钻井法凿井气-液-固耦合排渣流场及刀盘吸渣口优化

针对西部地区侏罗系地层煤矿立井钻井法施工中出现的气举反循环洗井排渣与钻进效率低下问题,以陕西可可盖煤矿中央回风立井ϕ4.2 m超前钻井为工程背景,基于CFD-DEM(计算流体力学和离散单元法耦合)研究方法,建立了气-液-固多相耦合排渣数值模型,揭示了排渣管内、井底流场的速度及压力分布规律,并基于自研的气举反循环排渣试验装置,采用PIV(粒子图像测速法)测试技术对流场分布的正确性进行验证;提出了优化刀盘吸渣口评判指标和方法,对吸渣口的数量、长径比、面积比、总面积占比进行优化,得到了超前钻头刀盘吸渣口布置的最佳方式和相关参数;讨论了钻头转速、注气量、风管没入比和泥浆黏度等主要因素对排渣流场的影响。研究结果表明:(1)排渣管内流体的运移以轴向流动为主,且途经注气端时,流速发生跳跃式剧增;井底流体的运移主要以水平流动为主,流体的垂直上返仅存在于吸渣口附近;井底流体的水平流动以切向流动为主,径向流动仅在吸渣口两侧较为明显,且远离吸渣口处,径流速度较小易产生岩屑沉积;(2)当刀盘吸渣口数量为2,长径比为0.4,面积比为1,总面积占比为1.94%时,吸渣口的布置方式最佳,且清渣率较现行吸渣口布置方式提高66%;(3)增大钻头转速可显著增强吸渣口的吸附作用,注气量、风管没入比与井底和排渣管内流体的轴向速度均呈正相关关系,低黏、低密度的泥浆易获取高流速,但携岩能力较差。研究结果可为破解侏罗系地层深大立井钻井法洗井排渣与钻进效率低下技术难题,提供有益的理论参考。

HSP超前探测技术在煤矿TBM掘进巷道中的应用研究

随着全断面掘进机TBM(Tunnel Boring Machine)逐渐应用于煤矿岩巷掘进,对不良地质构造进行超前准确快速预测的需求日益迫切。通过对主动源地震波超前探测方法的特点和TBM破岩震源超前探测技术的适用性进行分析,结合煤矿巷道地质和生产条件,提出了适用于煤矿巷道TBM掘进的HSP超前探测方法。以河南平顶山首山一矿TBM掘进底板瓦斯治理巷道为工程背景,选用防爆硬件一体化设计的探测仪器在煤矿巷道中进行应用。构建了空间型观测方式对煤矿巷道近水平煤线进行探测,优化了双护盾TBM掘进巷道狭小空间检波器阵列式布置参数;基于时频分析、互相关干涉处理、反射与散射联合反演等方法处理原始信号并进行探测结果成像。研究表明:采用空间型观测方式可实现与巷道小角度斜交煤线的识别,设计震源与首检波器间距离为15 m时最优。通过时频分析提取有效信号,利用互相关干涉法获取虚拟震源道和反射特征曲线,并结合反射与散射联合反演成像得到探测区域地层反射能量分布图,能够较准确地推测得到围岩存在的不良地质构造。通过比较现场开挖揭露情况与探测结果发现两者吻合度较高,表明HSP超前探测方法可实现掘进工作面前方100 m范围内超前无损地质预测,有助于提高煤矿岩巷TBM掘进速度。

分层一次爆破成井精确延时爆破参数研究

为了研究精确延时微差起爆对一次成井分层爆破效果的影响,理论计算了层内孔间微差时间,利用LS-DYNA软件,采用JH-2岩石模型,模拟了大直径深孔一次成井爆破中的精确延时分层起爆,分析了井筒岩石的损伤演化过程,试验验证了延期时间参数。结果表明,层间采用18 ms延期时间时,爆破效果最佳。结合理论分析和数值模拟结果确定了一次成井的延期时间方案。井筒的成形大致相似,其特征截面面积相似度在83.4%~96.6%之间。通过理论分析、数值模拟和现场试验获得了一次爆破成井工程的精确延时微差分层爆破方法,具有实际应用价值。

冻结立井井筒机械化掘进现状及发展趋势

针对我国“富煤贫油少气”的能源赋存结构及煤炭未来一段时间将长期占据能源消耗主导地位的特点,回顾了我国煤炭井工开采领域冻结立井井筒机械化掘进发展历程。钻爆法凿井作为我国立井井筒施工的主要工法,炸药的应用大幅提高了冻结井筒的掘进效率,配套的伞钻打孔、抓岩机装岩、大型井架及设备提升、大模板砌壁等大型机械化设备的应用,大幅提高了井筒成井速度;竖井钻机、反井钻机及竖井掘进机作为特殊地层条件下立井井筒特殊凿井方式,也有各自应用范围。面对我国西部富水弱胶结地层特点及智慧矿山发展趋势,采用冻结+钻爆法施工难以满足千米级弱胶结岩层立井井筒智能化无人化的建设需求,而采用冻结+竖井掘进机钻井是未来超深立井井筒技术发展方向之一。结合国外冻结+竖井掘进机凿井工程案例,针对我国西部富水弱胶结岩层立井井筒建设,提出了冻结+竖井掘进机凿井在冻结壁厚度和强度设计理论、双层钢筋混凝土井壁永久支护、低温环境下竖井掘进机掘进破岩形式以及分级上排渣方式等冻-掘-支-运协同作业方面提出了合理化建议;明确了井壁结构与弱胶结围岩相互作用机理,优化双层井壁结构方法,构建竖井掘进机掘-支-运同步作业模式等,提升井筒建设综合效率,提高信息化水平,推动立井井筒向机械化、绿色化和智能化发展。

多冷媒非均质人工冻结壁弹塑性应力分析

【目的】受制冷媒介温度差异以及被冻地层与冻结管距离差异的影响,多冷媒联合双排管冻结壁的非均匀性较为显著,为了合理评价该类冻结壁的安全性,需开展考虑非均质性的多冷媒人工冻结壁弹塑性应力分析。【方法】选取距离1/4管距处的冻结壁作为特征截面,将该截面上的温度分布曲线等效成三段一次函数形式,并将冻结壁视为随温度成线性变化的非均质材料,分别基于4种冻土屈服准则,推导得出多冷媒联合双排管非均质冻结壁弹塑性应力解析表达式。基于该解析表达式,对多冷媒冻结壁的受力特性进行计算,并将该计算结果与均质冻结壁计算得出的结果进行对比。【结果和结论】研究发现:(1)在盐水-二氧化碳联合双排管冻结壁中,径向应力随着相对半径r的增加而上升,环向应力在不同冻结区间(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)表现出不同的变化趋势。(2)基于均质冻结壁计算理论,弹性极限状态的冻结壁的环向应力最大值出现在冻结壁内侧,弹塑性状态的冻结壁的环向应力最大值出现在弹塑性分界面处,塑性极限状态的冻结壁的环向应力最大值出现在冻结壁最外侧;而基于非均质冻结壁计算理论,冻结壁环向应力最大值始终出现在冻结壁分区界线(r=2)处。(3)在考虑非均质特性后,冻结壁的弹性极限承载力降低1.8%,而塑性极限承载力提高8.1%。在弹塑性状态下,对应相同塑性区相对半径,非均质冻结壁具有更高的承载力,且这种现象随着塑性区相对半径的增大而愈发明显。研究成果对富水地层多冷媒联合冻结帷幕的设计具有重要的参考价值。

近距离煤层联采巷道交错布置及支护技术研究

为解决近距离煤层联合开采时采出率低、安全性差等问题,探究巷道交错布置方式及下煤层巷道支护技术在近距离煤层联合开采中的应用,以山西晋保煤矿12#、13#煤层地质条件为研究背景,采用理论分析与FLAC3D数值模拟的研究方法,研究了巷道采用交错布置时下煤层巷道的围岩变形与矿压变化,得到巷道交错式布置时上下煤层巷道的水平错距应大于7.98 m。通过数值模拟分析矿方原始支护方案与新支护方案下煤层巷道顶板的垂直位移变化规律,确定对下煤层巷道进行锚网索联合支护的分区支护方案。结合现场实测结果表明:下煤层巷道围岩变形处于可控范围内,交错式巷道布置方式以及巷道分区支护方案较为合理,能够保证工作面的安全生产,可以为类似地质条件下近距离煤层的开挖提供借鉴。

煤矿巷道空间毫米波雷达测量特性与重建方法

【目的】煤矿井下空间测量是煤矿透明地质建模的重要组成,然而煤矿巷道环境复杂、信息获取不全、感知数据精度不足等难题亟待解决。【方法】首先,深入研究粉尘、水雾、围岩结构等复杂环境因素下毫米波雷达信号特性,建立煤矿巷道围岩毫米波信号衰减模型,对比分析复杂环境因素毫米波雷达的影响机理。其次,针对煤矿复杂环境下毫米波雷达的巷道数字建模问题,提出巷道空间毫米波雷达点云泊松表面重建方法。通过实验测试与模拟巷道环境验证,在揭示煤矿复杂环境条件下的毫米波雷达感知机理基础上,实现了煤矿巷道空间测量与数字建模重构。【结果和结论】结果表明:(1)毫米波雷达能够适应煤矿井下多粉尘、多水雾、围岩粗糙的巷道环境,为煤矿巷道空间重建提供有效数据。(2)泊松表面重建方法能够充分展示真实巷道围岩信息,重建巷道整体宽度的平均绝对误差百分比为0.59%,巷道整体高度的平均绝对误差百分比为0.78%。煤矿复杂环境下毫米波雷达空间测量特性与重建方法的研究,为煤矿井下透明地质建模提供巷道空间测量数据,对推动煤矿智能开采具有重要意义。

工业广场保护煤柱开采井筒破损致因及防治技术

针对工业广场保护煤柱开采导致井筒破损的问题,以大社煤矿为工程背景,分析工广煤柱开采井筒围岩移动变形特征,揭示井筒破损致因;提出工广内后续工作面开采防治井筒破坏方案,形成相应的施工技术,并成功应用工程实践。研究表明:该矿工广内92606工作面邻近副井,开采引发的井筒竖向附加力是井筒破坏的致因;如不提前采取防治措施,后续92606外工作面开采,将导致副井井筒发生二次破坏;研究提出的不停产单卸压槽防治方案,具有不影响矿井生产、卸压率高、施工简单、成本低等优点。采用壁后注浆、开切卸压槽、架设密集井圈等技术,顺利完成了该矿不停产防治副井井筒破损工程。监测表明,该井筒竖向和环向应力,均小于井壁极限.承载力,处于安全状态,运行良好,达到了预期效果。

低压超声速磨料空气射流喷嘴结构

硬岩隧道掘进刀具磨损严重、换刀频繁是限制高效掘进的主要因素,低压磨料空气射流辅助刀具破岩是突破硬岩隧道掘进技术瓶颈的可行性思路,为实现辅助高横移速度刀具破岩,提出了矩形喷嘴。矩形喷嘴能有效提高磨料在移动方向集束性,进而减小切缝宽度,提高切缝深度。为明确矩形喷嘴对磨料加速及破岩的影响规律,采用加长扩张段长度和截面近似等效设计了圆形喷嘴及矩形喷嘴;然后基于数值方法确定了喷嘴扩张段长度对气体及磨料加速的影响,并对比分析了喷嘴不同断面形状对磨料加速和分布特征的影响。最后通过开展低压磨料空气射流冲蚀破碎花岗岩实验,研究了喷嘴结构和横移速度对冲蚀效果的影响,分析了不同断面形状喷嘴的切割效率,确定了适用辅助刀具破岩的最佳喷嘴结构。数值结果表明压力2 MPa时,加长扩张段长度,气固两相能量转化更充分,磨料加速更充分,但随着喷嘴扩张段持续加长,磨料速度提升不明显;相比圆形断面喷嘴,矩形断面喷嘴对磨料加速稍差,但仍能将磨料加速至300 m/s,且经矩形喷嘴加速的磨料在自由流域呈扁平矩形分布,有效提高了磨料在刀具横移方向的集束性。实验表明圆形喷嘴扩张段加长,岩石冲蚀深度不断增加,当扩张段长度为145 mm时,花岗岩冲蚀深度分别为23.90、20.23 mm,扩张段长度持续加长,岩石的冲蚀深度提高并不显著。当横移速度为0.02 m/s时,喷嘴C_(4)、R_(1)、R_(2)切割玄武岩深度分别为3.35、12.15、8.25 mm,花岗岩深度分别为5.2、14.9、11.5 mm;横移速度为0.30 m/s时,喷嘴C_(4)、R_(1)切割玄武岩深度分别为0.8、3.0 mm,花岗岩深度分别为1.0、3.6 mm。对比喷嘴C_(4),和数值模拟结果相同,矩形喷嘴能使磨料聚能、磨料利用充分,切割效率较优。且喷嘴R_(1)的切割效率最好,喷嘴结构最优。研究结论将为磨料空气射流辅助刀具破岩提供理论和技术支撑。

相邻空区影响下三软巷道变形破坏规律与煤柱留设宽度研究

为了探究相邻空区影响下三软煤层巷道掘进时不同煤柱宽度下巷道围岩变形破坏规律,采用理论计算、数值模拟、物理相似模拟与现场实测相结合的研究方法,分析存在临空区后不同区段煤柱宽度下巷道围岩应力演化规律、塑性破坏范围以及位移分布特征。结果表明:临空区是造成巷道掘进后非对称破坏的主要原因,使煤柱主应力方向与垂向夹角增大,巷道两帮应力呈煤柱侧大于实体煤侧的非对称分布特征;三软巷道破坏形式以剪切破坏为主,破坏主体为两帮,随着煤柱宽度增大,主应力方向与垂向夹角减小,巷道围岩破坏程度降低,临空区对巷道不同位置的影响程度不同,巷道中部围岩破坏程度大于端头处且煤柱侧破坏程度大于实体煤侧;煤柱宽度增大对巷道围岩应力以及煤柱破坏的改善程度有限,现场结果显示当煤柱宽度为20 m时巷道正常维护满足需求。

动静荷载作用下煤矿TBM滚刀贯入度预测理论模型

全断面掘进机(TBM)掘进过程中,除步进油缸顶推刀盘,带动滚刀切入岩石外,滚刀还受到不同程度的冲击。为研究TBM滚刀在“顶推-冲击”动静荷载耦合作用下的破岩特性,建立了动静荷载作用下滚刀破岩理论分析模型。分别对静载和动载条件下TBM滚刀贯入度进行开展分析研究,获得了动静荷载作用下TBM滚刀贯入度计算公式。基于煤矿TBM掘进硬岩巷道工程问题,计算TBM掘进煤矿巷道滚刀贯入度,并与滚刀贯入度现场监测数据对比,研究结果表明:TBM施工现场滚刀贯入度最大14.7 mm,最小5.2 mm,平均值为9.76 mm,滚刀贯入度理论计算值为9.27 mm,验证了理论模型的准确性。

冻结井壁仿钢纤维混凝土动静态力学性能和微观结构研究

为改善冻结井壁高强混凝土脆性特征,提高其抗裂性和韧性,提出采用仿钢纤维混凝土作为冻结井壁筑壁材料。通过优选材料和正交试验,得到不同配合比的仿钢纤维高性能井壁混凝土,并对其进行静态、动态力学性能及微观结构等试验研究。结果表明,在基准混凝土中掺入15%(质量分数)粉煤灰和0.54%(体积分数)聚丙烯仿钢纤维(PPTF)后,混凝土的抗拉、抗弯强度分别提高了29.46%、26.72%,其脆性特征得以明显提高。相比于基准组,最佳配合比的仿钢纤维混凝土韧性增强显著,在0~0.012应变范围内其韧性指数提高了40.83%,且失效后的破坏形态更完整。掺入PPTF、粉煤灰有效抑制了冻结井壁混凝土内部微裂隙的产生和扩张,混凝土表现出更为致密的微观结构以及更高的宏观力学性能。

北山沙枣园花岗岩体随机结构面的空间分布

北山沙枣园是我国高放废物处置库的备选场址,该区域中广泛分布的随机结构面是控制岩体变形和核素迁移的关键因素.选取600 m×600 m×600 m沙枣园岩体为研究对象,采用露头节理调查和钻孔裂隙编录的方法,探究岩体随机结构面的空间分布规律.首先开展随机结构面的产状分析,并运用基于粒子群的K-means算法开展产状聚类,岩体中主要发育倾角大于65°,走向为NNE向、EW向和NW向的随机结构面,其中钻孔裂隙优势组为295.4°∠68.3°、189.5°∠71.2°、235.6°∠69.2°和66.0°∠33.0°,露头节理优势组为320°∠79°、180°∠77°、282°∠80°和231°∠67°,两者呈现相似特征;其次开展露头节理平面分析,采用Voronoi法剖分岩体,计算节理平均迹长值和中点面密度值表征剖分后的岩体节理发育特征,岩体东北部的平均迹长值约为西南部的一半,而中点面密度在岩体中部最大.据优势组拆分露头的节理参数值,相对于其他优势组,NE向与NNE向优势组的平均迹长更长,中点面密度值更大;最后开展钻孔裂隙的位置分析,据产状聚类分析结果,绘制不同优势组的走向、倾角深度分布图,裂隙呈现深度不均匀的分布特征,平均线密度为0.11 m^(–1),在[–150 m,–160 m]区间达到最大值0.60 m^(–1),在[–310 m,–370 m]区间密集发育NNE向裂隙.研究结果可以为沙枣园区域的高放废物处置提供参考依据.

水平定向钻进技术在青海钾盐矿开采中的应用研究

为了提高青海某钾盐矿的开采效率和产量,提出了贯通井的开采方案,首次利用水平定向钻进技术和对接井技术施工了多组贯通井,从水平井注水后从竖井抽取卤水,极大地提高了钾盐的开采量。工程施工初期出现了卡钻事故,通过优化泥浆配方、钻头合理选择、防卡钻钻具的设计使用,避免了卡钻事故的再次发生。该工程完成40条水平井和竖井的对接后,该区域内的钾盐年产量提高3.5万t,证明利用水平定向钻进技术提高钾盐矿开采效率和产量的方案是可行的。相关研究成果可为后续利用水平定向钻进技术进行可溶性矿产开采提供理论依据和实践指导。

超大规模硬岩矿山源头推动TBM应用的设计创新与思考

西鞍山铁矿是一座超大规模开采矿山,采用TBM施工胶带斜井、斜坡道是该技术在国内地下铁矿山首次应用。TBM施工与钻爆法施工在勘察、设计和施工等方面均有较大差异,本文基于应TBM施工铁矿井巷工程,结合设备性能与开拓系统工艺需求,在斜井线路规划、曲线半径选择、始发场地设计、始发段与接收段支护、正常段支护选型、巷道底板处理、硐门设计形式等开展了应用创新。同时结合项目设计、施工中遇到的问题,对适用于矿山工程的TBM施工勘察技术要求、施工方案的选择及提高TBM施工断面利用率进行了分析与探讨。

极近距离煤层留设窄小煤柱数值分析

本文对极近距离煤层条件下工作面巷道煤柱留设距离进行研究,通过FLAC3D数值模拟软件对巷道煤柱留设宽度分别为3m、5m、7m、9m、11m、13m时巷道的垂直应力分布、围岩变形情况进行分析。模拟结果表明,当煤柱留设宽度为3m时,围岩所受垂直应力最小,处于应力降低区,且围岩位移较小,综合分析后,最终确定煤柱合理留设宽度为3m。合理确定煤柱留设宽度,可以提高经济效益、实现安全开采。

强采动巷道断顶卸压稳定性控制机理及应用

为解决强采动条件下巷道大变形难题,以新上海一号矿1806N工作面辅运顺槽为工程背景,采用实地勘探、理论分析、数值模拟的方法分析强采动巷道变形破坏原因及围岩大变形机理,提出相应的控制对策进行现场工业性试验。研究发现:1806N工作面辅运顺槽大变形主要影响因素为岩石强度低、节理裂隙发育、完整性差、顶板富水严重、围岩遇水泥化,强采动高集中应力。基于围岩大变形断顶控制机理,形成辅运顺槽深部爆破定向预裂断顶结合补强加固的设计方案。借助数值模拟对断顶及未断顶巷道应力变化规律进行对比分析,断顶巷道端头最大垂直应力14.6 MPa,断顶后巷道端头最大垂直应力12.5 MPa,断顶后端头处垂直应力减小14%,断顶具有一定切断应力传递及减小巷道收缩的效果。开展现场工业性试验,断顶后端头顶底板位移减小37%,两帮变形减小19%,底臌发育长度减小92%,结果表明断顶可有效减少端头巷道变形以及超前底臌发育长度和高度,可为相似工程地质条件巷道建设提供参考。

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。

煤矿采区三维地震资料二次精细处理技术研究

针对煤矿采区的三维地震资料,提出了一些关于二次精细处理技术的研究与理解。首先,介绍了煤矿采区地震监测的重要性;然后,介绍了一次处理成果存在的客观问题;最后,通过地震数据的处理解释和对比分析,为有关矿区地质情况和地下岩层变化提供了重要信息,也为矿山的安全管理和采矿决策提供了科学依据。

低碳经济视野下煤矿绿色开采技术实践研究

在社会生产的持续推进背景下,我国的煤炭资源储量有所减少,大的规模开采活动中,产生的环境破坏问题加剧,这对煤炭资源进一步的开发利用和环保工作造成了负面的影响。从低碳经济的角度,对煤矿行业的开采技术进行创新,要解读煤矿绿色开采技术的要点,加强对绿色开采技术的运用,提高煤炭开采活动的综合效益。分析了传统开采模式的弊端,结合煤矿绿色开采技术的重要作用,分析了低碳经济视野下煤矿绿色开采技术的应用原则、实践要点、技术优化策略。