钻孔原位煤岩力学参数测量系统研究

针对钻孔原位煤岩力学参数测量过程中数据的采集与处理需具备有效性、准确性、实时性等特点,自主搭建一套集采集、显示、处理功能与一体的数据采集及处理系统,满足实时、快速并准确获取所需的关键参数。应用C语言和视窗高级编程开发组件中强大的编程工具Visual C++设计的数据采集与处理系统软件,具有扩展性强、复用性高等优点,兼配有故障显示、报警提示等功能,并可进行灵活控制。研究成果为煤岩力学参数的准确获取奠定了基础,为巷道工程钻孔高效利用以及围岩力学参数的测量提供了保障。

自动化钻机辅助连续换杆装置设计

针对自动化钻机钻杆仓储存的钻杆数量有限,工人装填钻杆劳动强度大、换杆效率低的问题,设计了一款自动化钻机辅助连续换杆装置。介绍了总体设计思路、关键结构设计及装置的工作原理。装置移动灵活、安全性好、工作可靠,无需人工进行装填钻杆,最大限度的解放劳动力,缩短了作业辅助时间,提高钻机的换杆效率。

ZY45LK型自动化连续换杆车研制

针对大功率自动化定向钻机配套钻杆质量大、钻杆仓储存钻杆数量有限、工人装填钻杆劳动强度大、作业效率低的问题,研制了一款移动灵活、携杆量大、巷道适应性强、上/卸钻杆效率高的ZY45LK型自动化连续换杆车,并对换杆车的钻杆箱、上杆装置、操作台等关键技术及工作流程进行了研究。结果表明,换杆车结构设计合理,电液控制系统稳定可靠,大幅提高了大功率自动化定向钻机连续上/卸钻杆的施工效率,为进一步提高钻探装备的自动化、智能化水平提供可靠的装备保障。

基于船体RAO和波浪耦合下的钻杆安装力学分析

为了研究船体纵荡、升沉及纵摇运动对钻杆力学性能及下放结构物横向偏移的影响,建立了简单的钻杆力学模型,基于API实例中的钻井船RAO,将波浪引起的船体运动简化为3个自由度的简谐运动,利用有限元软件分析了钻杆所受应力及下端偏移量受钻杆上端船体运动与波浪参数的影响。分析结果表明:船体的纵荡运动主要影响下放结构物的横向偏移量,纵摇运动主要影响钻杆所受最大应力,升沉运动对二者的影响甚微;钻杆所受最大应力及下端结构物横向偏移量随浪高的增加一致增大,在实际工程中应重点考虑恶劣天气下的波浪高度,避免不必要的损失和事故。所得结论可为借助钻杆安装水下结构物的工程应用提供参考。

煤矿全液压动力头式钻机振动测试与分析

为研究煤矿井下液压钻机的振动特性,指导钻机优化设计和状态监测,以ZDY6500LQ型全液压动力头式钻机为研究对象,进行了整机振动测试与分析。根据钻机工作原理得出主要激振源,以低速高转矩运行状态为例,计算了该状态主要部件激振频率。基于振动测试原理,确定了试验方案,结合钻机综合性能检测平台搭建了振动测试系统。在空载、低速高转矩和高速低转矩3种工作状态下对钻机的8个主要位置进行了振动测试。应用频域分析方法,将测试数据转化为对应频谱,分析了低速高转矩状态下主要激振源引起的钻机振动特性;应用1/3倍频程方法,对比分析了3种工作状态下钻机8个测点位置的振动总量,以及前后、左右、上下3个方向加速度均方根值的变化规律。结果表明:钻机在低速高转矩状态下,动力头减速箱和泵站柱塞泵是最大激振源;振动频率高于100 Hz时,对钻机整机振动影响较大。在钻机动力头位置,低速高转矩负载使减速器箱体振动总量较空载减少3.11%~7.27%,高速低转矩状态下振动总量较空载增加5~6倍;除动力头外,钻机空载状态下各测点振动最小,拖板、导轨、卡板振动与负载成正相关,低速高转矩状态下振动总量是空载状态的2~5倍;钻机在低速高转矩状态下整机有效功率大于50%,能耗较低。研究结果为优化钻机结构,提升钻探施工安全及可靠性提供了参考。

预钻式原位岩体剪切测量系统研制与试验分析

预钻式岩体剪切测量系统可以测量矿山原位岩体的内摩擦角和黏聚力,与传统室内试验和现场测试相比,该测试方法可以最大限度保持岩体本质状态,方便快捷获取测试数据。首先阐述了系统整体设计思路,并成功研制出预钻式原位岩体剪切仪设备,搭建了数据采集存储软件平台;其次,基于剪切仪的工作原理,通过配套完整的测量系统试验装置,制定了试验数据处理方法和试验步骤;最后为验证系统方法的工程适用性,对测量系统进行了标定试验,并在混凝土平台进行了岩体侵入试验与剪切试验。剪切试验结果与室内直剪试验相比,内摩擦角小24.77%~41.33%,黏聚力小13.11%~32.84%。针对试验结果的差异性,从仪器设备和试验方式进行了分析,指出试验误差主要来源于设备剪切加载方式的变化和岩体直剪试验方法的不同。研究结果为矿山原位岩体力学参数的准确测量提供了新的思路和方法,也为后续系统的改进设计提供借鉴参考。

钻机多变幅机构瞬时动态响应衰减特性研究

为研究全液压钻机多变幅机构的可靠性、安全性,确定瞬时冲击激振力作用下多变幅机构动态响应的衰减特性,基于模态分析理论,通过ABAQUS有限元分析软件,以ZDY2-3200LF全液压钻机的多变幅机构为研究对象,获得其固有频率和各阶振型,并在此基础上,以全液压钻机的最大给进力作为多变幅机构的瞬时冲击激振力,获得其应力和位移的动态响应曲线。研究结果为多变幅机构的优化设计提供依据,对其他全液压钻机多变幅机构的优化设计也具有参考价值。

基于Python和ABAQUS的钻机摆动机构拓扑优化设计

为减小摆动机构的重量,在保证其使用寿命前提下,以钻机的多变幅机构中的摆动机构为研究对象,采用基于Python语言的二次开发技术建立摆动机构的参数化模型,对其进行静力学仿真,获得其变形和应力参数。并在此基础上,以摆动机构的变形和应力为设计变量,以轻量化为优化目标,通过拓扑优化实现模型重建,运用动力学仿真对比优化前后的固有频率。研究结果为摆动机构的优化设计提供依据,对其他全液压钻机摆动机构的优化设计也具有参考价值。

新型预钻式原位岩体剪切仪的设计与试验

基于弓状结构及楔形刀具侵入岩体特性,研制出一款适用于原位岩体抗剪强度测量的新型预钻式原位岩体剪切仪。对预钻式原位岩体剪切仪的总体结构进行了设计,采用有限元分析软件对关键部件进行了仿真分析,仿真结果表明关键部件设计合理;对剪切仪进行了标定试验,并在浇筑的混凝土平台进行现场试验,试验表明性能参数达到了设计要求,并具有良好的原位测试性能。

双楔形刀具侵入岩体过程仿真

为准确测量原位岩体的剪切强度,基于尖状楔形刀具碎岩机理,将其作为检测原位岩体参数的一种手段,自主研制了一款原位岩体剪切仪。通过以含有预钻孔75 mm的砂岩为研究对象,借助有限元分析软件ABAQUS分析楔形刀具间距与侵入岩体特性的关系,同时获取不同间距下楔形刀具的动态载荷响应曲线。仿真结果表明:双楔形刀具间距过小,侵入破碎岩体过程有着不可避免的干涉作用,导致径向载荷过大;双楔形刀具间距过大,虽然可减小径向载荷并降低二者干涉作用,但会导致整体结构尺寸过大,因此选用30~40 mm的间距为宜。研究结果为楔形刀具在原位测试的应用提供了理论依据,为原位岩体剪切仪试验的准确性奠定了基础。

基于钻进参数聚类的含煤地层岩性模糊识别

通过钻进参数进行煤矿巷道围岩特征描述可为煤矿安全绿色开采提供地质信息保障。针对煤矿井下坑道钻探中随钻地层岩性识别难度大、精度低的问题,提出了一种基于钻进参数核模糊C均值聚类(Kernel Fuzzy C-means,KFCM)算法的含煤地层岩性模糊识别方法。结合钻进试验台上开展的模拟岩样钻进试验,获得了包括钻速、转速和钻压等敏感钻进参数的训练样本,利用KFCM算法对获取的钻进参数训练样本进行学习,构造钻进参数样本空间并映射到高维空间进行聚类处理。建立了以典型含煤地层分类为目标的聚类模型,采用高斯核函数分别确定了软弱夹层、煤层和泥岩层的分布结构以及对应的聚类中心。其中,对比线性核函数,高斯核函数在垂向上的分类效果符合沉积岩构造的特征,且聚类时间节约了7.2%。进一步基于钻进参数的聚类结果,将钻速作为衡量各类岩石钻进性能的关键参数,通过分析钻进参数数据集的变化规律,建立了钻速与转速、钻压幂函数表达形式的地层岩性预测模型,采用数据插值拟合方法完成了典型软弱夹层、煤层和泥岩层的空间划分。并应用模糊数学方法通过构建钻速的分段三角形隶属度函数,得出样本地层钻速对典型含煤地层钻速的隶属度公式,根据隶属度公式将地层岩性划分为5个级别,实现了对样本地层岩性的模糊识别。在实钻试验中,对提出的模糊识别方法的有效性进行了验证。结果表明,该方法能够在PDC锚杆钻头回转钻进条件下快速识别典型含煤地层岩性,识别的正确率为92%,研究结果为实现煤矿井下巷道隐蔽致灾因素动态智能探测提供了借鉴。

双臂窄体分体式履带钻机研制

为有效减少掘进工作面的水害事故,基于掘进工作面探放水钻探施工要求和分体式钻机存在问题,研制了ZDY2-3200LF型双臂窄体分体式履带钻机。介绍了钻机的总体设计思路、结构组成及液压系统特点。该分体式履带钻机加工、装配、调试完成后在国家安全生产检测检验中心钻机性能试验台上进行了负载性能测试,试验表明,钻机结构设计合理、性能稳定可靠,各项技术指标达到设计要求,为提高巷道掘进速度、保证安全生产提供了强有力的装备支撑。

机载锚杆钻机巷道支护及煤层注水技术应用

针对掘锚机配套侧帮锚杆钻机施工巷道两帮上排锚杆孔角度较大及掘进时工作面粉尘浓度较大的问题,在掘锚机顶部平台加装机载锚杆钻机,代替人工完成巷道两帮上排锚杆孔施工,同时可以实现掘进面迎头煤层注水孔施工。通过在保德煤矿81309回撤通道掘进面的现场工业性试验表明,MJZ-400/300E型机载锚杆钻机结构尺寸小,与掘锚机配套适用性强,可实现多角度钻孔施工,降低了工人的劳动强度,改善了掘进面的生产环境。