基于力-构-能模型的钻井法凿井钻进参数设计思路与方法

竖井钻机钻井法是实现井筒机械化、无人化和智能化建设的重要技术之一。西部弱胶结地层钻井法凿井基岩破碎难、刀具损坏率高、糊齿和吸渣口堵塞等现象突出,高钻压、排渣不及时、泥包钻头易导致钻头憋死,而大扭矩钻进又发生了钻杆断裂、钻具掉落等事故,进尺缓慢和反复提钻维修、钻具打捞导致钻井工效极低,主要原因是钻头结构及其刀具布置不合理、钻进参数与岩石条件不匹配、破岩与排渣效率不协调。为解决弱胶结地层钻井法凿井“破不掉、排不出、进尺慢、能耗高”的现实难题,梳理了竖井钻机钻头破岩钻进技术现状及存在的问题,以“系统”和“过程”为基本观点,提出了基于力-构-能协调模型的钻进参数设计思路与方法,应重点围绕弱胶结地层钻井法凿井钻头结构设计及其力学特征、基于钻头滚刀运动轨迹的滚刀布置、基于气-液-固耦合流场的排渣效率优化以及基于能量转化机制的钻进参数优化4个主要方面开展研究,进而形成融合钻头结构、滚刀布置、洗井排渣和能量消耗等多因素的钻头高效钻进参数设计方法,为西部弱胶结地层钻井法凿井低能耗破岩、高效率排渣和破-排效率协调作业提供支撑,推动竖井钻机钻井法在西部弱胶结地层凿井中的应用。

地面定向钻孔预注浆掩护巷道穿断层破碎带技术应用

为了解F2断层发育情况,解决岩巷穿断层期间由于顶、底板及巷道围岩破碎导致的水害、断层破碎带支护问题,在分析矿区地质条件的基础上,通过实施地面L型多分支定向钻孔对巷道穿F2断层周围破碎岩体进行预注浆加固,综合运用理论计算、工程效果监测分析等方法,对巷道掘进期间的围岩塑性圈范围进行了理论分析研究;实测分析了F2断层地面区域治理工程注浆前后地层单位吸水量变化及注浆效果。结果表明,地面定向钻孔高压预注浆有效提升了巷道围岩稳定性,研究成果为类似地层条件下巷道的安全、高效掘进提供了实践经验。

蒙陕矿区内钢板-钢筋混凝土钻井井壁非均匀受力特性研究

以蒙陕矿区某煤矿风井为工程背景,利用双向不等压模型推导出水平地应力下井壁的受力形式,并得出了非均匀系数k的计算公式,确定了蒙陕矿区地层的不均匀系数范围为0.06~0.20,研判了钻井井壁全深受力关键横断面的受力破坏特征。根据有限元软件ANSYS模拟非均匀荷载条件下的井壁受力规律,井壁混凝土外缘环向应力为控制应力,井壁应力呈现非均匀分布,90°位置的不均匀程度大于0°位置,外荷载较小的90°位置受拉,而外荷载较大的0°位置受压。通过对井壁压力试验台对内钢板-钢筋混凝土进行非均匀加载试验分析,非均匀荷载对钻井井壁受力影响极为明显,在k=0.15时模型的峰值应力仅为均匀荷载条件下的23.1%~33.3%;在k=0.20时模型的峰值应力为均匀荷载条件下的20%左右,且破坏形式为混凝土先受拉破坏,随后钢筋和钢板屈服。研究结果表明,内钢板-钢筋混凝土钻井井壁对非均匀荷载较为敏感,在蒙陕矿区使用钻井法应该考虑非均匀系数的影响,且需要在井壁设计阶段重点关注井壁外荷载较小位置的受力。

煤矿瓦斯传感信号误报识别方法研究

对煤矿井下安全监控传感器误报的规律和识别方法进行了研究,形成一套误报信号的智能识别理论与处置方法,对提高煤矿安全生产监控系统的稳定性、可靠性,确保煤矿生产的连续性具有非常重要的理论与实践意义。提出了基于小波降噪-DFT谱变换的传感器误报识别方法,利用自行搭建的安全监控系统模拟平台进行数据采集和有效性验证,并对常见的脉冲型、恒偏差型以及跃变型3种常见的误报信号进行了识别和信号重构。研究发现,所提出的基于小波降噪-DFT谱变换的传感器误报识别方法实现了误报信号的智能高效识别,为煤矿安全生产提供了必要的基础性保障。

厚煤层大断面沿空巷道变形破坏机理及控制技术

针对沿空巷道受多次采动叠加影响极易发生变形失稳破坏的难题,以某矿1505W工作面厚煤层综放开采工作面为研究背景,综合采用理论分析、现场实测、数值模拟等多种研究方法探讨分析了沿空巷道围岩失稳破坏机制,并提出了围岩“浅部、深部、表层”控制方案。现场试验结果表明,提出的控制方案能够使巷道浅、深部围岩形成统一的整体,有效抑制了沿空巷道围岩变形,提高了巷道的稳定性。

人工冻结联络通道冻胀三维扩展规律模型试验研究

为解决人工冻结联络通道冻土冻胀引发管片结构安全难题,采用相似模拟试验方法,对人工冻结过程中冻土三维冻胀特性进行了模型试验研究,得出以下结论:①冻胀引发地表及地表下20、40、60mm上覆土体曲线呈现冻结壁上部位置变形较大、边界位置变形较小的趋势,冻胀引发地表抬升曲线呈现高斯分布特征;②管片变形大致分为小变形-大变形-小变形3个阶段;③冻结壁径向扩展体积与轴向扩展体积比为15∶1,冻结壁径向扩展厚度与轴向扩展厚度比为1.1∶1。研究结果对不同约束下的人工冻土三维扩展规律进行了初步探索。

白垩侏罗系地层钻井法凿井钻井液黏度突变致因分析

在西部地区可可盖煤矿钻井法凿井过程中,穿越白垩侏罗系地层时遇到钻井液黏度突然增大的问题,严重影响了钻进速度。为此,通过实验方法探究了钻井液黏度突变的原因。实验中添加了三聚磷酸钠、羧甲基纤维素钠等外加剂以及不同层位的岩粉,并观察了钻井液黏度的变化。对比实验分析发现,三聚磷酸钠降低了钻井液黏度,而羧甲基纤维素钠增加了其黏度。添加293、391m层位的砂岩岩粉对于钻井液黏度几乎没有影响,漏斗黏度始终保持在27s左右;然而,在添加276、402m层位泥岩岩粉后,可以使钻井液黏度增大。通过XPS半定量分析相应样品以及采用XRF半定量分析和SEM电镜分析相应的钻井液发现:白垩侏罗系泥岩含有较高浓度镁元素,在该地层进行钻井法凿井时会导致Mg^(2+)浓度上升;随着Mg^(2+)浓度增加,高浓度Mg^(2+)促使蒙脱石层间阳离子与之交换并进入其空间结构中,从而引起蒙脱石絮凝程度提高并导致整体钻井液黏性增大。

不同钻进参数下反井钻机扩孔钻进速率与岩渣特征试验研究

通过不同钻进参数下反井钻机扩孔钻进斜井的现场工程测试与室内岩渣筛分试验,分析了不同钻进参数下扩孔钻头破岩钻进速率及其岩渣特征。结果表明:在单轴平均抗压强度41.6 MPa的砂岩地层中,获得了斜井反井钻机扩孔钻压、转速、扭矩等钻进参数与钻进效率之间相关关系;在试验范围内随钻压增加,扩孔钻进速率不断提高;在钻压为14 MPa、转速为9 r/min时,获得的最大扩孔钻进速率为1.41 m/h;在相同转速条件下,随着钻压增加,扭矩也同步升高,而扭矩与钻进速率之间呈线性正相关关系;通过筛分岩渣分析,扩孔钻头破岩形成的岩渣形态分为<0.50 mm的粉末状、0.50~<5.00 mm的颗粒状、5.00~40.00 mm的薄片状和>40.00 mm的大块板状或肋条状4类,岩渣粒度在10.00~20.00 mm范围内占比相对较高。研究成果可为快速判识反井钻机扩孔钻进效果和围岩稳定状态提供理论支撑。

页岩陶粒混凝土力学性能试验及微观结构分析

为探究玻璃纤维、秸秆粉和粉煤灰三者掺量对页岩陶粒混凝土的力学性能及微观结构的影响,通过正交试验分析了各因素其水平与页岩陶粒混凝土单轴抗压强度、劈裂抗拉强度和拉压比的关系,得出因素的主次顺序和优选水平,利用功效系数评价页岩陶粒混凝土的性能。试验结果表明,对于页岩陶粒混凝土单轴抗压强度,粉煤灰掺量为主要因素,优选水平是10%;对于页岩陶粒混凝土劈裂抗拉强度,主要影响因素为玻璃纤维掺量,其次是秸秆粉,优选配合比为:玻璃纤维掺量0.1%、秸秆粉掺量4%、粉煤灰掺量20%;影响混凝土拉压比的主要因素是粉煤灰掺量,其次是玻璃纤维,优选配合比为:玻璃纤维掺量0.1%、秸秆粉掺量2%、粉煤灰掺量20%。根据功效系数分析得到试验组玻璃纤维掺量0.3%、秸秆粉掺量4%、粉煤灰掺量10%总功效数值最高,综合性能优。

大埋深富水地层横通道冻结加固设计与施工

针对大埋深富水地层横通道冻结法设计理论和施工经验欠缺问题,以北京东六环改造工程10号人行横通道为背景,系统介绍了该工程的冻结设计方案与主要安全技术措施,冻结壁设计厚度为3.5m,平均温度≤-12℃,运用结构力学方法进行了冻结壁承载能力验算,并根据设计孔位进行了温度场验算,主要安全技术措施设计了防护门、隧道支架和充填与融沉注浆。该工程已安全顺利完成结构施工,开创了国内埋深最大富水地层横通道冻结工程,为后续类似工程提供了宝贵经验。

基于西部风积砂层渗流特性的冻结壁发展规律研究

为解决井筒冻结壁在冻结过程中温度场难以预测的问题,以陶忽图矿井副井为工程背景,利用ANSYS有限元软件分析计算,对陶忽图矿副井在冻结条件下-35.35 m风积砂层的冻结壁厚度、温度以及渗流对冻结壁交圈时间的影响进行了研究。研究结果显示,数值模拟预测的风积砂层冻结壁交圈的时间与实际时间相吻合。在冻结过程中,通过有限元模拟得出的测温孔温度与实测结果相符,验证了有限元软件模拟井壁冻结过程的准确性。此外,通过有限元软件对井筒周边抽水井不同抽水速率对冻结温度场的模拟分析,总结出不同抽水速率对冻结温度场的影响,为西部类似风积砂层的冻结法凿井提供了有益的参考。

超大直径隧道联络通道冻土与管片交界面冻结温度场分布规律研究

以北京东六环隧道盾构段联络通道冻结施工为背景,研究超大直径隧道土体与管片交界面处冻结温度场。采用现场实测和数值模拟的方法,对交界面处冻结壁的发展状况以及冻结管端部不循环段长度对交界面冻结的影响进行了分析。结果表明:同一位置的数值模拟温度变化与工程实测基本一致,能较好反映土体温度变化;在冻结过程中,同远离管片的另一截面相比,交界面处的冻结壁厚度更小,且随着冻结时间的增加,两个截面处冻结壁厚度差值逐渐增大,到冻结56d时,冻结壁上壁厚度差值达到1.04m,冻结壁侧壁厚度差值达到0.91 m;冻结管不循环段长度会明显影响交界面的冻结效果,间距平均每增加100mm,在冻结56d时的交界面冻结壁上壁厚度将减小80mm,侧壁厚度将减小60mm。研究结果可为类似的大直径隧道联络通道冻结工程提供参考。

跨孔电阻率CT技术在立井地面预注浆效果检查中的尝试

立井井筒在遇到含水层或松软破碎岩层时,地面预注浆是常用的堵水加固技术,但对于注浆效果的检查和评价一直没有可靠的手段。物探技术的飞速发展为地面预注浆效果检查带来新的希望。然而,迄今为止国内外尚未有通过物探手段对竖井地面预注浆效果进行检查与评价的报道。通过对物探技术的介绍,分析了常规底面物探技术无法在较深立井地面预注浆效果检查中应用的原因,阐述了超高密度跨孔电阻率CT技术的原理、方法和仪器,并在云南滇中引水工程香炉山引水隧洞新增竖井地面预注浆中进行现场尝试应用。结果表明,超高密度跨孔电阻率CT技术具有分辨率高、多解性低以及全自动、快速采集的特点。通过钻孔深入注浆地层进行测试,相比地面物探方法能更准确地反映地层物性参数变化情况,对较大尺度范围深部地面预注浆效果的定性检查评价是可行的,应进行更多的研究和尝试。

大直径竖井钻机压气反循环洗井效率模型试验研究

针对我国西部侏罗系地层钻井法凿井钻进与洗井效率低下问题,以西部可可盖煤矿中央回风立井钻井法凿井为研究背景,基于自主研发的压气反循环洗井试验装置,开展压气反循环洗井的相似模型试验研究,并采用正交试验和极差分析相结合的方法,探究钻头转速、风压和风管埋入系数等因素对压气反循环洗井效率的影响规律,最后提出了高效洗井的参数组合。研究结果表明:①通过正交试验和极差分析结果,得出洗井效率主要影响因素的敏感性排序为:钻头转速>风压>风管埋入系数;②基于模型试验结果,提出了洗井效率的评判指标清屑率和携岩率,二者均随钻头转速、风压的增大呈先大幅增长后小幅降低的趋势,且与风管埋入系数呈正相关关系;③洗井液排量与钻头转速呈负相关关系,钻屑排量随着钻头转速、风压的增大均呈现先增长后降低的趋势;④基于模型试验结果,提出了高效洗井参数:钻头转速为8.6 r/min;风压为1.44 MPa;风管埋入系数为0.837。研究结果可为提高西部侏罗系地层钻进与洗井效率低下问题提供有益参考。

临空巷道二氧化碳致裂切顶卸压技术应用研究

针对坚硬顶板临空巷道强矿压显现问题,以晋能控股煤业集团有限公司马脊梁煤矿为工程背景,运用理论分析、数值模拟方法进行了临空巷道二氧化碳致裂切顶卸压技术应用研究,并成功完成现场工业性试验。结果表明:二氧化碳致裂切顶卸压技术能够降低应力峰值,应力集中远离巷帮,缓解矿压显现现象,切顶高度和切顶角度对巷道围岩控制有显著影响,切顶高度越大卸压效果越好,但当切顶高度达到一定程度后,继续增加切顶高度对应力降低影响不甚明显;切顶角度大时煤柱内的应力显著降低,切顶角度小时更利于优化巷道附近应力环境;马脊梁煤矿5015巷应用二氧化碳致裂技术切顶卸压,顶底板移近量、两帮变形量、支承压力峰值较未切顶时分别降低22.6%、28.7%、21.8%,显著改善了巷道的应力环境,减小了围岩变形量,有助于解决强矿压显现问题。

采空区下近煤层巷道大断面敞开式盾构掘进围岩稳定性分析

盾构工法因其高效、经济等显著优势正成为煤矿巷道掘进新模式。巷道处于复杂地质条件采空区下,对巷道围岩稳定性和支护控制带来很多的不确定因素。依托顾桥矿北二回风补套巷为研究对象,通过现场监测和数值模拟研究采空区下近煤层巷道大断面敞开式盾构施工围岩变形规律。研究结果表明:巷道围岩位移和围岩应力呈现出先快速增大后缓慢增加的趋势,在35 d左右趋于稳定;监测表明随着距离巷表深度越大围岩位移逐渐减小,距拱顶4 m深度处岩层位移最大达5.9 cm,锚杆(索)拉力最大达50 MPa;相对而言,里程1250 m监测断面处围岩稳定性较1450 m处好,采空区下近煤层巷道围岩稳定性受地质条件、掘进速度和支护结构等多种因素影响;提出了支护方案,围岩变形及锚杆(索)受力维持在较低的状态,围岩稳定性较好,围岩与支护体系能够承受围岩荷载,具备安全储备空间。可为实现大埋深采空区下盾构工法施工快速掘进与巷道稳定性控制提供借鉴和参考。

基于点云数据的竖井井筒变形监测方法研究——以金川矿山新2号副井为例

竖井井筒的变形监测对于矿山安全生产具有重要的意义。以金川矿山新2号副井为例,基于2020年、2023年GeoSLAM(移动式三维激光扫描仪)获取的两期点云数据,采用模型切片的方法,分析了新2号副井1280~<1340、1340~<1400、1400~<1460m三个分段的竖井井壁变形情况,结果表明:1280~<1340m水平井筒断面尺寸整体上呈现缩小的状态,变形原因主要为后期返修导致断面规格发生变化;1340~<1400m水平在局部呈现断面尺寸增大的情况,且在三维模型上呈明显带状分布,但整体上井筒断面尺寸呈现缩小的状态,且分布于该中段各处位置,主要为地压原因导致的局部变形。从1400~<1460m水平井筒整体上看,断面规格上大于2020年模型断面,主要原因是施工断面设计存在不同,但在1437~1450m水平井筒断面尺寸表现出明显的断面缩小变形,变形原因为地压过大导致的局部凸出。

激光照射花岗岩抗拉强度及孔隙分布研究

激光辅助破岩技术有助于提高超硬、超深地层资源的开采效率。采用控制变量法开展了激光热裂花岗岩试验,分析了温度、射孔参数、比能、热裂效能、抗拉强度和孔隙分布等变化规律。结果表明,激光照射下花岗岩表面温度超过1000℃;花岗岩射孔直径、深度和射孔速率随照射参数呈非线性变化,最大射孔直径、深度和速率分别为10.0mm、12.0mm和2.70mm/s;花岗岩最大比能和热裂效能分别为87.8kJ/cm^(3)和39.5kJ/cm^(3)。激光照射后花岗岩单轴破坏模式为脆性破坏,抗拉强度最大降幅为74.11%。激光照射导致岩石内部中小孔隙连通形成大孔隙,并最终导致岩石断裂。

二氧化碳致裂爆破快速掘进技术应用及探索

针对钻爆法施工受限时硬岩掘进效率低下问题,提出了利用二氧化碳气相爆破方式对硬岩岩体进行松动致裂。以某矿煤仓掘进工作面为研究背景,运用理论分析和现场试验等方法设计了煤仓断面致裂孔布置参数,并进行了二氧化碳致裂松动现场试验。结果显示,在目前的技术体系下,由于封孔措施不当,二氧化碳气相爆破技术在硬岩致裂过程中未能达到预期的松动效果。根据试验反馈结果,提出了通过增设封孔装置、增设爆破能量导向裂隙及调整爆破参数的优化方法,并初步探索了适用于硬岩致裂的方案。这些改进思路有助于实现硬岩致裂并提高机械式掘进效率。

多项测量技术在首山一矿主斜井分段施工贯通测量中的应用

针对平煤首山一矿主斜井分段施工、贯通施测导线长、测量环节多等特点,在该主斜井分段施工贯通测量中应用了多项测量技术。通过确定井上下起算数据建立统一坐标系统,采用分段加测陀螺边控制方位,从陀螺边开始井下一律敷设15″级控制导线测角,量边按《煤矿测量规程》要求进行测量,采用虚拟双导线测量技术提高测量精度,并用复测支导线分段往返、自成闭合的测量方法进行检核,减小了对点误差对巷道贯通的影响。该测量技术的成功应用,为长距离主斜井分段施工贯通测量积累了宝贵的经验。