我國含碎軟煤層礦井分布廣泛，占比50%左右。中國煤科天地王坡3#煤層屬于典型碎軟煤層，具有強度低、遇水破碎、穩(wěn)定性差等特點，近年來采用液動定向鉆進技術(shù)先后開展了順層定向鉆孔、頂板梳狀鉆孔與底板梳狀鉆孔施工試驗，試驗中存在塌孔卡鉆、成孔深度淺、鉆進效率低等問題，制約礦井區(qū)域瓦斯高效治理。
為解決天地王坡碎軟煤層區(qū)域瓦斯治理難題，為晉城地區(qū)乃至全國碎軟煤層區(qū)域瓦斯治理起到示范作用，在中國煤科統(tǒng)籌安排下，由所屬西安研究院、天地王坡、沈陽研究院聯(lián)合組建“碎軟煤層氮氣排渣氣動定向鉆進團隊”，針對礦井碎軟煤層氮氣排渣氣動定向鉆進技術(shù)進行專項研究。
圖為碎軟煤層氮氣排渣氣動定向鉆進成套裝備集成
團隊制定了“碎軟煤層氮氣排渣氣動定向鉆進技術(shù)”方案，該技術(shù)基于氣動定向鉆進工藝、氣動螺桿鉆具開分支工藝、篩管護孔工藝等，通過在碎軟煤層順層定向高效鉆進長鉆孔，實現(xiàn)碎軟煤層煤巷條帶區(qū)域消突和工作面區(qū)域遞進式瓦斯抽采。其中西安研究院負責(zé)氣動定向鉆進技術(shù)攻關(guān)與試驗研究，天地王坡負責(zé)提出瓦斯治理技術(shù)需求和試驗現(xiàn)場安全管理保障，沈陽研究院負責(zé)開發(fā)2.0MPa新型制氮配套裝置。
團隊通過優(yōu)化組合形成了碎軟煤層氮氣排渣氣動定向鉆進成套裝備集成，包括：定向鉆機、氣動螺桿鉆具、制氮機、電磁波隨鉆測量系統(tǒng)、除塵泵車等。開發(fā)形成了碎軟煤層氮氣排渣氣動定向高效鉆進技術(shù)，該項技術(shù)以高壓制氮機提供氮氣作為氣源，驅(qū)動氣動螺桿鉆具工作實現(xiàn)定向鉆進、排出煤渣，配套電磁波隨鉆測量系統(tǒng)實現(xiàn)軌跡精準測量與控制，實現(xiàn)碎軟煤層氣動定向鉆進成孔。
圖為天地王坡井下氣動定向鉆進試驗場景
從2020年7月到2022年7月，團隊采用碎軟煤層氮氣排渣氣動定向鉆進技術(shù)，極大提升了鉆進過程煤體穩(wěn)定性，杜絕了常規(guī)空氣壓風(fēng)鉆進可能出現(xiàn)燒鉆的風(fēng)險，實現(xiàn)了氣動定向鉆進高效排渣、鉆孔軌跡隨鉆精準測量、鉆孔施工安全控制以及職業(yè)健康保障，形成了一套適合天地王坡井下氣動定向鉆進施工方法。在氣動螺桿鉆具、2.0MPa新型制氮裝置、隨鉆測量系統(tǒng)地開發(fā)，以及氣動定向鉆進工藝技術(shù)、壓風(fēng)監(jiān)控/防噴除塵安全鉆進系統(tǒng)研究等方面取得29項技術(shù)突破，解決了碎軟煤層長距離精準定向成孔及開分支的技術(shù)難題。團隊布局授權(quán)國家發(fā)明專利13項，發(fā)表科技論文16篇，制定企業(yè)標準1項。團隊在天地王坡鉆孔試驗進尺4萬米，平均鉆孔深度300米以上，取得了最高月臺效4011米、平均月臺效超3000米與最大孔深437米的成績，標志著我國碎軟煤層定向長鉆孔技術(shù)日趨成熟，為實現(xiàn)碎軟煤層區(qū)域瓦斯高效治理模式提供技術(shù)支撐。
圖為項目組員現(xiàn)場調(diào)試沈陽研究院高壓制氮機
該項技術(shù)的突破，顯著發(fā)揮了天地王坡作為中國煤炭科工集團科技產(chǎn)品、技術(shù)孵化基地作用，有效推進了我國碎軟煤層區(qū)域瓦斯高效治理模式。目前西安研究院在安徽、貴州、山西、陜西多個礦區(qū)正積極開展氣動定向鉆進技術(shù)推廣，促進鉆探裝備銷售和工程合同額5.6億元；天地王坡采用氣動定向鉆進技術(shù)進行區(qū)域瓦斯治理，既節(jié)約了施工成本也實現(xiàn)了瓦斯超前治理，為后續(xù)礦井安全生產(chǎn)打下基礎(chǔ)；沈陽研究院高壓制氮機性能穩(wěn)定，已得到各地煤礦企業(yè)的認可。
此次西安研究院、天地王坡、沈陽研究院團隊聯(lián)合攻關(guān)的成功，一方面是認真貫徹中國煤科“1245”總體發(fā)展思路，落實“創(chuàng)新驅(qū)動、聚焦主業(yè)”兩大戰(zhàn)略的具體實踐；另一方面是中國煤科二級企業(yè)大兵團作戰(zhàn)，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢、團結(jié)協(xié)作聯(lián)合創(chuàng)新、實現(xiàn)共贏發(fā)展的良好示范，彰顯出中國煤科團隊作戰(zhàn)的“硬核”實力。