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。

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。

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。

基于黏度时变性的裂隙动水注浆扩散规律分析

为探究动水环境下黏度时变性浆液扩散规律,以NF水泥基浆液为研究对象,开展浆液黏度时变性试验,确定了黏度时变函数;基于水平集方法,通过在数值模型中自定义黏度时变性函数,实现了考虑浆液黏度时变性的动水注浆数值模拟,得到了考虑和未考虑黏度时变性的浆液扩散形态和扩散距离。结果表明:水灰比为0.6~1.0的NF水泥基浆液属于宾汉流体,其黏度随着时间的推移呈指数增长;浆液扩散过程中,流场中浆液黏度变化表现出稳定区和下降区2个阶段;其扩散形态由初始阶段圆形变化为椭圆形至最后稳定为U型;浆液扩散距离与时间呈正相关,并随水灰比的减小而减小;未考虑浆液黏度时变性所得扩散距离始终大于考虑浆液时变性所得扩散距离,且随着注浆时间的增加,浆液黏度时变特性对扩散距离的影响越显著。

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。

基于荷载结构法的冻结壁内力与变形研究

为研究冻结壁的承载能力与安全性,以天津某地铁出入口为例,基于荷载结构法建立了在围岩压力作用下的三维数值模型并进行了计算,分析在围岩荷载作用下冻结壁的内力与变形。结果表明:冻结壁在围岩压力作用下,上部跨中位置出现了应力集中分布,最大应力为0.518 MPa,最大位移变形为7.284 mm。

煤岩体突水通道中骨料沉积运移规律研究

先行灌注骨料后注浆可有效控制煤岩体突水。骨料在煤岩体突水通道中沉积运移规律的研究是确定骨料粒径、骨料灌注量以及骨料灌注孔间距的重要前提,但目前在该方面的理论和试验研究甚少,实际施工主要依赖经验,带有较大的盲目性。鉴于此,基于浆体管道输送理论和泥沙运动力学,结合牛顿第二定律,将骨料从灌注孔进入突水通道的全运移过程划分为:自由落体,类平抛以及滑移3个运动阶段,并分别对其进行受力分析,建立由单颗骨料到骨料颗粒群的沉积运移扩散模型,得出表征骨料颗粒群在水平方向上的沉积运移规律;自行设计煤岩体突水通道骨料沉积运移可视化的模型试验平台,借助该平台开展在不同动水流速、骨料粒径、灌注高度等多因素影响下的骨料沉积运移模型试验,分析骨料在突水通道内的沉积运移规律,得到在不同试验方案下骨料沉积运移区的总长度。试验结果表明:骨料实际运移过程与理论3个运动阶段的假设吻合,骨料沉积运移距离的试验值与理论计算值平均误差为7.34%;在控制投注高度与动水条件一致的前提下,相较细骨料(粒径≤5 mm)而言,理论公式对于粗骨料(粒径>5 mm)更具适用性;在工程中解决煤岩体突水问题时,若骨料粒径>5 mm,利用本文理论公式可计算得到骨料颗粒群在水平方向上的运移距离,从而确定骨料灌注孔的间距,降低实际施工过程中的盲目性。

基于黏度时变性的多孔介质注浆扩散规律分析

为了探究动水环境下黏度时变性幂律型浆液在砂砾石中的扩散规律,以幂律型水泥浆液为研究对象,开展幂律型浆液的黏度时变性试验,得到浆液的黏度时变性方程,依托计算机编程语言生成粒径在0.1~4.0cm范围内的圆形颗粒来模拟砂砾石颗粒,并在数值模型中自定义浆液黏度时变性本构方程,使用COMSOL数值模拟软件中的层流两相流水平集接口,实现动水环境下黏度时变性幂律型浆液在多孔介质中的数值模拟。结果表明,幂律型浆液的黏度与时间呈指数关系,水灰比与浆液黏度增长幅度呈反比;浆液在扩散的过程中,浆液黏度变化曲线与扩散距离呈“n”形分布,浆液黏度变化过程可分为平稳区域与下降区域;其扩散形态从圆形逐渐过渡到椭圆形直至“U”形;相同条件下,浆液的扩散距离与时间呈正相关,并且随着水灰比的增加而增加,随着多孔介质孔隙率的减小而减小,同一水灰比下考虑与未考虑浆液黏度时变性扩散面积的差值与时间呈正比,同一时刻下考虑与未考虑浆液黏度时变性扩散面积的差值随水灰比的增加呈减小的趋势。因此,在工程实践中不可忽略浆液黏度时变性与孔隙率对浆液扩散规律的影响,研究结果对于实际注浆工程具有一定参考与借鉴的意义。

超前注浆在巷道掘进过断层破碎带围岩控制中应用

为确保双柳煤矿5301回风巷安全高效掘进通过BF36断层,以及断层影响范围内巷道围岩稳定,提出采用“超前注浆+锚网索梁”组合方式控制围岩。通过超前注浆提高断层破碎带围岩整体稳定性,并为巷道掘进创造良好条件;采用锚网索梁方式为围岩提供较大的支护作用力,确保围岩稳定。工程应用后,回风巷在断层破碎带内掘进期间未出现漏顶、冒顶、片帮等问题,在断层影响范围内,巷道顶底板、巷帮变形量分别为52、53mm,围岩变形量整体较小,使回风巷安全掘进及围岩变形得到了有效控制。

粉煤灰灌浆技术在煤矸石自燃治理中运用分析

站在新时代背景下,从煤矸石自燃治理的角度出发对粉煤灰灌浆技术进行研究。先简要介绍了煤矸石自燃的原因,然后从三个方面详细介绍了该技术在煤矸石自燃治理工作中的具体作用呈现。目的是为相关治理人员的工作提供一定的借鉴与参考,不断加强粉煤灰灌浆技术与煤矸石自燃治理工作的有效融合,从而确保整个行业的平稳运行与持续健康发展。

催化剂对聚氨酯注浆材料力学性能影响

为保证煤岩体裂隙充填用注浆材料的强度效果,向现有注浆材料中加入改良材料力学特性的催化剂,并通过对二亚乙基二胺(A33)、醋酸钾(KAc)、二甲氨基乙氧基乙醇(ZR-70)和二甲氨基甲基苯酚(DMP-30)等催化剂的特性研究,以相互配比混合的方法进行对比试验,最终选定由A33和DMP-30以1.5∶1质量比组成复合型催化剂,取得较好加固效果。

煤层气井整体压裂及排采技术研究:以余吾煤业为例

综合国内煤层气井在压裂及排采技术上的相关研究,从余吾煤业S6、 S7井区的S6102、 S7101、 S7102、 S7103工作面入手,对50口地面瓦斯抽采井进行了探索,针对压前作业情况、压裂施工情况、压裂过程评价、裂缝监测结果及压裂效果评价,对压裂工程质量及整体压裂试验展开研究,同时对排采技术及整体排采制度的建立进行了分析,对煤层气井整体压裂及排采技术的发展具有一定的借鉴和指导意义。

高性能无机注浆材料在“孤岛”工作面巷道加固中的应用

为保证“孤岛”工作面巷道顶板和煤柱结构稳定性,针对工作面两巷在回采过程中受到叠加动压影响,变形严重的问题,采取注浆加固措施,使用硫铝酸盐水泥熟料与生石灰、石膏等材料作为主要注浆原材料进行配比,加入添加剂后改良其可塑性及抗压强度,经过实践验证,加固后,巷道两帮移近量217.5~252.6 mm,顶底移近量达212.3~239.4 mm,巷道变形情况得到控制。

带压注浆封孔用聚氨酯材料性能研究

为解决突出矿井煤层抽采钻孔瓦斯抽采衰减速度快,封孔漏气等问题,采取带压封孔工艺技术,经过试验对比,选定密度为164.5 kg/m^(3)的聚氨酯A、B料作为带压封孔材料。经对比实验验证:带压封孔工艺将瓦斯抽采浓度提升到34.2%~57.9%,单孔抽采量达到796.15~982.63 m^(3),瓦斯抽采效果明显提高。

西部矿区含水软岩地层冻结立井井壁修复技术研究

井筒是矿井的咽喉,矿井所有煤炭提升和人员、设备、材料、矸石升降及矿井通风等均需通过矿井井筒完成,具有投资大、建设周期长、服务年限长、矿井投产后维修困难等特点。结合我国西部地区立井井筒施工所穿过地层特点,分析、总结井筒冻结、井壁结构设计、井筒施工技术等关键技术,成功实施了神华集团杭锦旗能源有限公司塔然高勒矿井冻结断裂井壁修复工作,相关成果可供类似井筒设计、施工参考。

沉井建造VSM工艺与成套装备及其工程应用

传统的沉井施工技术通常采用人工取土或小型机械取土,靠结构自重下沉,现场浇筑混凝土井壁的方式。然而传统方式存在施工效率慢,作业人员多且施工风险高,停沉突沉和倾斜现象多,对周围环境影响大等弊端。随着技术的发展,沉井施工技术也正在向装配式、机械化、数字智能化和绿色建造的趋势靠拢。针对目前前沿的沉井掘进技术-VSM工法极其国内外装备研制,总结了其工程应用情况,为沉井领域的机械化建造提供技术方案和设备选型参考。