动载作用下锚固体应力波传递及破坏特征研究

为研究动载作用下锚固体的应力波传播规律及破坏特征,利用分离式霍普金森杆(SHPB)对锚固体试件开展了不同预应力及不同冲击次数的冲击试验。研究结果表明:随着预应力增加,锚固围岩中应力波峰值逐渐增加,衰减速度逐渐减小,增大锚杆预应力,锚固自由端拉伸波峰值明显减小;随锚固体试件预应力增加,锚固体轴力损失越快,轴力损失率呈二次线性增加的趋势;预应力较小时,锚固自由端围岩产生裂缝较多,多次冲击下裂缝距离较为接近;随着预应力的增加,自由端头破坏程度减弱;随着预应力增加,拉拔最大位移量越来越小,未受动载作用的原始试件拉拔后未出现明显的破坏;动载作用后,随着预应力增大,锚固端头发生一定程度的劈裂破坏,预应力持续增加劈裂破坏程度越来越弱。

煤矿矿井建设技术与装备70余年创新发展及推广实践

比较全面地总结了新中国成立70余年来,我国煤矿矿井建设技术从引进吸收、自主发展到再创新的历程,以及在基础研究、工艺创新、技术突破、装备研制和成果转化方面取得的重要成果,涉及钻爆法、冻结法、注浆法、钻井法、沉井法等凿井技术以及煤矿岩巷掘进技术。目前,以钻爆破岩为主的凿井配套装备机械化、自动化水平显著提高,煤矿千米级深井短段掘砌综合凿井技术趋于成熟,竖井凿井最大深度达到1 341.6 m。冻结法、注浆法等凿井地质保障技术水平显著提升,逐步代替了帷幕法、板桩法和降水法等凿井技术,竖井最大冻结深度达990 m,斜井最大冻结段斜长达681 m,采用工作面注浆建成煤矿最长斜井为5 875 m,竖井地面预注浆加固深度达1 355 m。机械破岩井巷掘进技术取得突破性进展,反井钻机最大钻井直径达6 m,最大钻井深度达562 m;竖井钻机钻井法实现了最大钻井直径10.8 m,最大钻井深度660 m,且应用范围逐步扩大;竖井掘进机钻井法实现了零的突破,为煤矿竖井智能化凿井奠定了基础;煤矿岩巷机掘法作业线已经形成,岩巷全断面掘进机平均成巷速度超400 m/月。综上,70余年来我国煤矿矿井建设技术与装备创新发展,显著提升了煤矿井巷掘进作业环境、施工效率和安全水平,实现了井巷掘进工作面无人化、自动化、全机械化作业,解决了我国煤炭开发各阶段井巷建设的难题,保障了煤矿基础建设及开采接续建设。同时,从煤矿矿井建设发展起来的技术装备和取得的成功经验,在水力发电、市政轨道交通、山岭交通隧道、引水隧道等地下工程领域得到了推广实践,为国家重点工程建设和国民经济发展做出了贡献。

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。

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。

煤矿冻结立井井筒机械破岩智能化建设工艺及关键技术分析

目前以钻爆法为主的短段掘砌综合凿井技术逐步成熟,煤矿立井建设深度已突破1000 m,逼近1500 m。然而钻爆法凿井依然存在下井作业人员多、作业环境恶劣、作业风险高和设备智能化程度低等现实难题,井筒非爆破破岩智能化建设技术已成为煤矿井筒建设技术发展的重要方向。为探索西部富水软弱地层井筒机械破岩高效智能化建设技术新思路,从井筒建设工艺、地质保障技术、智能钻井装备、协同作业技术4个方面,开展了煤矿冻结井筒机械破岩智能化建设工艺及关键技术分析。基于多工序平行作业快速建井的理念,以地层冻结技术解决地层涌水和软弱地层易失稳的难题,以反井钻机和竖井掘进机为机械破岩钻进的核心装备,提出了冻结井筒机械破岩智能化建设新工艺;提出“冻结+反井钻机钻井+永久支护”的建井工艺,分析了冻结地层反井钻机钻井装备可行性,剖析了冻结地层反井钻机钻井冻结壁控制、扩孔钻进、快速支护等方面的9项关键技术;提出“冻结+竖井掘进机钻井+钻-支平行作业”的建井工艺,分析了冻结地层竖井掘进机钻井装备可行性,剖析了冻结地层竖井掘进机钻井井帮稳定控制、破岩智能钻进和钻支协同作业等方面的9项关键技术,以期推动井筒安全、快速、绿色、智能化建设技术的发展。

缓倾斜煤层群开采辅助运输系统改造及开拓优化设计

针对缓倾斜煤层群开发过程中由于辅助提升及运输系统复杂引起的一系列问题,提出以无轨化辅助运输系统为改造目标,以新建缓坡斜井为改造方式,对沙吉海一号矿井进行辅助提升及运输系统改造。结合井筒布置情况,对矿井进行开拓优化设计,采用缓坡斜井兼做采区辅助运输上山的方式开发煤层群,减少采区个数,延长各采区服务年限,有利于缓解矿井采掘接续紧张的局面。对于新疆地区煤层群开发,沙吉海一号矿井开拓优化思路有一定的借鉴意义。

金属矿开采天井机械破岩钻进工艺及关键技术分析

金属矿开采天井机械化、绿色化和智能化建设已成为技术发展的主要趋势,也是推动金属矿山开发高质量发展的重点任务之一。随着金属矿山开采逐步走向深部,高地压、高地温、高水压等地质条件的复杂性和恶劣作业环境的不确定性愈发突出,给服务矿井生产的各类天井工程建设带来很大难度和挑战。全面梳理了金属矿开采天井类型,分析了垂直天井、倾斜天井、切割槽(盲天井)的现有机械破岩钻进工艺;通过分析现有切割井钻机与反井钻机钻井技术装备现状及面临的难题,从高效钻进、智能控制、围岩控制和智能装备等方面,开展了切割井钻机与反井钻机智能化钻井关键技术分析;针对大直径、高中段天井现有反井钻机一次钻进能力不足,以及围岩破碎段高、软弱围岩变形量较大,易发生井帮失稳坍塌等问题,提出了不良地层大直径天井掘进机掘支一体化的建设新工艺,围绕机械破岩正掘工艺、全断面装备智能掘进、装备配套与安全悬吊、掘进机始发与拆机等关键技术,分析了天井掘进机钻井技术的研发方向,以期为金属矿开采天井安全、高效、绿色和智能化建设技术发展提供参考。

台格庙矿区钻井法凿井钻进工艺可行性研究

神华新街台格庙矿区一井东部风井井筒设计成井深度857.5 m,设计净直径7.0 m,设计井壁厚度850 mm,以此为工程背景,从地质特征、工程条件、装备能力、钻井分级工艺等方面,分析了采用竖井钻机钻井法凿井钻进工艺的可行性。研究了拟建井筒穿越的地层及其岩石力学特性,基岩厚度将达到870 m,基岩占比达到99.3%;基于地质条件、井筒功能和井筒设计参数,计算得出钻井深度将达875 m、钻井直径为10.2 m,并梳理了全岩地层深大直径井筒机械破岩钻进面临的难题;对比分析了东部深厚冲积地层和西部厚基岩地层钻进分级工艺,分析确定了“一扩成井”钻进工艺具有可行性,超前钻孔直径范围为6.5~7 m,扩孔钻进直径为10.2 m。

煤矿超长斜井破碎地层敞开式TBM掘进技术与应对方法研究

TBM因施工安全、自动化程度高、掘进速度快等特点,已成为斜井机械化、自动化和智能化建设的重要掘进装备。西部弱胶结地层围岩强度低、承载能力差,TBM在穿越破碎地层时发生塌方、卡机、栽头和掘进偏斜等风险概率较高,为此开展了西部煤矿超长斜井破碎地层敞开式TBM掘进技术与应对方法研究。基于可可盖煤矿斜井穿越地层和工程条件,制定了适应地层条件的TBM掘进参数调整方案,提出了刀盘转速、撑靴压力、刀盘扭矩、推进速度等掘进参数的控制方法,最大限度发挥了TBM高效掘进的性能;提出了斜井穿越破碎地层时,钢拱架、超前注浆、锚网支护等综合围岩加固方法;优化了辅助作业设备的配置方案及掘进作业流程,形成了注浆加固、围岩强支护、设备随掘协同的破碎地层安全施工技术,保障了可可盖煤矿斜井破碎地层敞开式TBM的安全与快速掘进。

矿井机械推拉头结构优化设计及加工工艺分析

本文综合分析了矿井机械推拉头的结构优化设计与加工工艺。首先对现有推拉头结构进行深入分析,识别存在的问题,并基于现代设计理论提出优化方案,特别是针对关键部件的结构改良。随后,探讨了材料选择对性能的影响,对比了传统与新型材料在耐磨损和抗腐蚀性能上的差异。最后,详述了推拉头的加工工艺,特别是数控加工工艺的编制与优化,以及加工过程中的精度控制和质量管理。

有限场地内立井施工地面布置与设备选型方案研究

针对陕煤建庄煤矿回风立井井筒施工时场地狭小、距离既有建筑物近等现场条件,通过计算与分析制定了双绞车单侧布置、单侧排矸的地面布置方案;根据井筒工程特征确定了井筒施工的相关配套设备,并验算了整体井架在工作时的稳定性;同时对爆破作业对既有建筑物的振动影响进行了验算,确定了不同井筒深度施工时的一次起爆最大药量,并制定了相应的减震措施。通过实践表明,在有限场地内采取双提升单侧布置的施工方案是可行的,能够保证安全生产,为类似条件的井筒施工提供了借鉴经验。

煤矿区域治理关键参数的应用研究

誉煤矿下组煤为复杂型矿井水文地质类型,全矿可采煤层均属带压开采煤层。井田内目前灰岩水水位标高+1042m~+1050m,近三年最高水位标高为+1057m。某煤矿三采区即将进入开发阶段,井田三采区16煤底板标高+820m~+950m,16煤层突水系数0.041~0.076MPa/m;为保障三采区下组煤的安全开采,拟采用地面水平定向钻孔注浆加固方式进行底板奥灰水害治理。为矿井安全生产提供保障。

环境保护措施在煤矿设计中的应用

煤矿开采对环境造成极大影响,煤矿设计者需考虑环保因素,采取环境保护措施,提升煤矿生态价值,降低开采行为的负面影响。本文介绍煤矿设计和开采过程中常见的环境污染和破坏问题,分析煤矿设计环节防治环境问题的措施,希望这些措施能够给相关单位和设计人员提供启发和帮助,从而推动绿色矿山的有序构建。

通风阻力测定与系统优化研究

针对某煤业采用中央分列式机械抽出式通风工艺,利用矿区主、副平硐作为进风井,并设置回风斜井,以及存在的总供风量不足、进风风阻大且通风网络复杂等问题进行通风系统优化研究,探究供风量不足、风流串联以及风阻分布失衡要素,设计增设了二盘区进风斜井和二盘区回风斜井,使4^(-2)煤—5^(-2)煤与2^(-2)煤—3^(-1)煤的通风路线相互独立,依靠自然分风进行通风系统的优化。经过对风量分配、等积孔、风阻分布以及通风网络的计算分析可知,优化后的通风系统有效解决了原系统存在的问题,优化效果明显。

煤矿超长斜井敞开式全断面掘进机施工可行性分析

斜井是保障矿山高效生产的矿井开拓方式之一,可实现矿井主运连续化,大型采、掘、运装备可采用无轨胶轮化直接下井,无需地面拆解和井下大硐室中组装的复杂工序。为满足陕西可可盖煤矿10.0 Mt/a的产能需求,基于井筒开拓方式影响因素的分析以及可可盖煤矿工程地质与水文地质条件的分析,提出了4版矿井开拓方案,考虑到外部运输条件便利、场地集中便于管理、缓坡斜井无轨胶轮化和无需换装等优势,初步确定了井田西部主副斜井+中部进回风立井的开拓方案;进一步梳理了煤矿长距离斜井钻爆法与机械破岩施工技术发展的现状与趋势,鉴于现有钻孔爆破法和悬臂掘进机作业线施工斜井存在掘进效率低、工序多、风险高等问题,提出了超长斜井采用全断面掘进机掘进的技术方案,论证了采用敞开式全断面掘进机施工的可行性和适用性;通过对比分析斜井围岩管片支护与锚网喷支护的优缺点,选择了近工作面锚网喷与局部围岩较破碎区段增设钢拱架的支护方式。根据可可盖煤矿工程地质与水文地质条件、环境条件、工程条件、建井技术、装备性能、施工工期、投资成本等因素的综合分析,可可盖煤矿主副斜井建设技术装备具有可行性和先进性,为同类型矿井开拓方式选择与超长斜井施工技术装备的确定提供了参考,为煤矿安全高效、绿色智能建设和发展奠定了基础。

顾桥煤矿东区二水平主排水泵房优化设计

针对主排水水泵房传统设计模式布置复杂、环节多、工期长、后期设备维护等问题,提出采用吸水池代替配水井、配水巷和吸水井的优化方案,设计优化后整个主排水泵房仅由泵房和吸水池组成,并在顾桥煤矿东区二水平主排水泵房应用,相比于传统方案,施工工期减少了约30 d,施工费用降低了18.9%。实践证明,该方案具有布置简单、环节少、功能齐全、工期及施工费用大幅度减少等优点,为煤矿生产创造了较大的经济效益和良好的安全效益。

复杂地层条件智能化建井关键技术及发展趋势

井筒智能化建设是地下矿物资源开采、地下空间开发利用等领域高质量发展的重要技术支撑,也是井筒建设发展的必然趋势。在分析我国深厚冲积地层、硬岩地层、岩溶地层、富水弱胶结地层4种典型地层条件下现有建井技术的基础上,以西部富水弱胶结地层煤矿盲竖井建设为典型代表,从地质探查、地层改性、掘进装备、支护结构等方面梳理了智能化建井面临的挑战;深入剖析了复杂地层条件下智能化建井需要继续解决的问题及技术发展趋势,包括建井地层全信息探识与重构技术、智能化冻结控制技术、掘进装备破岩-排渣及智能化控制技术、掘-支协同智能化控制技术、仿真决策与智能化管理系统平台;提出了智能建井的发展建议,以期为推动智能化建井技术发展提供参考。

厚基岩地层竖井钻机钻井法钻进技术参数及其速度分析

竖井钻机钻井法具有施工安全性好、机械化程度高、井壁质量好等优点,可实现打井不下井,本质安全的目标。分析了我国西部与中东部钻井地层的差异性,中东部地层基岩占比不超过20%,而西部地层基岩占比超过80%;针对西部煤系地层厚基岩特性、井筒设计和钻机能力等条件,分析并计算了厚基岩地层竖井钻机钻井直径、深度和钻进分级,提出了进风立井“一钻成井”和回风立井“一扩成井”的钻井工艺;分析了不同地层条件下机械破岩钻进的钻压、转速等技术参数及对应的钻进速度,一次全断面钻进ϕ8.5m井筒,钻头的破岩面积近56.8 m^(2),宜采用低钻压和低转速的方式钻进,而ϕ4.2m钻头超前钻孔和ϕ8.5m钻头扩孔钻进时,可适当提高钻压以达到体积破岩的目的;根据钻井工程数据实测统计,进风井ϕ8.5m全断面一次钻进深度达到491.0m,最高月进尺62.3m,回风井ϕ4.2m钻头超前钻进深度513.1m,最高月进尺110.4m,ϕ8.5m钻头扩孔钻进深度为511.0m,最高月进尺171.3m。陕北可可盖煤矿中央进、回风竖井是竖井钻机钻井法在西部煤系地层的首次成功应用,可为西部厚基岩地层竖井钻机钻井法凿井提供参考。

基于AHP法的大万矿业竖井工业场地总平面布置方案优化

采选工业场地总平面布置直接关系到企业近期的经济效益与生产效率,远期的建设和扩大再生产。大万矿业新建竖井工业场地,不仅要考虑自身的平面布置,而且要考虑与现有选厂、道路、运输的衔接关系。运用层次分析法(AHP)建立方案评选模型,综合考虑平面布置、矿石运输、建设投资等因素,将问题分解为4层共10个要素,建立两两比较矩阵,采用和积法计算分析,并进行一致性检验,得出2个方案权重,选择出最佳方案。层次分析法对改扩建项目、新建工业场地总平面布置选择及优化具有一定借鉴意义。

近距离煤层变层间距开采下位煤层巷道合理位置研究

为确定宁夏梅花井煤矿近距离煤层变层间距开采条件下位3号煤层巷道的合理位置,结合上位2号煤层232204工作面与下位3号煤层的5组层间钻孔信息,通过理论分析、现场实测与数值模拟的方法,探究了上位2号煤层开采后底板煤岩层的破坏范围,分析了上位煤层开采后底板煤岩层的裂隙发育规律与应力分布规律特征,确定了下位3号煤层工作面回采巷道的合理位置。研究结果表明:依据5组层间钻孔信息计算得出底板煤岩层的最大破坏深度为19.57 m,下位3号煤层基本受到上位2号煤层开采的扰动破坏;变层间距条件下裂隙发育区域呈倒梯形,且应力降低区与边界煤柱的最大水平距离为9.69 m;考虑1.5倍的安全系数,最终确定了下位煤层回采巷道需内错15 m布置,并提出了变层间距条件下巷道分区支护方案。