沿空留巷密集钻孔切顶机理及关键参数确定方法

为实现密集钻孔切顶条件下沿空留巷顶板结构安全稳定,研究正常情况与密集钻孔条件下顶板岩层结构受力状况,基于岩石断裂理论和弹性理论分析回采前后顶板密集钻孔孔间围岩受力分布及其破断过程,明确密集钻孔切顶机理及相邻钻孔的孔间集中应力相互作用机制,推导工作面端头弧形三角板结构巷道侧边界密集钻孔孔间围岩的拉剪应力计算公式。在此基础上,分析不同参数对孔间围岩所受拉剪应力的影响作用,提出沿空留巷密集钻孔切顶关键参数确定方法。研究表明:密集钻孔主要通过回采前后钻孔周围应力条件改变来增加钻孔围岩拉剪应力集中程度,引起孔间裂隙扩张联通,形成切缝线破断关键岩层。回采前钻孔主要受水平挤压应力影响,回采后钻孔受力逐渐转变为采空区顶板回转下沉产生的拉剪应力为主,钻孔孔间围岩状态随之由孔间围岩弱化阶段过渡到孔壁裂纹成形阶段,再转变为孔间围岩破断阶段。密集钻孔孔间围岩所受拉剪应力大小主要取决于关键岩层厚度及钻孔孔径与孔间距之比,与钻孔高度及间距成负相关,与角度及直径正相关。据此提出了密集钻孔关键参数确定方法,并根据龙滩矿3124 N工作面坚硬顶板条件设计了密集钻孔切顶留巷方案,确定钻孔长度为8.3 m,角度为15°,钻孔直径为48 mm,间距为500 mm。留巷后巷道顶帮变形可控且整体稳定性较好,由此可证明密集钻孔布置参数较为合理,密集钻孔关键参数确定方法有效可行。

露天潜孔钻机随钻测量系统研发与应用研究

露天采矿随钻测量技术研究目前尚处于初期阶段,研发随钻参数测量系统是实现随钻测量技术服务于采矿工程行业的首要任务。基于TAIYE-390-Ⅱ潜孔钻机工作原理,确定了随钻参数,提出了一套通用的测量方法,并研发了测量装置。装置主要由数据采集系统、数据转换系统和数据处理系统组成,可实现对钻进时间、钻进深度、钻进速度、钻杆轴压、回转力矩、回转速度、冲击风压和冲击风量等参数的实时准确测量、采集、计算、存储、显示和远程传输。结合某石灰岩矿钻孔数据,提出了一种反映岩性变化的数据整合方法,并借助钻孔成像试验分析了随钻测量技术在岩体结构面识别中的可行性。结果表明钻进速度和回转力矩对岩体结构响应最为灵敏,冲击风量和冲击风压在钻凿含孔洞的破碎岩体时表现突出,而钻杆轴压和回转速度在岩体结构识别中作用较小。研究成果在潜孔钻机随钻测量系统研发和随钻岩性识别等方面具有重要的理论意义和应用价值。

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。

基于“两带”探查技术的顶板水害危险性分析——以伯方煤矿为例

应用钻液漏失量观测、岩芯采取统计、钻孔电视观测和钻孔电阻率动态监测等多种“两带”探查技术方法,对伯方煤矿3煤开采的覆岩导水裂隙带发育特征进行研究,分析3煤采动影响下的顶板水害危险性。研究结果表明:3213工作面导水裂隙带发育高度为87.66 m,发育至K9砂岩含水层;垮落带发育高度为22.61 m,发育至2煤下部K8砂岩含水层。3313工作面垮落带最大高度为煤层顶板20~21 m,至2煤顶板砂岩含水层;导水裂隙带最大高度为煤层顶板83~87 m,至K9砂岩含水层。由此计算得出的垮落/采厚比为3.58~3.76,裂缝/采厚比为14.85~15.56。3煤回采产生的导水裂隙可造成二叠系下石盒子组和山西组砂岩含水层与3煤采空区的连通,含水层地下水岩导水裂隙向下渗流,增加了顶板水害的风险。建议矿井严格落实顶板水害防治的相关要求,降低采动裂隙对矿井正常生产的影响。

切眼外错下孤岛工作面开采冲击危险性分析及防治措施

受矿井地质条件、开采布局及采掘接续不合理等影响,工作面布置时会留设孤岛工作面,严重影响矿井安全开采。为解决切眼外错下孤岛工作面开采冲击危险的难题,以高庄煤矿3_(上)1105孤岛工作面为例,采用理论分析、数值模拟、数据统计与分析相结合的研究方法,分析了孤岛工作面开采时覆岩结构特征、切眼外错区域应力分布规律以及巷道围岩稳定性。结果表明:切眼外错下3_(上)1105工作面开采期间超前支承应力峰值达到54.1 MPa,基于巷道围岩受力状态及变形量确定了冲击危险区域主要分布在3_(上)1107工作面切眼前后0~30 m范围。针对切眼外错区域采取了大直径钻孔卸压,通过现场监测及检验,微震、钻屑均未超过预警临界值,卸压解危效果良好。

激光间歇钻孔辅助TBM滚刀侵入花岗岩试验研究

针对隧道掘进机(TBM)掘进高承载压力、高强度、高石英含量等极端地层时盘型滚刀(简称滚刀)磨损严重导致其综合切削性能低下等问题,提出一种激光辅助破岩模式用于提高滚刀破岩效率;并以激光间歇钻孔辅助缩尺滚刀侵入花岗岩为例,设置测试组(预制激光孔)与对照组(无预制激光孔),进行给定孔-孔距为2 mm时不同刀-孔距的滚刀侵入岩石试验。通过对比2组中岩石的宏观碎裂、岩石碎裂负荷和比能(E_(SE))分析岩屑质量、破碎过程中滚刀所受垂直力以及耗能情况,讨论该方法的可行性和有效性。结果表明:1)破岩量随着刀-孔距的增大呈现出先增加后减小的趋势,在刀-孔距为5 mm时破岩量最大;2)在侵入深度为3 mm时,垂直力随着刀-孔距增加大致呈现出先减小后增大的趋势,在刀-孔距大于5 mm后,滚刀垂直力变化不大;3)E_(SE)随着刀-孔距的增加出现先下降后上升的趋势,其中刀-孔距为5 mm时E_(SE)最低。

深部采煤深孔爆破技术防控强矿震机制研究

中国华东、东北、华北大部分煤矿已进入600 m以下深度开采,矿震等动力灾害屡有发生,严重制约了煤矿安全、绿色、高效生产。针对中国深部煤矿厚硬顶板下开采矿震频发问题,以东滩煤矿为例,采用现场监测、理论分析和数值模拟等方法,详细阐述了深孔爆破顶板卸压前后强矿震空间分布特征,研究了深孔爆破技术预裂顶板机制、对采动中覆岩活动影响及防控矿震的效果。研究发现深孔爆破技术可有效弱化或断裂上覆厚硬岩层,释放上覆岩层积聚的应变能,减少大能量矿震的风险。基于爆炸荷载作用下岩石破坏区理论分析计算出了深孔爆破岩石破碎区、裂隙区和有效破坏范围,并结合工作面支架阻力监测,发现深孔爆破技术可主动调控矿山压力,避免了强矿压显现。建立了含四次深孔爆破的煤层开采全过程数值模型,分析了深孔爆破前后覆岩应力及位移演化特征,揭示了深孔爆破对采动中覆岩活动影响机制。深孔爆破断顶卸压技术能够有效弱化煤层顶板、降低顶板来压强度、增大覆岩的碎胀系数,能够用于防控深部采煤强矿震的发生。

不同堵塞条件下硬岩隧道直眼掏槽破岩效果数值模拟研究

为研究不同堵塞材料及堵塞长度对硬岩隧道直眼掏槽爆破效果的影响,依托工程实例,采用ANSYS/LS一DYNA仿真模拟软件建立三维数值模型,对5种不同堵塞条件展开研究。根据数值模型计算结果,对掏槽区域爆破裂纹拓展情况进行了定性分析,对典型部位的岩石受力情况进行了定量分析。结果表明:1)自由面岩石主要受拉应力作用产生裂纹,炮孔堵塞使得爆炸荷载整体作用时间延长,致使自由面上裂纹更加密集;2)位于炸药和堵塞材料之间空气段附近的围岩,先受爆炸应力波作用岩石被压碎,后受力在拉压应力之间多次转化,致使裂纹被放大,结合爆生气体发挥的“气楔”作用,使得裂纹几乎贯穿模型截面;3)炮孔堵塞后炸药段周围岩石受到的爆生气体作用应力值显著提升,比不堵塞时的炸药段周围岩石峰值应力高出1.31~2.34倍,炮孔堵塞使得爆生气体持续稳定发挥作用时的压应力值提高3.70~4.70倍;4)以黏土和水作为堵塞材料时,堵塞长度为40cm的直眼掏槽破岩效果优于堵塞长度为60cm的效果。研究成果可为优化硬岩隧道直眼掏槽爆破参数提供理论基础。

掘进工作面顶板富水区超前疏放治理技术

为解决吕梁山煤电有限公司3-3032综掘巷道顶板富水区对掘进安全及巷道支护的影响,保证安全掘进,采取物探手段明确低阻异常区域划分范围,利用定向钻机向异常区施工顶板疏放水钻孔,待孔口放水量稳定在5 m^(3)/h及以下时,对钻孔实施全段注浆封孔,充填导水裂隙,掘进期间通过注浆锚杆与螺纹钢锚杆对顶帮围岩补强加固,加固后的巷道顶板最大移近量为164 mm,未出现明显离层空顶现象。

高能液动锤超硬岩快速钻进成套装备与技术

当煤矿井下瓦斯抽放孔钻孔施工中遇到f≥12的岩层时,采用PDC钻头的回转切削效率极低。为解决煤矿井下硬岩钻进的技术难题,提出了煤矿井下高能液动锤的成套配置方案。采用该技术方案开展了井下钻孔试验。试验结果表明,在石英砂岩(10≤f≤12)中,机械钻速18.63~32.84 m/h;在硅质泥岩(12≤f≤17)中,平均机械钻速21.91 m/h。为煤矿井下硬岩钻进提供了一种新技术,可提高煤矿硬岩钻进效率。

环境敏感区深水斜岩桩基施工技术研究

为确保环境敏感区深水斜岩河床地质条件下的桥梁工程桩基施工的质量和保护环境,合理优化钻孔灌注桩施工工艺,文章以某铁路特大桥的桩基施工为研究对象,通过采用旋挖钻和基于气举反循环原理的泥浆反循环系统,借助工程实践效果及水质监测仪进行成果分析,开展了环境敏感区深水斜岩桩基旋挖钻钻进施工及泥浆孔内循环系统的研究。结果表明,以上方法可以有效地保障深水斜岩河床地质条件下的桩基施工质量,减少对环境的影响。

深孔爆破断顶技术在深井冲击地压防治工作的研究与应用

针对冲击地压影响范围广、破坏能力强、发生频率高、防治难度大的问题,以李楼煤业1303工作面为工程背景,根据相关要求和现场情况制订了合理的断顶爆破工艺和钻孔布置方案。根据微震监测、应力监测和来压步距观测对1303工作面断顶卸压效果进行考察,实验结果表明:10^(4)J及以上能量事件频次下降明显,10^(3)J及以下能量事件频次增加,单位进尺释放能量值下降幅度达40.77%;预警总次数下降了33.33%,预警位置集中在距离断顶孔0~1.5、6.0~6.5 m区域;周期来压步距同比下降5.1%,平均围岩变形量同比减小40.9%,达到了破坏顶板完整性、缩短顶板悬顶长度、减小来压步距,以及释放岩层弹性能的目的,说明针对该工作面采取的卸压防冲技术效果明显,可以有效降低工作面的冲击危险性。

特厚煤层坚硬顶板井下定向深孔水力压裂卸压防冲技术

为进一步解决坚硬难垮顶板导致的冲击风险升高问题,以文家坡矿为例,提出了一种井下定向深孔水力压裂卸压防冲技术,并在4106工作面开展了试验研究,结果表明:提前对厚硬顶板进行卸压处理,岩层强度和完整性大大降低,有利于根本上消除冲击地压对安全生产的严重威胁。压裂期间泵压-时间曲线呈现锯齿状,定向深孔水力压裂能够使得裂缝起裂与扩展,实现顶板有效致裂。在水力压裂作用下,工作面微震活动平稳变化,高级别能量微震事件频次占比显著降低,未超过冲击危险预警临界指标,工作面顶板活动性及微震能量释放保持在较稳定状态,围岩积聚能量能够有序释放,冲击风险显著降低。

复杂顶板定向钻孔穿层段大直径套管护孔技术及应用

针对煤矿井下复杂顶板瓦斯抽采大直径高位定向钻孔存在的穿层孔段轨迹偏斜、孔壁坍塌、施工效率低等问题,提出基于复合强排渣钻进技术与跟管下放套管技术的大直径套管护孔技术,分析了复合强排渣钻进技术原理,设计并试制了套管下放钻具串。在山西晋城矿区王坡煤矿进行了现场试验,完成了3个复杂顶板高位定向钻孔穿层孔段大直径套管护孔施工,套管下放深度35 m,套管直径为244.5 mm,综合施工效率提高30%以上。结果表明,大直径套管护孔技术能够成功突破复杂破碎地层,确保护孔套管顺利下放,对穿层孔段孔壁形成可靠支护,为顶板高位定向钻孔的顺利实施提供了技术保障。

东曲矿预留钻孔疏放28206工作面老空积水技术研究

近距离煤层群开采时,上部煤层开采后形成的采空区积水是威胁下部煤层安全开采的主要因素之一。针对传统采空区积水的防治方法存在一定盲目性,导致工程量通常较大的情况,本文根据东曲矿28206工作面和29206工作面是近距离煤层开采的具体情况,提出在28206工作面开采时预留疏水钻孔,对工作面低洼区域采空区积水进行监测和有序疏放,最终保证了下部29206工作面的安全开采,为类似近距离煤层群防治采空区积水提供了经验借鉴。

三段式防斜导正变径钻头在硬质陡岩旋挖钻孔中的应用

江西某桩基工程使用自主创新研发的三段式防斜导正变径钻头后,有效地解决了岩溶地区硬质陡岩中偏(歪)孔、施工效率低的问题,提高了桩的施工质量,降低了施工成本。文中介绍了三段式防斜导正变径钻头结构关系,说明了三段式防斜导正变径钻头在岩溶地区硬质陡岩旋挖成孔施工工艺及关键控制点,对在硬质陡岩中钻孔灌注桩工程施工具有一定的参考意义。

石板坑石灰石矿阶段束状孔落矿连续开采新技术探讨

地下矿山阶段束状孔落矿连续开采新技术主要应用的是束状孔当量球形药包大量落矿采矿技术和矿岩诱导崩落技术,再合理安排采矿工序、采场回采顺序来实现地下连续开采、高强度集中采矿。基于石板坑水泥用石灰石矿床条件,对该地下矿山阶段束状孔落矿连续开采新技术的开采技术条件进行分析,同时,与原分段矿房采矿法进行技术经济对比分析,认为阶段束状孔落矿连续开采新技术可适用于Ⅰ类水泥用石灰石矿床和岩溶不发育的Ⅱ类水泥用石灰石矿床,同时指出该开采技术的关键工艺和要点。

坚硬顶板型冲击矿压灾害防治研究

针对兖州矿区济三煤矿6303工作面的冲击矿压问题,分析了冲击矿压发生的主要原因及影响因素．根据现场条件和数值模拟分析,提出了采用顶板爆破解除冲击矿压危险的技术措施,并确定了爆破参数．采用矿用钻孔窥视仪并配合电磁辐射法和钻屑法对爆破进行了效果检验．结果表明,通过顶板爆破措施可以破坏工作面上方坚硬厚层砂岩顶板的完整性,提前释放顶板聚集的弹性能,减弱和消除了工作面的冲击矿压危险性,保证了工作面的安全生产．现场实践证明,该项技术对具有坚硬顶板型冲击矿压的防治效果明显．

空气钻井中动态破岩有限元仿真研究

空气钻井技术是以空气作为循环介质的欠平衡钻井技术,其钻头的破岩形式与常规泥浆钻井有很大的区别。在岩石力学和弹塑性力学的基础上,考虑岩石材料的各项异性、地层倾角、钻头与岩石间摩擦因数等影响因素,采用有限元方法建立空气钻井中全尺寸PDC钻头动态破岩的非线性动力学三维模型。通过对空气钻井中岩石的破坏机制和钻头动态破岩过程的研究以及对破岩后形成井眼、井壁和井底岩石应力应变的分析。结果表明:井底岩石受到较大拉应力的作用,使得空气钻井中破岩速度更快;干燥空气钻成的井眼井壁稳定性较好,但是一旦发生井壁不稳定性,井壁岩石将成块掉落。最后通过对钻头上随时间变化的位移分析,得到钻进各向异性地层岩石的井斜和方位的变化规律。本模型为空气钻井的破岩机制、井斜变化规律以及井壁稳定性研究提供一种新的方法,为钻头和钻具设备的研制、优化设计提供理论依据。

深孔断顶爆破防治冲击地压的理论与实践

简要阐述我国冲击地压作用机制及控制技术研究现状,深入探讨深孔断顶爆破的作用机制,采用数值模拟方法分析深孔断顶爆破防治冲击地压的基本原理,对于爆破前后的应力场进行对比分析,从计算结果来看,深孔断顶爆破能够从根本上改变煤岩体的应力分布状态,显著降低爆破有效范围内煤岩体中的应力水平,应力峰值出现的位置明显远离煤壁,峰值的大小大幅度降低;结合急倾斜煤层开采条件和倾斜煤层开采条件,进行深孔断顶爆破防治冲击地压的实践,并通过应力监测对其卸压效果进行检验。监测结果表明,采用深孔断顶爆破技术能够有效改变煤岩体的应力状态,对具有冲击危险的区域起到较好的卸压作用;在华亭煤矿急倾斜煤岩层条件下深孔断顶爆破的实践中,在监测期间内,深孔断顶爆破后顶板岩层出现3次明显的周期性垮断现象,压力显著降低,周期来压明显,从而降低冲击危险性,有利于矿井的安全生产。