煤矿定向钻进试验技术方案终.docx
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煤矿定向钻进试验技术方案终.docx
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煤矿定向钻进试验技术方案终
辽宁**能源集团**煤矿
ZDY12000LD瓦斯抽采定向长钻孔
方案设计
委托单位:
辽宁**能源集团**煤矿
1目的和任务
2018年7月6日,辽宁**集团与中煤科工集团西安研究院有限公司(以下简称“西安院”),按照辽宁工程招标有限公司在**煤业集团物资供应分公司议标结果,约定采购两台套ZDY12000LD定向钻机及配套设备,由西安院在**煤矿1203工作面施工2个试验钻孔,包括1个顶板高位定向长钻孔及1个梳状孔作为考核,主孔孔深均为500m。
考核指标完成,签订设备采购合同,再由西安院辅助**集团操作人员指导完成后续2个定向钻孔施工。
2煤矿地质情况
2.1矿井概况
**煤矿位于辽宁省北部的调兵山市,东距铁岭市35km,西距法库县城15km,西北距康平县城44km,南距省城沈阳90km,**煤矿位置交通图见图1。
东部有长(春)-大(连)铁路,可由铁岭车站直通该矿区,并且在矿区各煤矿均有矿用铁路线相连。
另外该区有沥青路面公路多条,四通八达,交通运输十分便利。
矿井生产能力300×104t,服务年限89.5年,采用坚井开拓,采煤方法采用走向长壁和倾斜长壁两种方式,开采水平分-600m和-800m两个水平。
图1**煤矿位置交通图
2.2煤层情况
12煤层厚度在3.02~5.13m之间,一般为4.12m。
煤层呈黑色,以亮煤为主,暗煤次之,局部煤层中夹薄层炭质泥岩。
煤层硬度较好,但胶结性差,易破碎。
工作面煤层结构复杂,含夹石1~5层,夹石岩性以泥岩、粉砂岩为主,厚度在0.2~1.20m左右。
根据掘进期间选煤厂煤质化验结果,预计工作面原煤全水分为8.1%,灰分为35.27%,发热量为4200卡/克。
煤层自燃发火期1~3个月,煤尘爆炸指数为23.59%。
12煤层上部小范围内发育有12-1煤层,煤厚1.09m,与12煤层间距为0.85m;工作面下邻13煤层,未采动,一般煤厚为2.66m,与12煤层间距在4.61~19.43m之间,一般为12.88m。
老顶:
岩性以粗砂岩和中砂岩为主,灰白色,成份以石英长石为主,泥质胶结,松散,厚度为6.32m左右,硬度为5。
直接顶:
以粉砂岩为主,深灰色,泥质胶结,厚度一般为2.88m,硬度为4。
底板:
以粉砂岩为主,泥质胶结,厚度一般为0.78m,硬度为4。
12煤层上部30m范围内地质柱状图见图2。
图212煤层上部30m范围内地质柱状图
2.31203工作面地质构造
**煤矿1203工作面煤岩形态总体为一单斜构造,煤层产状为193°~243°∠6°~10°。
根据地质钻孔和工作面掘进实见资料,本工作面断层构造复杂。
工作面东侧发育有F15-1和fN2-3号断层,断层产状分别为:
268°∠40°H=0~14m、112°∠45°H=0~7m,其中F15-1号断层在回顺掘进至987m时实见,断层落差2.7m,对工作面回采有一定影响;工作面西侧发育有F44、fN2-2、fN2-9、fN2-10、fN2-11号断层,运顺掘进至471m实见F44号断层,断层产状为70°∠50°H=40m,未发育到工作面内,对回采无影响,fN2-2、fN2-9、fN2-10、fN2-11号断层为F44号断层的分支断层,分别在运顺728m、884m、896、1108m实见,落差分别为1.0m、3.2m、1.8、2.3m,这4条小断层对工作面回采有一定影响;工作面北侧为F15号边界断层,断层产状为222°∠60°H=30~50m,工作面掘进期间未实见,但在回顺730m处实见其分支断层,产状为209°∠63°H=2.0m,预计对工作面回采有一定影响。
2.4水文地质情况
本工作面水文地质条件复杂,老顶粗砂岩为微弱承压直接充水含水层,含孔隙水、裂隙水。
工作面上部为北二902、北二903采空区,采空区内不具备积水条件,且12煤层与9煤层间距较大,在84.24~110.03m之间,一般为95.99m,根据“三带”观测资料预计本工作面不受采空区积水威胁;另外,地表沉陷区中有积水70.91×104m3,经论证地表积水对回采无威胁。
该区域断层构造复杂,裂隙发育,局部煤层顶板会有淋水现象。
预计工作面回采期间最大涌水量为60m3/h(含充填水)。
2.5以往相关工作
目前**煤矿主要使用西安院生产的ZDY3500LP型钻机及重庆院3200型钻机,采用的钻杆为Φ73mm×1.5m三棱钻杆,配套Φ94mm三翼复合片钻头。
瓦斯抽采钻孔方式主要有本煤层和高位岩孔两种。
本煤层钻进:
采用“Φ73mm×1.5m三棱钻杆+Φ94mmPDC钻头”钻具组合,以水为冲洗介质,孔深90m左右,单班进尺90m,钻进过程中存在少量塌孔现象。
高位岩孔钻进:
采用同样钻具组合,钻进开孔位置为煤层顶板上部6m左右,以水为冲洗介质,孔深150m左右,单班进尺70~80m,返渣为小颗粒状,钻进平稳,塌孔现象较少。
3方案设计
通过前期实地勘察及调研,**煤矿拟选用ZDY12000LD型定向钻机及其配套钻具,主要进行顶板高位定向长钻孔施工和顶板梳状定向钻孔施工。
3.1顶板高位定向钻孔方案设计
**煤矿1203工作面顶板上部岩层以砂岩为主,矿方采用常规回转钻进效率约80m/班,且塌孔次数少,钻进平稳。
大直径高位定向长钻孔施工采用定向钻进,成孔几率较大。
其风险主要表现在:
孔口段煤层破碎塌孔、局部断层构造和火成岩侵入地区影响。
3.1.1钻场设计
(1)钻场
钻场顶底平整,以便钻机稳固,出于安全考虑,钻场顶板和边帮应进行挂网喷浆;为了便于钻孔施工,钻孔开孔所在迎头须平整,无影响布置钻孔的干扰体,硐室底板须浇注厚度≥30cm的混凝土浆。
在施工过程中可能需占用巷道,保证钻场应用深度不小于10m(钻进方向),钻孔开孔所在迎头宽度6m,高度3m,即钻场尺寸为10m×6m×3m。
(2)供电通讯
ZDY12000LD型钻车的电动机额定功率132kw,额定电压660V/1140V;BLY390/12型泵车的电动机额定功率110kw,额定电压660V/1140V,总功率≥300kW。
防爆计算机接电:
额定电压127V。
场地必须有良好照明。
同时,要求钻场设置一部电话,方便井下和地面联系。
(3)供水排水
为了确保螺杆钻具的性能稳定并保证尽可能长的工作寿命,施工中采用清水作为冲洗介质,要求供水量Qmin≥25m3/h,排水量Qmin≥25m3/h,并配备排水泵及时排水。
(4)排渣
由于定向钻进深度大,孔径Φ120mm,总进尺量也较大,钻孔产生的煤渣量较大,因此钻场须具有及时将煤渣运走的能力。
(5)通风
在钻场所在硐室设置通风口,并保证足够的风量;在钻场安装瓦斯抽采管路,定向钻施工过程中利用气液分离器抽排瓦斯,并在钻场所在硐室安装瓦斯浓度探测传感器,实时监测钻场作业环境内瓦斯浓度变化。
3.1.2钻孔设计
(1)钻孔布置
1203工作面长度约1668m,宽度为150m,目前已回采807m左右,剩余861m,由于矿方已使用常规钻进方式在距离停采线约500m以前位置施工了数组高位孔,因此本方案只设计1个钻场,钻场布置在1203工作面回风巷,距离煤层顶板约6m。
钻场布置2个高位钻孔,2个顶板梳状钻孔,单孔设计孔深500m。
3#、4#顶板高位定向钻孔、顶板梳状定向平面布置图见图3。
图3高位定向钻孔平面布置图
钻孔在水平面上布置:
根据上隅角瓦斯治理布孔经验,在宽度为150m的工作面,钻孔覆盖整个工作面回风巷一侧⅓区域,因此钻孔主延伸方向平行于回风巷,2个钻孔分别距离回风巷55m、70m(即钻孔平行间距为15m)。
钻孔在垂直面上布置:
根据上隅角瓦斯治理布孔经验,1203工作面采高为3~4m,在垂直面上钻孔主延伸平行于工作面走向,钻孔层位距煤层顶板垂距分别为30m、35m,该层位为稳定砂岩地层。
钻孔设计参数见表1,钻孔轨迹设计剖面见图4、钻孔轨迹设计平面图见图5。
表1钻孔设计参数表
孔号
开孔倾角
开孔方位
终孔方位
平面主延伸
3#
18°
338°
348.6°
1203回风巷左侧平距55m
4#
18°
335°
348.6°
1203回风巷左侧平距70m
图4钻孔轨迹设计剖面图
图5钻孔轨迹设计平面图
(2)钻孔结构
设计钻孔为二级结构,终孔孔径Φ120mm,孔深500m。
详细设计如下:
一级孔径Φ250mm,孔深9m,便于下入Φ200mm套管,二级定向孔径Φ120mm至终孔。
套管长度:
下入Φ200mm钢质套管,深度9m。
孔口安全装置:
孔口连接气水分离器,并和瓦斯抽采管路连接。
3.1.3施工工艺
(1)开孔
开孔采用普通回转钻进工艺施工,主要目的是安装孔口管和孔口四通及气水分离器,并连接抽采系统,实现边钻进边抽采,防止钻孔施工过程中瓦斯超限。
先导孔采用“Ф120mmPDC钻头+Ф89mm高韧性大通径宽翼片螺旋钻杆”钻具组合,回转钻进至15m;
二次扩孔采用“Ф153mm/120mmPDC扩孔钻头+Ф89mm高韧性大通径宽翼片螺旋钻杆”钻具组合,回转扩孔钻进至10m;
三次扩孔采用“Ф250mm/153mmPDC扩孔钻头+Ф89mm高韧性大通径宽翼片螺旋钻杆”钻具组合,回转扩孔钻进至9.5m。
按设计要求下入直径Ф200mm套管9m,并采用两堵一注方式进行注浆固管。
(2)定向钻进
定向钻进主要采用滑动钻进工艺,同时,在钻孔轨迹参数变化较小孔段,可以采取复合钻进工艺。
采用的定向钻具组合为:
“Ф120mmPDC钻头+Ф89mm孔底马达+Ф89mm无磁钢钻具+Ф89mm通缆钻杆”施工至设计孔深。
3.2顶板梳状定向钻孔方案设计
12煤层硬度较好,但煤层破碎有泥岩夹矸,不满足本煤层定向钻进施工要求适用性条件;因此,采用煤层瓦斯预抽定向钻孔采用顶板梳状孔模式进行试验,降低施工风险;同时将主孔布置在稳定岩层,可避免因煤层顺层孔塌孔导致瓦斯抽采通道堵塞,提高抽采效果。
梳状孔尽可能选用“后退式”施工分支孔,分支进入煤层后,视煤质条件尽可能增加进尺。
其风险主要表现在:
煤层塌孔导致钻进难、火成侵入岩影响施工难度、主孔遇硬岩开分支。
3.2.1钻场设计
在3.1.1设计的高位定向钻场内开展顶板梳状定向钻孔施工,无需另建钻场。
3.2.2钻孔设计
(1)钻孔布置
本方案在已设计的高位定向钻场内设计2个顶板梳状定向长钻孔,开孔位置距离煤层顶板距离约为6m。
钻场内布置2个钻孔,分别为1#、2#钻孔,单孔主孔设计孔深500m,开分支若干,顶板梳状定向平面布置图见图3。
钻孔在水平面上布置:
1#、2#主孔开孔方位355°、340°,左右位移6m、-9m,钻孔主延伸方向平行于回风巷,平距为15m。
钻孔在垂直面上布置:
主孔开孔倾角0°,钻孔主孔延伸距煤层顶板垂距约为6m,该层位为稳定砂岩地层。
顶板梳状钻孔轨迹剖面设计示意见图6、顶板梳状钻孔轨迹平面设计示意见图7。
图6顶板梳状钻孔轨迹设计剖面
图7顶板梳状钻孔轨迹设计平面
(2)钻孔结构
设计钻孔为二级结构,主孔终孔孔径Φ120mm,孔深500m,开分支空若干,孔径均为Φ120mm,预计每隔50m开分支,每个分支孔预计钻进100m左右,进入煤层后,尽量在煤层中延伸。
详细设计如下:
一级孔径Φ250mm,下入Φ200mm套管,套管长度9m,二级定向孔径Φ120mm至终孔。
孔口安全装置:
孔口连接气水分离器,并和瓦斯抽放管路连接。
3.2.3施工工艺
采用后退式开分支工艺,其它同3.1.3。
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