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我国煤矿井下近水平定向钻进深度创2311米世界纪录

2018/1/12  来源:中国煤炭市场网  
 
 
    近日,记者从中煤科工集团西安研究院有限公司(以下简称西安研究院)获悉,由该院承担的国家科技重大专项课题成果“大功率定向钻进技术与装备”在神东保德煤矿成功钻成了主孔深度2311m的顺煤层超长定向钻孔,打破了由该院2014年在晋煤集团寺河煤矿创下的1881m定向钻孔深度世界纪录,刷新了当前由澳大利亚公司在Metropolitan矿创下的2151m孔深世界纪录,标志着我国煤矿井下定向钻进技术与装备获得重大突破。
   
    煤层气(俗称瓦斯)是主要以吸附状态赋存于煤层之中的一种自生自储式非常规天然气,主要成分为甲烷。煤炭开采过程中,空气中瓦斯浓度达到5%—16%时,遇明火就会爆炸,是煤矿瓦斯事故的根源;另外随煤炭开采释放的瓦斯如果直接排放到大气中,其温室效应约为二氧化碳的21倍,对生态环境破坏性极强。

    煤层气(瓦斯)又是一种洁净能源和优质化工原料,1立方米纯瓦斯的热值相当于1.13kg汽油、1.21kg标准煤,其热值与天然气相当,可以与天然气混输混用,而且燃烧后很洁净,几乎不产生任何废气。因此开发利用煤层气(瓦斯)对缓解我国常规油气供应紧张状况,改善煤矿安全生产条件、实施国民经济可持续发展战略、保护大气环境等多方面均具有十分重要意义。

    我国煤矿煤层赋存地质条件复杂,煤层瓦斯含量高、压力大,瓦斯灾害事故频发,严重影响了煤炭的开采,利用钻孔对煤层瓦斯进行抽采是目前国内外常用且有效的方法。

    西安研究院结合煤矿井下安全生产需要,自上世纪60年代开展了大量的钻探技术研究、装备研制以及技术咨询服务等工作,着力解决煤田地质勘探和煤矿安全生产过程中遇到的探放水、探构造、煤层气(瓦斯)抽放(采)、含水层改造和隔水层加固等重大钻探技术难题,共完成国家科技重大专项、国家和省部级等各类科研项目210余项,获全国科学大会奖2项、国家科技进步奖3项、省部级等各类科技成果奖56项。其中“煤田钻探人造金刚石钻头钻进性能及人造金刚石合成的研究”“绳索取心器及打捞器的研究和试验”等项目获国家科学大会奖,“坑道钻机及近水平孔定向钻进技术的研究”项目获国家科技进步二等奖,“阳泉矿务局瓦斯综合治理技术的研究”项目获国家科技进步三等奖。研究成果在地质勘探和煤矿安全生产方面推广应用,为煤田地质勘探工作和煤炭安全开采提供了重要技术支撑。

    随着我国煤矿生产技术及装备水平的不断提升,矿井安全、高效生产提出了矿井瓦斯区域、精确治理以及瓦斯清洁利用等更高的要求。在新的形势下,采用传统回转钻进工艺技术施工煤层瓦斯抽采钻孔暴露出了诸多问题,主要体现在:施工精度低、施工速度慢、钻孔轨迹不可控制、无法适应煤层顶底板起伏、无效进尺多、钻孔利用率低及单孔瓦斯抽采量小等方面,不能满足生产实际需求。

    2002年,国内煤矿企业逐渐开始从国外引进煤矿井下定向钻进技术与装备用于顺煤层瓦斯抽采定向钻孔施工。煤矿井下定向钻进技术可以实现钻孔轨迹的精确控制,保证钻孔轨迹在预定层位中的有效延伸,增加钻孔有效抽采距离,提高瓦斯抽采效率;另外,定向钻进技术可进行多分支孔施工,施工的钻孔能均匀覆盖整个工作面,具有钻进效率高、一孔多用、集中抽采等优点,在矿井瓦斯治理中发挥出重要作用。

    然而,先进的随钻测量定向钻进技术与装备被国外企业所垄断,高昂的设备采购及维护费用导致瓦斯治理成本居高不下。针对此情况,西安研究院从2005年开始,在国家发改委、科技部等支持下,依托国家重点研发专项、“十一五”和“十二五”国家科技油气重大专项,开发了系列化煤矿井下定向钻进技术与装备,创新研制了12000Nm大功率定向钻机,解决了井下超长定向孔施工装备能力不足的难题;发明了煤矿井下防爆型无线随钻测量系统,实现了测量信号传输由“有线”到“无线”的跨越;信号传输距离达到2000m以上;开发了井下深孔高效定向钻进及钻孔事故处理新技术,钻进效率提高40%。成果整体达到国际领先水平,获得国家科技进步二等奖1项、陕西省科技进步二等奖1项、中国煤炭工业协会一等奖2项等诸多荣誉。

    目前,西安研究院煤矿井下定向钻进技术与装备已在国内20多个矿区进行了成功推广应用,在煤矿区煤层气(瓦斯)高效抽采方面发挥着主导作用。

    随着煤矿井下定向钻进技术与装备的不断完善,煤矿井下定向钻孔深度纪录也不断提高,2008年在陕西亭南矿达到1046m,2010年在山西寺河煤矿达到1059m,2011年分别在神东保德煤矿和陕西大佛寺煤矿达到1111.6m和1212m,2014年在山西寺河煤矿达到1881m,此次在神东保德煤矿钻孔主孔深度达到2311m,刷新了当前世界纪录。

    此次钻探施工由西安研究院和神东煤炭集团保德煤矿共同承担。现场结合保德煤矿超长工作面瓦斯区域治理需要,在保德煤矿二盘区,利用西安研究院ZDY12000LD大功率定向钻进装备,分别采用“主动探顶+侧钻开分支”及复合定向钻进工艺技术,实现了顺煤层超长定向钻孔全孔段在煤层中钻进,克服了以往滑动定向钻进工艺钻进系统压力参数随孔深增加上升迅速,从而使钻进能力受限的技术难题。在双方通力合作下,施工完成主孔深度达2311m的本煤层超长定向钻孔,钻孔探顶开分支15次,总进尺3094m,孔径Ф120mm,平均日进尺200m以上,孔深达2000m以上仍实现了单班进尺90m的高效定向钻进。

    2017年12月19日,西安研究院董书宁董事长一行在神东煤炭集团有关领导的陪同下前往保德煤矿井下施工现场进行慰问和祝贺,详细考察了保德矿井下定向钻机应用现场,向现场人员询问了施工和钻机使用情况。座谈会上双方就这次再创孔深世界纪录向现场工作人员表示祝贺,并就煤矿井下钻探技术发展方向进行了深入交流,畅谈了今后合作计划及后续服务工作等。

    这次突破,又一次显著提高了我国煤矿井下超长定向钻孔的施工能力,为超长综采工作面瓦斯区域高效治理提供了可靠的技术和装备支持。该成果既可用于中硬煤层顺层定向钻孔、大直径顶板高位定向钻孔等瓦斯抽采钻孔施工,也可推广应用于水害防治定向钻孔、煤层顶底板注浆加固钻孔、隐蔽致灾因素探查定向钻孔以及矿山事故救援大直径钻孔等工程,显著提升了我国煤矿井下定向钻进技术与装备水平,提高了井下超长定向钻孔、大直径定向长钻孔的施工能力,对保障煤矿安全高效生产起到积极推动作用。
 
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