钻孔卸压感知系统研制

在煤矿开采预防冲击地压方法中,针对钻孔卸压后周围压力是否达到卸压所需效果的问题,设计了钻孔卸压感知系统。该系统采用FPGA和Lab VIEW相结合的方式,利用FPGA控制高精度A/D转换器HX711采集传感器的数据,使用8通道模拟多路选择器74HC4051进行通道选择传输,通过FPGA将数据传输到Lab VIEW完成数据显现。实验结果表明,该系统可以准确、高效、直观地采集多通道的数据信号并呈现,可以判断出钻孔卸压后的卸压效果是否达到预期,具有较高的工程应用价值。

煤层厚度影响下大直径钻孔卸压释能机理

煤层厚度变化是影响大直径钻孔卸压效果的重要因素之一。基于等效弹性模量原理建立了大直径钻孔卸压弹性力学模型,以某矿不同工作面为工程背景,研究了不同煤层厚度条件下大直径钻孔卸压煤体应力分布特征和能量释放规律,探讨了煤层厚度影响下大直径钻孔卸压释能机理。研究结果表明:当大直径钻孔卸压参数相同时,薄煤层中原岩应力、钻孔切向应力及其塑性区范围均大于厚煤层;大直径钻孔周边应力峰值随煤层厚度增加呈非线性减小趋势,当煤层厚度由1 m增加到9 m,应力峰值由23.2 MPa降低到20.2 MPa,降低12.9%;大直径钻孔卸压释能率随着煤层厚度增加呈减小趋势,当煤层厚度由1 m增加到9 m,大直径钻孔卸压释能率由68.7%降低到45.8%,即相同大直径钻孔卸压参数条件下薄煤层卸压效果更好;当大直径钻孔卸压参数相同时,钻孔切向应力随着煤层厚度增加而减小,导致煤体破碎区和塑性区范围以及存储弹性能释放量减小,即钻孔卸压释能率降低。某矿1208工作面和1203工作面煤层厚度分别为9.08、4.95 m,虽然两工作面采取了相同的大直径钻孔参数,但1208工作面巷道围岩变形破坏更为严重,对大直径卸压钻孔参数优化后,煤体平均钻屑量由2.48 kg/m下降到1.76 kg/m,表明随着煤层厚度增加,需采取减小钻孔间距、增大钻孔直径等措施来达到更好的卸压效果。

倾斜厚煤层异形巷道围岩变形特征及非对称支护技术研究

本文针对倾斜厚煤层中异形巷道围岩变形量大和矿压显现明显的问题,提出了以高帮补强锚索和低帮大直径钻孔卸压为基础的“高补低卸”异形巷道非对称支护技术,并以乌兰木伦煤矿工作面为技术背景,通过对工作面运巷和风巷的异形巷道进行区域划分,分析了不同区域内异形巷道应力场和位移场演化特征,确立了“高补低卸”异形断面非对称支护技术关键参数。研究结果表明:倾斜厚煤层运巷回采区异形巷道应力场分布最为复杂,高帮附近顶板支承应力大于低帮附近顶板支承应力,且呈现出非对称应力状态。异形巷道高帮变形主要是因为支承应力导致高帮煤柱强度弱化引起煤体滑移,而低帮和底板变形主要是支承应力较大和围岩应力集中系数高造成的。巷道高帮及顶板补强长锚索能够有效加固煤岩体。低帮和底板的大直径卸压钻孔能够将围岩集中应力向远场转移。现场应用表明倾斜厚煤层“高补低卸”异形断面非对称支护技术大大减小了围岩变形量和顶板离层量,对巷道进行了有效控制,应用效果显著。

川渝地区煤岩气水平井安全钻井技术探索——以JT1H井为例

为了安全有效开发四川盆地二叠系龙潭组煤岩气藏,保障川渝地区天然气能源供应的有效接替,需对龙潭组煤岩气井的开发难点进行研究,解决易发生的故障复杂等问题。为此以中国石油西南油气田公司重点探井JT1H井为研究对象,分析了该井面临的煤岩段裂缝发育、岩性复杂可钻性差、井眼轨迹变化大、钻井液性能控制困难等工程地质难点,从井眼轨迹、钻井液体系、钻井参数、精细操作防卡等方面开展复杂处理技术研究。研究结果表明:①采用五段式井眼轨迹设计,有效降低了狗腿度,满足了长度1000 m以上水平段安全钻井需要;②充分发挥地质工程一体化优势,做好煤层厚度、井下岩性、地层倾角等预测,为工程措施优化提供支撑,减少复杂;③建立煤岩气水平段钻压、转速、排量等关键钻井参数控制方法,减少煤层冲刷,降低地层垮塌程度;④应用地层岩性元素分析技术,及时发现高密度、高硬度的煤矸石,精细操作防卡。结论认为:①优选高效PDC钻头+旋转导向工具+螺杆复合钻井提速,保障了储层钻遇率,JT1H井水平段安全穿越二叠系龙潭组6套煤层,累计厚度为209 m,水平段长达1160 m;②优化钻井参数异常变化处理技术,充分使用好振动筛、一体机、离心机,探索形成煤灰机械消泡技术,减少了阻卡;③推广应用川渝地区煤岩水平段安全钻井技术,对于后续深入开展煤岩气开发技术研究具有指导意义。

融合钻孔地质信息的煤岩图像识别方法

当前应用于煤岩图像识别的深度卷积神经网络模型存在体积庞大、计算过程冗杂等问题,难以满足实时检测要求,且对低照度、高粉尘等复杂环境适应性差。针对上述问题,提出了一种融合钻孔地质信息的煤岩图像识别方法。首先,通过改进的谱残差显著性检测(ISRSD)算法增强煤岩图像质量,有效减弱复杂环境对煤岩图像特征造成的不利影响;然后,使用加入注意力机制的VGG(AVGG)深度卷积神经网络模型——在VGG的基础上进行剪枝、加入卷积注意力模块(CBAM)和引入自适应学习率调整策略,高效提取煤岩图像特征;最后,利用贝叶斯模型融合煤岩图像特征和由钻孔地质柱状图获取的钻孔地质信息,提升煤岩分类的准确性和鲁棒性。实验结果表明,经ISRSD算法增强后的图像目标更突出,色彩失真程度更低,且边缘、纹理等图像特征保留相对完整;AVGG模型的准确率与VGG模型相当,但平均推理时间、参数量及模型大小分别仅为VGG模型的15.61%,33.44%及33.40%;与仅使用AVGG模型识别煤岩图像相比,利用贝叶斯模型融合钻孔地质信息后,准确率提高了1.85%,达97.31%。

石门揭煤作业中定向长钻孔瓦斯抽采防突技术的应用

研究专注于煤矿工作面瓦斯防突技术的应用,特别是定向长钻孔瓦斯抽采防突技术在石门揭煤作业中应用。旨在评估这一技术在防止瓦斯突出方面的有效性,以确保煤矿安全和生产符合相关法规。为确保工作面的安全推进,在工作面前方的煤层区域设置检验钻孔,用于测定残余瓦斯压力和含量,并确保其符合标准。研究结果显示,实际操作中的残余瓦斯含量和压力均满足相关标准,5个检测钻孔的瓦斯压力平均值为0.522 MPa,瓦斯含量为4.5 m3/t,满足瓦斯含量小于8 m3/t、瓦斯压力小于0.74 MPa的要求。表明该技术可以有效防止瓦斯突出。另外,采用钻屑瓦斯解吸指标法进行突出危险性评估,结果显示在揭煤阶段的工作面不再有突出危险,可以继续进行揭煤工作。

永红煤矿小煤柱工作面瓦斯治理的实践应用

永红煤矿在过去的掘进工作中采用“以岩保煤+水力造穴”的瓦斯防治措施,这种方式存在钻孔施工时间长、作业成本高、瓦斯抽放时间不达标等问题。以永红煤矿3512工作面为研究对象,对“小煤柱掘进+穿层预抽钻孔”分阶段瓦斯治理措施进行了创新设计。应用结果表明,巷道单进月均进尺在161 m,防突效果有效,抽采效果明显,掘进期间瓦斯涌出得到有效控制,经济效益显著提高。

近距离煤层采空区覆岩裂隙演化规律研究

矿井井田及周边巷道、采空区分布等导致地质条件复杂,给矿井安全生产带来不稳定因素。针对上述问题,采用理论建模方法建立采空区顶板力学模型,推导解析顶板弯曲下沉挠度函数,运用数值模拟软件模拟研究采空区覆岩裂隙演化规律。在实际煤矿井下进行钻孔探测,结果表明,覆岩层裂隙发育高度为1.3~3.4 m,覆岩出现损伤但影响范围较小,煤层之间稳定岩层的最小厚度为12.2 m,裂隙具有完整性和一定的承载能力。

青龙寺煤矿5^(-2)煤层夹矸特征

煤层夹矸是煤层结构划分的依据,同时也是影响煤质的重要因素,查明煤层夹矸的空间分布、夹矸的特征是实现煤与矸石高效洗选、分离以及相关灾害治理的前提。以青龙寺煤矿5^(-2)煤层为研究对象,采用地质钻探、矿井地质调查、岩石学分析、矿物学分析以及灾害学分析等综合技术手段,查明煤矿内夹矸的岩性以泥岩、高岭石泥岩为主,分布在煤层中部全井田分布等宏观特征;采用岩石薄片、扫描电镜、XRF、全岩组分分析等查明夹矸的矿物成分,边界不规则,粒度0.12~1.8 mm不等,岩屑中含有极细粒炭屑。样品整体致密程度中等,发育中等铁质蚀变。含铁热液浸染状交代原生碎屑呈棕红色,或呈胶结物沉淀粒间、微观结构以及火烧后呈致密的粒状,结晶程度好,黑色不透光。裂隙发育,裂隙均被方解石充填特征。通过矿井地质调查、地质钻探等综合分析了层夹矸的泥化、造浆等作用导致超前探放水钻孔成孔难度大等问题,并提出相应的防治措施。

JN1H井煤岩气长水平段钻井井壁稳定技术

针对鄂尔多斯东缘本溪组8#煤层长水平段钻完井过程中井壁易失稳、井眼延伸难度大的问题,开展了煤岩气钻井井壁稳定技术研究。对可能钻遇的顶板碳质泥岩、夹矸、上部煤层和下部煤层等岩心,开展了X-衍射、电镜扫描、CT扫描、三轴力学等相关实验。实验表明,非煤层黏土矿物含量在35%以上,主要由高岭石和伊利石组成,只含不到5%的伊蒙混层,煤层的黏土矿物含量在10%~18%之间,以高岭石为主,含25%左右的伊蒙混层;岩心裂缝宽度范围在25~1000 μm之间,主要分布在25、40、64、100、160、250、400 μm几个数值附近;最大坍塌压力当量密度是1.36g/cm^(3),在中下部煤层位置;从“封堵防塌、井眼清洁、润滑防卡”三个方面设计了钻井液配方,评价结果表明,中压滤失量为1.6 mL,高温高压(70℃)滤失量为4.4 mL,400 mD、100 D砂盘PPT滤失量小于15 mL,表明配方具有良好的封堵性能。井壁稳定技术在JN1H井进行了现场应用,完成2019 m水平段施工,钻完井周期为28.25 d,钻完井过程顺利,实现了煤岩气长水平段钻井井壁稳定。

鄂尔多斯盆地深层煤岩气井储层坍塌及伤害主控因素研究

鄂尔多斯盆地深层煤岩气作为一种非常规资源,分布面积广、资源量大,是天然气增储的重要接替资源。由于煤岩强度低、裂缝发育易破碎,将导致煤岩掉块严重、起钻困难、频繁憋泵,因此深层煤层气钻进中井壁坍塌失稳、漏失成为安全钻进的主要限制因素。文章针对鄂尔多斯盆地本溪组煤岩井壁坍塌与伤害技术难题,开展了煤岩的物性、理化、力学性能评价等研究,明确了本溪组煤岩具有双孔隙结构,微孔占比平均56.5%,宏孔占比平均28.4%。煤岩中无机矿物成分主要以高岭石为主,含量为69.9%~88.4%,平均为79.7%;煤岩和煤矸均表现为弱亲水性和亲油性,煤岩样品在清水中的线性膨胀率为0.55%~0.87%,在水基钻井液中的膨胀率在0.10%以下,在油基钻井液中基本不膨胀。通过钻井液对煤岩渗透率伤害和空间CT评价实验表明,清水对煤岩渗透伤害率为74.7%;现场水基钻井液的渗透伤害率为89.9%;钻井液对平均孔隙度伤害率为22%,钻井液平均连通性伤害率为26%。基于室内实验结果分析,揭示出鄂尔多斯深层煤岩的坍塌伤害因素主要为煤层节理、微裂缝发育、胶结疏松、脆性大、应力敏感、非均质性强。钻开煤层后,外来流体沿裂缝渗入,引起分布在裂缝等处的黏土矿物水化溶胀和部分填充物溶解,弱化了煤岩的胶结强度,原有的力学破坏,煤层易碎裂垮塌。同时钻井液中固相颗粒对孔隙与裂隙的堵塞、钻井液固相侵入产生运移堵塞叠加造成了煤岩伤害。

基于煤岩可钻性的钻孔机器人自适应控制方法

由于含煤地层的地质力学环境复杂,导致钻孔机器人给进系统的给进阻力和回转系统的负载转矩复杂多样。现有技术仅通过既定程序控制执行机构进行流程化的动作,钻进过程的自适应智能控制水平低,当钻进工况变化时易造成卡钻、断钻等事故,降低钻孔机器人的钻进效率,影响工作周期。针对该问题,提出一种基于煤岩可钻性的钻孔机器人给进回转双回路PID自适应控制方法。首先以钻进效率和钻进安全为控制目标,选择钻压、转矩作为煤岩可钻性模型的输入参数,运用小波包分解对钻进过程数据进行特征提取,得到样本数据和测试集,利用BP神经网络进行训练和验证,建立煤岩可钻性模型,获取当前钻进工况下推荐钻速和转速。然后基于煤岩可钻性模型,设计了基于PID控制的恒转矩控制策略和恒钻速控制策略,钻孔机器人给进回转控制系统通过恒转矩控制回路对设定钻压进行调整以实现恒转矩控制,通过恒钻速控制回路对设定转矩进行调整以实现恒钻速控制,在确保其安全工作下提高钻进效率。最后建立反映给进回转负载的钻头−煤岩相互作用模型并对钻孔机器人给进回转双回路PID自适应控制方法进行仿真测试。结果表明:①在煤岩硬度不变时,该控制方法可以实现恒转矩和恒钻速控制,转矩保持在2000 N·m,钻速保持在6 mm/s。②在50 s时,增大煤岩硬度,采用自适应调整策略后,钻孔机器人给进回转控制系统的钻压、转速等可以很快达到稳定状态。③若推荐钻速6 mm/s对应的实际转矩2350 N·m超过钻孔机器人工作允许的负载转矩,且其实际转速85 r/min小于推荐转速的95%时,通过钻速微调模块降低推荐钻速设定值,进而通过调整钻压使钻孔机器人的转矩调整至最优转矩,确保钻孔机器人再次稳定在恒转矩和恒钻速控制状态。

基于声发射特征的含水煤体钻屑法临界指标优化试验研究

蒙陕部分冲击地压矿井由于受到洛河组砂岩含水层的影响,煤层含水率过高钻屑煤粉泥化成团导致钻屑量始终不超标,钻屑法结果存在误差甚至失效,影响现场冲击地压危险的监测预警。基于此,以不同含水率煤体为研究对象,开展不同应力加载水平下的三轴加卸载钻进试验,探究含水率0、1.7%、3.7%和5.6%煤体钻进过程中声发射(AE)及其损伤空间特征,获取计算理论钻屑量数值的方法,通过理论与试验称量钻屑质量比确定煤体在不同含水条件下钻屑法临界指标。结果表明:(1)随应力水平和含水率增高,声发射事件呈现钻孔中心向周围扩散的现象,破坏趋势由剪切部分破坏向剪切整体破坏转变;(2)载荷水平和含水率对由声发射事件空间分布确立的损伤椭球体(DE)体积影响较大,损伤椭球体与声发射事件空间分布特征具有一致性,计算得出的损伤椭球体质量为含水煤体受到应力及钻杆切削作用的主要损伤空间质量M;(3)通过分析理论与试验称量钻屑质量整体变化趋势,发现含水煤体受到水的弱化作用后理论钻屑量有所增加,但相较于水的弱化作用,水的黏结占主导作用,导致现场收集的钻屑量偏小;(4)依据理论与试验称量钻屑质量比值得出不同含水率煤体的钻屑法修正系数H,当含水率为0~1.7%、1.7%~3.7%和3.7%~5.6%时,H分别取值1.00、2.32和4.05,当含水率大于5.6%时,钻屑法失效。

高应力煤体小煤柱护巷围岩稳定性控制技术研究

高应力环境临空小煤柱巷道面临围岩稳定性差,巷道维护难度大等问题,以福达煤矿15#煤层5 m小煤柱应用现场为背景,针对影响小煤柱巷道围岩稳定性的关键因素,包括:地应力水平高、围岩稳定性差、煤柱内部遗留钻场空区等,提出了侧向水力压裂卸压、临空巷道围岩稳定性控制及煤柱内隐蔽钻场高水材料充填技术方案,并开展现场应用,结果表明:(1)水力压裂关键层位起裂压力峰值为26.5 MPa,各孔最大压力均值22.3 MPa,孔内原生裂隙受高压水挤压作用逐渐张开,对顶板完整性的弱化作用显著;(2)基于巷道矿压数据分析结论,顶板锚杆应力峰值为108 kN,帮锚杆应力峰值为86 kN,均远低于锚杆的屈服载荷,未出现断锚现象。巷道两帮及顶板下沉量均在可控范围内,巷道收缩量较小,围岩整体稳定性得到有效控制;(3)隐蔽钻场充填高水材料总体积682.9 m3,高于钻场空区总体积,每个充填钻孔均保证返浆后停止注浆,钻场充满率较高,残留1.5 m煤柱稳定性较好,达到了预期效果。

基于钻进参数的煤岩界面识别系统研究

针对底抽巷瓦斯抽采穿层钻孔施工过程中,煤岩界面识别不及时、不准确,缺少相应技术手段的问题,设计开发了一套基于钻进参数(转速、回转扭矩、推进力、推进速度、破碎比功)的煤岩界面识别系统,整套系统由数据感知层、采集层和分析层组成。其中,数据感知层和数据采集层合称钻机数据采集系统,可以对钻进参数进行实时采集;数据分析层则采用支持向量机(Support Vector Machine,SVM)分类算法对带有煤岩分类标记的钻进参数进行数据学习和模型训练,继而对未知的钻进参数进行分类预测,最终实现煤岩界面自动识别。在河南鹤壁中泰矿业的现场应用表明:钻进参数中的回转扭矩、推进速度和破碎比功在煤岩界面处均产生明显的“涨落”,可以作为区分煤层和岩石的3个特征参数;使用线性核函数的支持向量机分类模型可以准确地将两种地层中的钻进参数区分出来,通过对训练集中89个样本数据学习即可在测试集中获得100%的正确率,说明了特征参数和地层信息之间是线性可分的。该系统推广应用不仅可以为煤岩分类识别提供基础数据的获取途径;还可以为穿层钻孔的煤岩界面识别提供一定的科学依据和指导,从而确保钻孔达标,避免抽采空白带的产生。

穿越采空区L型瓦斯抽采水平井钻进关键技术

为了深部煤层开采之前能够高效超前抽采瓦斯,保障深部煤层安全开采,L型水平井钻进技术成为地面瓦斯抽采的主要方法之一。针对穿越采空区L型瓦斯抽采水平井钻进施工存在的诸多困难,主要从井身结构设计、穿越采空区氮气钻进技术、水平段钻进轨迹控制技术3个方面,进行了穿越采空区L型瓦斯抽采水平井钻进关键技术研究。将关键技术研究成果成功应用于了M矿区1口穿越采空区L型地面瓦斯抽采井,高效顺利完钻了该井施工,使得目标深部煤层水平段钻进的钻遇率约为90%。

顺层瓦斯抽采钻孔定点定长封孔应用研究

针对矿井煤层实际赋存情况,通过数值方法定量表征了煤岩体巷道应力分布情况;结合现场考察对上述模拟结果进行了验证,同时采用不同深度单位长度钻孔冲粉量指标的变化规律划定巷道两帮“三带”的范围,进而确定顺层钻孔的合理封孔深度。通过钻孔抽采瓦斯浓度和瓦斯纯流量随时间的变化规律表征不同封孔深度的钻孔密封性能,结合经济科学抽采的基本原理表明了最理想封孔长度;结合围岩异常应力分布特征和破坏模式,提出针对围岩低渗区的定点定长封孔方法来提高钻孔密封性能。现场实验表明,该方法是一种实现煤层瓦斯高效抽采的可行技术方法,对于实现煤层瓦斯安全经济高效抽采有积极作用。

空间煤柱影响下冲击地压防治技术研究

为探究空间煤柱影响下冲击地压防治技术,以唐山矿Y396、Y394工作面为背景,采用理论分析、数值模拟、现场应用与检验相结合的研究方法,系统分析工作面诱发冲击地压的主控因素,确定空间煤柱影响下冲击地压防控技术,并在现场实施后进行效果检验。研究结果表明:Y396、Y394工作面采掘期间诱发冲击地压的主控因素为上部5煤层遗留的不规则煤柱及本煤层不规则煤柱;通过FLAC^(3D)软件,得出Y394工作面在回采期间的三个异常应力升高区;确定了主要防控区域,实施相应的防控技术,并通过钻屑法检验,确定区域内冲击地压危险已消除。

煤岩两用液动锤钻头的结构设计研究

为了提高煤矿井下穿层孔硬岩施工的效率,解决液动锤一趟钻实现煤岩互层钻孔的问题,设计了煤岩两用液动锤钻头,并分析了其工作原理。通过对钻头水力结构参数的计算和模拟分析,得出了可以通过调整切换阀的水力结构以及阀芯和阀座弹簧弹力匹配设计,实现对钻头功能切换所需的压力和钻头切削推力的精确控制,从而达到液动锤随钻切换冲击-切削模式的目的,实现不退钻完成煤岩互层的高效钻进。

煤岩识别技术的发展现状及展望

为准确识别煤岩界面,提高采煤工作面智能化水平,推动煤炭清洁、高效、安全生产,总结了目前煤岩识别技术的研究和应用进展。阐述了射线检测、电磁波检测、红外成像、图像识别、振动检测、截割力、高光谱和透明地质模型等方法。分析了相应的原理和最新应用效果,提出钻孔雷达辅助探测技术,随采构建多信息融合工作面地质模型,是解决煤岩界面识别问题的途径之一,为煤矿智能化生产和提质增效提供更多参考和借鉴。