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。

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。

面向喷浆机械臂电液比例控制系统的降噪处理研究

考虑到系统辨识数据的预处理能够提高喷浆机械臂电液比例控制系统的建模精度,采用小波变换滤波算法对采集的传感器数据进行滤波降噪处理。应用表明,在以sym5为小波基函数时,信噪比数值最大且均方根误差最小,降噪效果最好。滤波降噪结果能够为电液比例控制系统数学模型的精确辨识奠定基础。

甘肃阳山金矿区碳质千枚岩地层井故分析及预防

甘肃阳山金矿区主要赋矿地层为碳质千枚岩、钙质千枚岩、硅质灰岩等,其中以碳质千枚岩施工难度最大。碳质千枚岩结构为沉积层理,主要矿物为伊利石和高岭石,强度低、节理裂隙发育、遇水软化,其间有石英颗粒夹层,易破碎,在钻探施工过程中极易引发井故,且处理成功率极低。总结了矿区近年来在碳质千枚岩地层中钻进所遇井故的特征,从地层、人员、设备等3方面分析了井故诱因及处理困难的原因,提出了预防措施及处理要点:通过调节泥浆性能,增强泵的排砂能力改善孔内环境,保持钻机、钻杆、接手状态维持设备性能良好,可有效减少井故发生频率;针对孔壁垮塌、断钻、卡钻、埋钻,以快速处理为原则,采用灌水泥、导斜的方法绕过事故头,可大幅减少经济损失,缩短井故时间。

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。

深厚冲积层冻结井筒冻结壁稳定性研究

为了解决井筒开挖过程中冻结壁稳定性难以预测的问题,现以丁集矿第二副井井筒为工程背景。基于数值模拟有限元软件,利用冻土本构关系及蠕变参数,对不同冻结壁温度、不同冻结壁厚度和不同掘进段高穿过深厚冲积层(400m以下)的冻结壁进行了有限元分析。结果表明进行掘进开挖时掘进工作面会产生严重的底鼓现象,且底鼓现象会随着冻结壁温度的降低而减小,随着掘进段高、冻结壁厚度的增大而增大;同时空帮段会产生径向位移,且井帮径向位移随冻结壁温度降低、冻结壁厚度增大而减小,随着掘进段高的增大而增大;并得出了冻结壁井帮的最大径向位移、掘进工作面底鼓位移与冻结壁厚度、冻结壁温度、掘进段高和开挖段井帮暴露时间关系表达式,并根据工程实测得到了验证。为今后相似的井筒开挖提供了一定的参考价值。

煤矿井下大口径长距离贯通钻孔成孔关键技术

煤矿井下大口径长距离贯通钻孔可作为输送通道以替代矿井传统井工巷道,相比常规井下大口径钻孔,区别及难点主要在于“点对点”精准贯通、大口径长距离分级高效扩孔,以及全孔段套管敷设并注浆固管。介绍了煤矿井下大口径长距离贯通钻孔成孔关键技术,从RMRS绕障对接技术、分级扩孔技术、排渣工艺技术、全孔段套管敷设技术及注浆固管技术等5个方面深入研究,实现了大口径长距离贯通钻孔高效成孔。在钻孔设计方位轨道多个关键点处钻取的引导直孔内,采用RMRS技术进行超前引导,以实现定向绕障及“点对点”精准贯通;合理优化扩孔级序,采用回拉扩孔工艺以提高扩孔钻进效率;利用“孔内循环+机械辅助”联合排渣工艺提升扩孔钻进排渣效率;选配适用滚珠扶正器,采用“前拉+后推”组合方式实现长距离全孔段套管敷设;采用“环空带压注浆法”进行注浆固管以保障固管质量。基于上述关键技术,构建了大柳塔井与活鸡兔井之间的大口径长距离输水管道,总长度1932 m,钻孔终孔孔径330 mm,全孔段敷设输水套管尺寸?219 mm×8.94 mm;先导孔成功从2座桥墩之间斜向安全穿过,实际贯通点B_s与设计贯通点B之间水平投影位移偏差0.4 m、垂直剖面位移偏差0.25 m,空间位移偏差0.47 m,基本实现“点对点”连通;注浆固管声幅测井合格率95%,管路实际输水能力达150 m^(3)/h。

中深孔爆破一次成井技术在会泽铅锌矿的研究与应用

天井施工在矿山生产过程中较为常见,其施工方法的适用性、科学性和稳定性直接影响着矿山安全高效生产和经营活动,传统的天井施工方法如普通法、爬罐法等存在施工周期长、成本高、安全性差等一系列问题,同时反井钻施工方法虽高效便捷,但其在较短距离天井的施工应用上设备转场工作量大且成本偏高,研究一种成本低廉、安全可控、效率偏高的天井施工技术尤为重要。本文采用中深孔爆破工艺进行短天井施工,通过理论计算和现场试验,对中深孔爆破凿岩、爆破等关键环节技术参数进行了深入研究和探讨。首先根据短距离天井的地质条件和施工要求,合理布置炮孔,确定爆破参数,而后根据前期理论成果进行现场爆破实验,观察爆破效果、收集数据并优化相关参数,最终形成稳定可控的短距离天井中深孔爆破一次成井技术成果,研究采用中深孔爆破一次成井技术,提高了短距离天井施工安全性、施工效率,同时有效降低工程成本,为类似矿山天井施工提供了宝贵的实践经验和理论指导。

南方某石灰石矿矿坑涌水治理效果评价

岩溶地区露天采坑涌水问题严重影响矿山正常生产,给矿山企业带了巨大的经济负担,且破坏生态环境,并可能引发灾害或造成生产安全事故。目前,帷幕注浆技术越来越多的运用于岩溶地区矿山防治水工程,以南方某石灰石矿矿坑涌水治理工程为例,基于矿山的基本情况和涌水情况,通过在采坑边界分步实施帷幕注浆防渗体系达到治理目标,根据工程实施情况,提出了评价内容、评价标准和评价方法,分别对帷幕墙体质量和堵水效果进行了详细的评价,治理效果显著。

富水砂层斜井明挖段三维冻结温度场时空演化规律研究

为解决冻结斜井明挖段施工过程中,斜井冻结温度场难以准确预测导致开挖时间及速度无法确定的工程难题,以升富煤矿冻结斜井明挖段为研究对象,基于实测地层特性及冻结孔布置参数,采用COMSOL Multiphysics有限元软件,构建三维冻结温度场数值计算模型,对冻结斜井明挖段施工期间温度场的时空演化规律进行数值计算预测分析。计算结果表明:在相同冻结时间条件下,细砂层冻结壁平均温度比中砂层低0.28~2.39℃,细砂层冻结壁有效厚度比中砂层厚0.36~0.59 m。在持续冻结88 d后,明挖段冻结壁平均温度低于-12℃,且不同层位的侧帮冻结壁厚度均能达到4 m以上,底板处的冻结壁厚度均达到5 m以上,满足设计开挖需求。在开挖期间,井帮位置暴露的土体存在“热流侵蚀”现象,但在快速开挖施工的条件下,冻结壁的有效厚度并未减小且冻结壁平均温度仍处于-10℃以下,因此开挖过程中不会发生大范围的冻结壁“软化”现象。基于预测结果,制定了现场开挖方案,由现场实测数据可知,在开挖过程中测点及井帮温度出现轻微波动,但整体温度发展趋势较为稳定,表明施工期间冻结壁是安全稳定的。研究成果可为斜井冻结法凿井的安全施工及优化设计提供参考。

新型注浆材料在矿井工程中的应用

为解决两淮矿区深部巷道围岩控制难题,本文结合深部围岩特性研发了适用于深部高地压巷道的新型注浆材料,对其不同水灰比条件下流动性、凝结时间及力学特性进行测试,并结合现场进行工业性试验,设计了注浆加固方案,对注浆加固效果进行监测,发现其有效提高了煤岩或破碎岩层的承载能力,高效解决了各种具有安全隐患的地层问题,保障了生产安全,提高生产效率,具有一定的应用前景。

冰碛土体化学浆液注浆扩散模式与距离影响机制研究

采用注浆法对土体进行固化的工程中,浆液在土体中的扩散距离是评估注浆效果的重要指标。为了探究化学浆液在冰碛土体中的扩散情况及其影响因素,通过自研的室内注浆实验装置,改变注浆压力,记录注浆时间、注浆量、浆液扩散距离等参数的变化,探究化学浆液在冰碛土体中的扩散距离影响机制。研究结果表明:①浆液的最大扩散距离主要取决于劈裂缝隙的扩散状况,最小扩散距离则与出浆口附近浆液的渗透距离有相关;②实验中注浆压力对浆液实际注入量的影响很小,不同注浆压力下的浆液注入量最大差异只有0.15 kg左右,且无明显规律;③浆液扩散模式以劈裂扩散为主,其次是渗透扩散,随着注浆压力的增大,渗透扩散的占比逐渐增大;④浆液的扩散距离主要受到注浆压力的影响,随着注浆压力增大而增大,注浆压力大于1.2 MPa时,扩散距离增幅有所提升。上述研究结论可以为冰碛土体的化学浆液注浆施工提供一定的理论依据。

基于差异冻结技术的深厚冲积层三维冻结温度场数值计算分析

为了探究人工地层冻结(artificial ground freezing, AGF)多圈管冻结壁温度场分布与发展规律,以淮北青东煤矿东风井为工程背景,利用现场实测数据和COMSOL Multiphysics软件建立三维冻结温度场数值计算模型,分析了立井井筒所在土层在差异冻结技术下的冻结温度场时空演化规律。研究结果表明:在对比分析中三圈管相较两圈管冻结扩展速度较快,相同的冻结时间下,冻结壁平均温度要低0.73~3.32℃·d^(-1),有效厚度增加0.38 m;砂土层相同冻结时间的条件下冻结壁平均温度要比黏土层低0.94~1.50℃,有效厚度增加0.21 m。冻结井筒计算范围内,径向温度场呈现出圈管之间温度低,圈管两侧温度较高的“马鞍型”分布;在土体深度方向,不同土性的土层温度梯度较为明显,具体表现为三圈管以及细砂层位温度更低,30 d左右Ⅱ层土体(三圈管砂土层)降温速率达到最大,约为1.12℃·d^(-1),首先完成土体降温阶段进入冻结壁交圈和拓展阶段,此时其他土层仍处于土体降温阶段。“长短腿”冻结管布置形式既可以提高井筒开挖的时间,缩短工期;又可以防止深部冻土入荒径过多,降低开挖难度,节约工程成本。采用差异冻结的方式,开机冻结30 d,去路盐水温度降至-30℃后维持该温度循环制冷盐水,使得该冻结工程取得了圆满成功。此研究可以为类似矿井冻结施工提供一定的参考。

粉煤灰-水泥双液注浆材料的配比优化

双液注浆材料在煤矿破碎围岩治理中的应用较为广泛。为获得凝结速度快、成本低的双液注浆材料,以粉煤灰、水泥、水玻璃、减水剂、早强剂为原材料,基于正交试验方案,探究粉灰比、玻浆比、减水剂掺量、早强剂掺量4个因素对注浆材料黏度、凝结时间、抗压强度的影响规律,并利用DPS软件建立回归模型,通过Matlab遗传算法得到15组最优配比,最后结合方案造价确定了工业配比。结果表明,注浆材料的性能不仅受单一因素影响,而且受两因素之间交互作用的影响;粉灰比0.126、玻浆比0.35、减水剂掺量1.35‰、早强剂掺量1.85%的工业配比,其黏度为518 mPa·s、凝结时间为23 s、28 d抗压强度为11.10 MPa,与预测值差距较小,成本较低,能够满足实际应用中对注浆材料的性能要求。

基于水热变化的煤矿井筒冻土抗折强度试验

基于水热变化下的人工冻土力学试验是人工冻结法设计过程中进行合理设计和安全施工的前提和必要条件。通过采用设计正交试验及统计拟合方法,针对海测滩煤矿立井井筒处黄土冻土试样进行不同含水率及冻结温度下抗折强度试验,分析了冻土的挠度-抗折强度变化关系及其力学性能,对比了不同含水率及不同冻结温度下冻土抗折强度变化,并对立井井筒黄土基土在冻结过程中的抗折强度建立了基于冻结温度、含水率变化的预测模型。结果表明,立井井筒处冻土的抗折强度随含水率的增大呈先增加后减小变化,在含水率15%~20%时其抗折强度较大;冻结温度与冻土抗折强度呈近线性关系,温度降低,冻土抗折强度增大;采用冻结法施工时冻结参数选择温度-15℃,含水率20%较为合理。

矿用聚氨酯注浆加固材料存在问题及研究展望

聚氨酯注浆加固材料因其优异的综合性能在诸多的高分子化学注浆材料中处于领先地位,被广泛应用于煤矿巷道的注浆加固。为促进聚氨酯注浆加固材料在煤矿加固中的安全应用,还需要进一步解决阻燃性差、反应温度高、强度低等问题。在总结聚氨酯注浆加固材料在井下施工中存在问题的基础上,分析了近年来国内外聚氨酯注浆加固材料的研究进展,重点介绍了在保证材料强度的基础上降低反应温度、提高阻燃性能的研究,并对材料的应用与研究方向进行了展望。

立井过平顶山砂岩含水层工作面注浆技术

纵向裂隙发育、横向裂隙不发育且裂隙贯通性差、透水性极强,这是平顶山砂岩的基本特征,由此其引起井筒突水的危险性很大。郑煤集团杨河煤业有限公司43采区副立井掘砌间需要掘砌57m厚的平顶山砂岩,期间工作面实测探水钻孔的单孔最大涌水量130m3/h,采用普通注浆法时围岩不吸浆,注浆效果差;后改用颈部补孔、高压置换、下行式注浆、分段整体推进、新型注浆材料等技术取得了良好的注浆效果,本文章总结了平顶山砂岩段防治水技术的创新应用实践经验。

综采工作面协同管控煤壁片帮技术研究与应用

赵固一矿面临多重挑战,包括煤层埋藏深度大、采高尺寸大、基岩层较薄、围岩强度不足以及煤体易脆裂等。这些因素导致采煤工作面的煤壁片帮和顶板冒落问题,严重影响了工作面的安全生产。赵固一矿采取以下措施:(1)在尽可能减少化学浆使用的前提下,通过强化现场质量管理,以最优方式控制煤体压力,从管理层面着手,积极应对片帮、冒顶问题;(2)实施煤层中压深孔注水[1-3]措施,改变煤体的力学特性。通过中压注水,煤体的内聚力和抗剪强度得以提升,从而达到减轻甚至防止煤壁片帮危害的目的;(3)煤层注水有利于释放瓦斯、降低粉尘、改善工作面工作环境等。通过实施这些措施,赵固一矿成功开展了针对煤墙片帮的综合防治技术实践,并取得了显著成效。

昌都煤业15号煤层切顶卸压沿空留巷技术研究与实践

为应对传统区段煤柱护巷技术存在的问题,对比分析沿空留巷技术优势,同时针对昌都煤业15号煤层开采存在的问题,探讨切顶卸压沿空留巷技术在昌都煤业15号煤层中的具体应用。经实践,该技术在提高资源回收率、降低成本及环保压力方面取得了一定效果。