 除了水平分支外 ，钻孔在垂直方向进行的探顶 与探底形成 了垂直方 向的多分支，充分提高了煤层 的透气性。因此 ，提高了抽放效果。 例 如，T 1 0 62号钻孔 ，钻孔深 度 1 0 0 2 m， 累计钻进深度 1 2 6 6 m，累计抽放时间6 8 2 d ，瓦斯 浓度维持在 9 0 ％以上的时间有 2 4 5 d ，累计抽 出纯 瓦斯量 2 2 1万 m 。在第一个长壁工作面布置 的 3 4 个瓦斯抽放钻孔 ，钻孔平均钻进深度为 7 3 4 ． 6 5 m， 每孔平均抽放时间为 3 3 9 d ，单孔平均瓦斯抽放纯 量为 9 4 ． 0 9万 m 。该长壁工作面 累计 预抽 出纯瓦 斯量 3 1 9 9 ． 0 9万 m 。 深孔钻进与多分支技术是保证瓦斯抽放量提高 3 6 的重要 因素。 3 ． 4 定向钻进技术在其他方面的应用与实践 3 ． 4 ． 1 V L D定 向钻进探测煤层产状的实践 通过 V L D定 向钻孔在煤层 中的钻进 ，可以确 定煤层的实际产状 ，比其他地面勘探孔柱状图和地 震方法 ，可为采矿活动提供更准确的数据与图示资 料。图2所示 的钻进过 程中每 1 0 0 m进行一 次探 顶 ，在撤 回钻杆过程中每 5 0 m进行一次探底 ，这 个过程 中就可以清楚地知道实际煤层的顶底板 、煤 层厚度 、煤层倾 向与倾角等赋存情况。由图 2可 以 看 出，在 VP 2 T 2 22 0钻孔 的实 际 8 0 0 m 处进 尺，煤层基本呈 向下单斜构造，在 8 0 0 m内顶底板 下降了 3 0 m，煤层厚度基本上没有变化。这就为 工作面巷道的掘进和长壁工作面的布置提供了准确 的煤层产状资料。 3 ． 4 ． 2 利用 V L D定 向钻机进行地质探测的实践 大宁矿使用了 V L D定 向钻机后 ，总共发现了 原来地面勘探没有发现的 3条断层和 1 个 陷落柱 。 在 1 0 1 2工作面钻进 的一个 1 0 0 5 m 钻孔 ，在钻进 到 5 5 0 m后 ，找不到煤层，继续钻进到1 0 0 0 m 以 上也没有发现煤层。通过此后的钻进和三维地震最 后确定 了是一条落差 1 2～1 8 m的断层。因此 ，避 免了原来 规划 的长 壁工 作 面 布置 的错 误。利用 V L D一1 0 0 0定 向钻机 的能 力，可 以 比较 容易而且 精确地发 现地质构造 ，要 比其他手段 更准确。所 以，它可 以在事先帮助采 区和工作面布置与调整 ， 避免工作面布置好巷道掘进完成后 ，由于后来探出 的地质构造导致的设备移装造成的损 失。根据实际 工作的经验 ，任何综采工作面由于错误布置导致的 搬家损失远大于购买一台定向钻机设备的投资。 3 ． 4 ． 3 利用 V L D探测地下水和采空区的可能性 V L D定 向钻进设备 可以用来探测 采空区 、积 水区段，用来探放水 ，同时可以避免采空区瓦斯和 积水对于矿井安全 的影响。但是，当掘进巷道接近 采空区时可 以采用 V L D定向钻机对采空区进 行探 测 ，提前进行排水和及时封堵 ，以避免采空区的影 响 ，保证采矿活动的安全 。 大宁矿在 1 9 9 6年建立 了原来的瓦斯抽放 系统 ， 在山西亚美大宁能源有限公司成立后 ，瓦斯抽放系 统进行了大规模改造，永久瓦斯抽放系统在 2 0 0 5 年 1 1 月投 入运行 ，矿 井瓦斯抽 放能 力达 到1 5 0 0 m ／ m i n ，基本满足矿井瓦斯抽放的需求。 下转第 4 0页 维普资讯 第3 4 卷 第 5 期 煤 炭科 学 技 术 2 0 0 6 年 5 月 大于后柱的工作阻力。经实测后碎裂为前柱 的 1 2 ％ ～1 4 ％ ，最高的可达到 4 0 ％。 4 采高对煤壁片帮有一定影响。降低采高 是控制综放面煤 壁片帮 的有 效措施。当采高超过 3 m 时煤壁上的局部块体分离整体，煤壁产生片帮 破坏。当采全 高达 到 4 ． 8 m，片帮严 重。如遇 断 层，支护失效 ，处理困难。轻放时采高 2 ． 2 m．煤 壁稍有片帮 ，但顶板完整。 4 结 语 1 轻放工作 面布置 可否 采取沿空 留巷 。从 理论上讲 ，工作面巷道顶煤 、直接顶位移受制于基 本顶回转运动。只要 由底板 、充填体 、顶煤 、直接 顶 、基本顶组成的岩梁结构保持稳定 ，就可以保证 留巷的正常使用。采用高水材料巷旁充填 、高强度 锚 网支护护帮顶 ，能否促使基本顶破断回转后尽快 触矸形成具有 自稳通力的承载结构 ，没有进行过尝 试 。该矿由于构造复杂综掘单进仍然很低 ，如能实 现沿空留巷 ．对该矿接续将产生巨大意义。 2 轻放工作面合 理尺寸 的确 定。该矿 目前 工作面长已提高到 1 4 0 m，正在 向面长 2 0 0 m方 向 努力 ，且 已有试行方案。轻放工作面的倾向长度越 长 ，端头损失率越低 、工作面推移头尾 的时间占用 率越低，则采出率越高。仅从回采设备装备能力来 讲 ，目前国内综采面长到 2 2 0～ 2 5 0 m是可以的。 从该矿总体的思路上要进一步加大轻放工作面 长度。前部输送机采用 7 6 4 k W 重型输送机 ，采煤 机功率加大到 5 9 1 k W，工作面巷道配备大型转载 机及大运力带式输送机 ，破碎机做到架前采煤机割 煤 ，架后输送机运煤 ，采放平行作业 ，提高工作面 产量 。 参考文献 [ 1 ] 樊运 策．地 下开采现代技术理论 与实践 [ M] ．北 京煤 炭 工业 出版社 ，2 o o 3 ． [ 2 ] 闫少 宏，富强 ．综放开 采顶煤顶板 活动规 律研 究与应 用 [ M] ．北 京 煤炭工业出版社 ，2 0 0 3 ． [ 3 ] 史元伟 ，宁字 ，魏景 云 ．采煤工 作面 围岩控制 原理 和技 术 [ M] ．徐州 中国矿业大学 出版社 ，2 0 0 3 ． [ 4] 康红普 ．回采巷道锚杆 支护技术现状 与发展趋 势 [ M] ．北 京 煤炭工业出版社 ，2 0 0 3 ． 作者简介 武景 云 1 9 5 7一 ，男 ，辽 宁彰 武 人 ，高 级 工程 师，现任双鸭山矿业 集团有 限公司副总 工程师。T e l 0 4 6 9 4 01 6 6 2 6。 E ma i l s x t b h d 1 6 3 ． c o rn 收稿 日期2 0 0 6 0 1 2 8 ；责任编辑曾康生 七 七七 七 七 七 七七 七七 七 七七 七七 七七 七 七七 七 七七 七 上接第 3 6页 井下的瓦斯抽放管路系统如下 从永久瓦斯抽 放泵站，连接并列下井 的 8 2 0 m m和 5 3 0 mm管路 系统 ；在井底 车场设有并列 的 8 2 0 m m 和 3 7 7 mm 管路系统 。这个系统可以并列同时抽放 ，也可以分 别用于煤层钻孔 的予抽 瓦斯浓度 5 0 ％ ～7 0 ％ 以 上 ，边采边抽和采空区抽放系统 。 根据美 国的地下开采模式 ，总共布置了 7条大 巷 。沿着这些主要巷道 ，在南 2 2和南 2 8两条大巷 平行 布置 2趟 8 2 0 m m 并联瓦斯 抽放 管路 ，每 隔 6 0 0～ 8 0 0 m，通过风桥上的管路连通 ，平衡 系统阻 力 ，以减少 整个抽 放系统 的阻力损 失 ，保证 矿井 2 O年内瓦斯抽放 的能力 。沿着工作 面巷道 ，平行 布置 2趟 3 7 7 m m 管路 ，一 趟用 于煤层钻 孔 的预 抽 ，另一趟用于工作面邻近煤层穿层钻孔的边采边 抽和采空区抽放。根据 中央瓦斯抽放系统与边界瓦 斯抽放系统相结合的方式 ，在采区边界建设服务于 1～ 2个采区的边界瓦斯抽放系统 。 现在抽放 的瓦斯 已经用 于中央空调 、浴室热 40 水 、食堂 、民用及冬季井 口进风加温的热风炉。同 时 ，建立了小型井 口瓦斯发电厂。在此基础上，即 将建立一个 2万 k W 永久瓦斯发电厂，满足矿井生 产用电的需求。同时 ，也将 向阳城县和晋城市的城 市煤气管网供气。 参考文献 [ 1 ] J o s e p h C e i E E x p e r i e n c e w i t hme t h a n e c o n t r o l f rom h o ri z e n t a l b o r e h o l e s[ C] ．P r o c e e d i n g o f S e c o n d I n t e rna t i o n al Mi n e V e n ti l a t i o n Co n g r e s s，Re n o，Ne v a d a，US A． 1 9 7 9． [ 2 ] l h a k u r P C．P o u n d s t o n e W N ．Ho ri z e n t al d r i l l i n g t e c h n o l o g y f o r a d v a n c e d d e g a s i fi c a t i o n[ J ] ．Mi n i n g E n g i n e e ri n g ， 1 9 8 0 6 ． [ 3] “u Z i l o n g ．R e d u c i n g C B M i n y ang q u a n c o a l fi e l d [ J ] ．Wo r l d C o a l ， 2 0 0 1 3 ． 『 4] B r u n n e r D J ． S c h w o e b e l J J ， T h o m a s S ．A n e w d i r e c t i o n [ J ] ． Wo r l d C o a 1 ． 1 9 9 9 3 ． 作者简介 刘子龙 1 9 5 l 一 ，男 ，河北石家庄人 ，高级工程 师 ，一直从事矿井通风与瓦斯抽放现场工作 ，现在山西亚美大宁 能 源有限公司任瓦斯抽放部经理。T e l 1 3 9 3 5 6 6 6 1 6 9 收稿 日期2 0 0 6 0 1 2 8 ；责任编辑曾康生 维普资讯