矿山地面救援应急响应与大直径钻孔关键技术

【目的】大直径救生孔多次在矿山地面钻探救援中得到成功应用,但在快速出动、跨区域救援等应急响应方面仍有短板,在应对复杂地层时大直径救生孔的工艺适配性不足。【方法】从应急救援整体角度出发,以救援时效为指标,就响应能力提升、复杂地层成井工艺等关键技术进行总结。构建了矿山地面钻探救援应急处置流程,明确了预案启动、响应动作和响应速度3个方面的提升内容,建立了跨区域救援层次化出动机制和钻前技术保障响应机制。分析了大直径救生孔松散层、基岩层钻进工艺特点,提出了针对破碎、高涌水等复杂地层施工难点的解决方案,指出了救援提升过程中的典型问题。【结果和结论】研究表明:(1)科学的矿山地面钻探救援应急响应机制是提高救援效率的重要方式之一,通过采用跨区域救援层次化出动机制和钻前技术保障响应机制,可有效提高应急响应效率2.3倍。(2)形成了复杂地层条件下大直径救生孔高效成孔的解决方案,并应用于济宁九顶山矿大直径救生孔工程试验,完钻孔深403.2 m,终孔孔径580 mm,平均机械钻速2.5 m/h,从应急响应到救援提升总用时311.95 h,救援整体时效性提升47%。(3)就救援时效性而言,救援准备阶段的提升效率要优于救援实施阶段,且应急响应能力的提升途径更易实现,因此在钻探工艺和装备提升不大的情况,矿山救援队应着重提升应急备战和快速反应能力。研究结果可满足400 m以浅矿山地面应急救援需求,可指导矿山救援队建立应急响应机制,为大直径救生孔的施工设计提供参考,对矿山地面钻探应急救援具有指导意义。

基于COMSOL的电化学水听器幅频特性数值仿真分析

针对水下声波探测对低频、高灵敏度电化学水听器的需求,该文利用多物理场耦合分析软件COMSOL仿真分析电化学水听器敏感结构流道长度,阳极、阴极通孔直径,阳极、阴极孔间隔对其频率特性和灵敏度影响。仿真结果表明,流道长度对水听器的幅频特性和灵敏度影响相对不明显;随着阴极通孔直径的增大,水听器灵敏度降低,而频率特性变化相对不明显;随着阴极孔间隔的增大,水听器灵敏度降低。上述结果为电化学水听器的结构和性能优化设计提供有效指导。

黄陵二号煤矿煤层瓦斯高效预抽技术

为提高顺层钻孔布置钻孔的精准度和科学性,以Fick扩散定律、Darcy定律、理想气体状态方程和广义Langmuir方程为根据,建立含瓦斯煤体流固耦合数学模型,运用COMSOL Multiphysics模拟软件分析钻孔直径、布孔间距对钻孔预抽煤层瓦斯的影响规律。结果表明,在一定范围内钻孔直径越大时,煤层瓦斯压力衰减范围越大,有效影响半径也越大;在不同布置钻孔间距下,靠近钻孔位置的瓦斯压力最小,而远离钻孔位置的方向,瓦斯气体压力逐渐增加;当要求预抽时间内达成预期抽采目标时,预抽钻孔直径90 mm、布孔间距6 m为最优布孔方案。

大口径地面钻孔救援技术与装备发展

大口径地面钻孔救援技术多次在矿难救援中得到成功应用。但由于地层的复杂性、装备及工艺适配性不足等各方面的限制,影响了地面钻孔救援的施工效率。本文以矿难大口径地面钻孔救援装备和大口径钻孔快速钻进技术为主线,分析了目前地面钻孔救援技术存在的主要问题,并针对性地提出了应对措施,包括研发双动力头钻机、跟管钻进技术、高效套管焊接技术、潜孔锤钻进技术以及反循环钻进技术等,以期为今后矿难大口径地面钻孔救援施工技术及装备研发提供建议与技术基础,进一步提升钻孔救援的施工效率,加速构建科学的矿难救援体系。

巷道钻孔卸压中孔径对卸压效果的影响

为了探究钻孔泄压中不同钻孔直径下巷道周围垂直应力与钻孔周围垂直应力的分布特征,通过对单一钻孔周围进行受力分析,利用FLAC^(3D)数值模拟软件,采用控制变量法分别开展了钻孔直径为100、150、200、250 mm的巷道应力分布模拟实验。结果表明,钻孔直径越大,巷道两帮应力集中区的最大集中应力越小,而钻孔之间的最大集中应力越大。

多级变径随钻扩眼器研制及刀翼受力与钻压分配分析

深层小井眼采用随钻扩眼器进行扩眼作业时存在井眼缩径、固井质量差和卡钻频繁等问题。为解决该问题,基于随钻扩眼器基本结构和工作原理,采用新型变径结构,研制了一种多级变径随钻扩眼器;建立了随钻扩眼尺寸与主动活塞轴向位移之间的函数关系,并分析了扩眼器刀翼的受力情况;采用双因素计算方法分析了该扩眼器的钻压分配情况,得到了随钻扩眼器钻压分配比对扩眼尺寸、钻具锐度及地层抗压强度的影响规律。分析得知,随钻扩眼器的钻压分配比与钻遇地层抗压强度、扩眼尺寸呈正比,与扩眼器锐度呈反比,该扩眼器的理论井径扩大率为7%~20%。研究认为:对随钻扩眼器进行钻压分配分析,可以指导扩眼器的设计及领眼钻头的选型;研制的多级变径随钻扩眼器为提高扩眼效率提供了技术支撑。

水介质预裂爆破顶板裂纹的扩展

针对坚硬顶板空气为不耦合介质,外加控制孔后爆破孔间裂纹扩展不佳的问题,以山西永宁煤矿10204沿空留巷工程为工程背景,使用LS-DYNA动力有限元模拟软件,研究外加控制孔后水为不耦合介质时水环半径、控制孔直径、不耦合系数、孔间距对孔间裂纹扩展及孔间测点峰值有效应力的影响规律,并进行了现场验证。研究结果表明:水与空气半径比值从0增加到1时,孔间贯通裂纹数量增多,由1增加到无穷时,孔间裂纹的贯通数量没有明显的提高;控制孔直径由45 mm增加到65 mm时,孔间贯通裂纹数量增多,控制孔直径65 mm增加到75 mm时孔间贯通裂纹数量增加不明显;不耦合系数为水时都在不耦合系数为2.0时最佳,相对于不耦合系数为1.51、2.0、2.3时峰值有效应力高出15%、19%、24%左右;随着炮孔间距增大裂纹数量呈现先增大后减小的趋势,间距700 mm时孔间裂纹扩展效果最佳,间距超过1000 mm后孔间裂纹数量明显减小仅有一条主裂纹贯通。

瓦斯抽采影响因素及布孔参数优化模拟研究

为优化瓦斯抽采钻孔布置参数,基于流—固耦合模型,采用Comsol软件建立三维数值模型并进行解算,分析了钻孔间距、钻孔长度、钻孔直径和抽采负压4种参数变化对瓦斯抽采效果的影响。结果表明,钻孔间距和钻孔长度是影响抽采效果的重要因素,抽采负压和钻孔直径的变化对抽采效果影响较小。研究给出了钻孔长度、钻孔间距、抽采负压和钻孔直径的合理数值,可供类似条件借鉴。

富康源矿瓦斯抽采以孔代巷技术研究与实践

针对富康源矿复杂的顶板岩层地质条件和瓦斯赋存运移特征,开展了以孔代巷技术研究,从采动裂隙发育规律和钻孔抽采特征方面,分析了高位水平长钻孔和大直径定向钻孔替代顶板抽采巷的技术原理。通过高位水平长钻孔的施工及抽采效果,探明顶板地层详细信息,以此优化定向钻孔层位布置、钻具组合和钻进参数。抽采效果表明,该抽采模式可以在2106工作面应用,研究可为井下瓦斯高效抽采与治理提供借鉴。

“以孔代巷”在石炭系特厚煤层瓦斯治理中的应用

为了探索高位定向大直径钻孔代替高抽巷在大同区域治理瓦斯的可能性,同时针对永定庄矿特厚石炭系煤层综放开采过程中,低位顶板抽放巷道治理采空区、上隅角瓦斯,存在工程量大、施工周期长、严重制约工作面正常采掘衔接的问题,以永定庄矿3-5#层8102工作面为试验工作面,通过对覆岩层规律的研究,给出了“以孔代巷”实施方案,运用KA-NC-1智能钻孔轨迹校验仪精准控制钻孔施工轨迹至预定位置,管道多参数测定仪对单孔和钻场的抽放效果进行了监测收集、记录,人工取样化验、KJ73监测监控等多种手段对工作面回采期间多位置的瓦斯情况进行了分析。结果表明,高位定向大直径钻孔抽放系统,能有效缩短瓦斯治理周期,解决采掘接替紧张的局面,提高煤炭资源的采出率,为大同矿区、石炭系特厚煤层开采瓦斯治理提供了新思路,也为“以孔代巷”技术的推广起到示范作用。

综放工作面瓦斯抽采最优钻孔参数研究

针对平煤某矿己15-24070(下)综放工作面瓦斯含量高、易超限影响安全生产的难题,采用COMSOL数值模拟软件建立三维抽采模型,结合固体力学、达西定律,研究了钻孔间距、钻孔直径对卸压范围和瓦斯压力衰减规律的影响,确定出合理抽采参数。在此基础上,提出己15-24070(下)综放工作面采用平行钻孔布置方式。现场实践表明:恰当布置钻孔间距、钻孔直径能够显著提高瓦斯抽采率,从卸压瓦斯抽采量角度考虑己15-24070(下)综放工作面钻孔间距3~5 m,直径0.1~0.133 m时,工作面顺层钻孔瓦斯抽采效率达到29%,抽采效果明显。

大径孔预抽煤巷条带瓦斯技术的优化及应用

针对孟津煤矿二2煤层弱突出危险性的特点,以及11031工作面胶带、轨道顺槽掘进速度缓慢的问题,研究不同孔径钻孔的卸压范围和抽放效果。采用大直径钻孔,钻孔分区式布置对现有区域消突技术进行优化,孔径113 mm的抽放钻孔单孔抽放瓦斯纯量为孔径94 mm的1.8倍。表明大径顺层长钻孔的应用,能够有效消除煤巷预抽条带瓦斯突出危险,提高掘进速度,确保掘进工作面的安全生产。

渗流场中排水孔直径、间距及深度对排水效果的影响

应用三维有限元分析了大坝地基渗流场中排水孔直径、间距及深度对排水效果的影响。分析结果表明,孔径对排水效果的影响很小,而孔距和孔深的影响都较大。本文算例,当孔深小于20 m时,孔深的影响超过孔距,当孔深超过20 m时,两者影响相近。

以孔代巷瓦斯抽采布孔间距模拟及试验研究

为解决借鉴埋管抽采技术经验或仅依据采空区瓦斯分布模拟来确定以孔代巷瓦斯抽采技术布孔间距可靠性不高的问题,以腾晖矿2-105工作面为试验区,先模拟不同布孔位置的采空区瓦斯浓度分布;再模拟采空区流场情况;根据采空区瓦斯浓度分布和流线轨迹变化趋势分析钻孔对上隅角瓦斯的影响,以此来确定以孔代巷瓦斯抽采布孔间距;最后将模拟确定的布孔间距应用到2-105工作面以孔代巷瓦斯抽采的现场试验中,并将现场数据与模拟结果进行对比验证。结果表明:通过模拟所确定的布孔间距能保证上隅角瓦斯体积分数一直被控制在0. 8%以下,解决了2-105工作面上隅角瓦斯超限问题。

大断面硬岩巷道中深孔爆破试验研究

充分利用设备潜能,加大炮孔深度和炮孔直径,采用中深孔爆破技术,减少辅助作业时间,加快巷道掘进速度可获得较大的经济效益。在试验中通过采用较大炮孔直径和装药直径,并不断完善掏槽方式和光面爆破参数,优化设计方案,最大限度地发挥底部集能掏槽形式掏槽爆破的技术优势,提高掏槽效率。同时加强现场组织管理,试验研究取得了良好的效果,掘进循环进尺和巷道周边成型质量明显提高。

易失稳火成岩气井欠平衡钻井技术关键

冀东南堡5号构造深部沙河街组储层物性差,孔隙度和渗透率较低,以往常规过平衡钻井过程中多发生漏失,严重伤害了储层。为了有效地发现和评价5号构造深层天然气含气情况,冀东油田开展了南堡5号构造沙河街储层欠平衡钻井技术的研究与应用。由于沙河街储层的坍塌压力比孔隙压力高,不满足欠平衡钻井的压力窗口。通过对南堡5号构造深层沙河街砂泥岩及火成岩地层井壁稳定性分析,研究发现当欠压值合理的情况下,井径扩大率达20%后的坍塌压力小于地层孔隙压力,可以满足欠平衡钻井及探井井身质量的要求,通过6口井的成功应用,证实该理论是可行的,同时也表明在井壁稳定性差的南堡5号构造沙河街地层可实施液相欠平衡钻井技术。

射流式旋涡发生器对涡轮流动分离控制

通过数值计算,研究了稳态小孔射流式旋涡发生器VGJs(Vortex Generator Jets)对低雷诺数涡轮流动分离的控制。通过对VGJs射流孔径、孔间距的几何参数研究,分析了射流对分离流动的控制机理。在此基础上,提出并详细研究了多种不同孔径射流孔组合排列结构对分离流动的控制效果与作用机理。研究结果表明,射流孔组合排列结构,以大孔射流为主,采用小孔小流量射流对大孔射流控制的分离流场进行"弥补"与调节,可实现总压损失进一步降低22%,射流流量减小25%。

煤矿区地面大直径钻孔成孔关键技术与装备

根据井下巷道的布设情况,以及地面大直径钻孔与巷道的不同连通方式,提出2种孔身结构设计方法。在此基础上,为提高成孔效率,结合煤矿区地面大直径钻孔主要成孔工序,采用理论分析及工程总结的方法,分别对导向孔钻进、扩孔钻进、下套管及固井等成孔关键技术进行论述,并介绍了典型施工案例,总结了配套装备技术现状,重点分析了集束式气动潜孔锤反循环钻进工艺及配套机具,提出了大直径钻孔成孔技术与装备发展趋势。实践表明:空气潜孔锤钻进工艺和下导管钻进工艺能够提高导向孔钻进效率,气举反循环钻进工艺及集束式气动潜孔锤反循环钻进工艺可提高扩孔钻速,提吊浮力法下套管及内插法固井工艺能够满足套管安全下放及固井质量要求;上述成孔关键技术及配套装备可为煤矿区地面大直径钻孔快速成孔提供技术支持。随着工艺技术的持续改进和配套装备的不断完善,在国家重点研发计划的支持下,集束式气动潜孔锤反循环钻进工艺有望成为煤矿区地面大直径钻孔核心钻进技术,最终发展成为应对矿山应急抢险救援的可靠技术体系。

扇形孔爆破落矿大块产生机理及控制研究

针对程潮铁矿无底柱分段崩落法井下扇形孔爆破落矿大块率偏高影响安全生产的现状,利用现场调研数据进行大块产生机理分析,得出大块分布规律,指出孔底距偏大是导致大块率偏高的主要原因,并针对性地提出2种扇形孔改进方案。通过相似模拟试验研究分析得出改进后的方案大块率大幅度降低,并指出大块率随着排距的降低而减小。通过数值模拟研究得出爆破应力波在相邻炮孔间的叠加效果,提出存在某种合理的范围,当相邻炮孔爆破应力波在这范围内相互叠加或碰撞时,应力可以得到几何倍数的增加;而小于这个范围时爆破应力却出现降低的情况;当超出这个范围时,应力波的叠加或碰撞程度表现得很低。在现场实施改进后的扇形孔布孔方案后,大块率得到显著的降低。

钻井液密度对井眼缩径影响的黏弹性分析

采用开尔文-沃伊特流变模型,推导出了均匀地应力下盐膏层井眼缩径的黏弹性解析解,得到了实际可以测量到的井径变化值,并分析了钻井液密度对井眼缩径的影响。对江汉油田王斜78-1井进行了实例分析,结果表明,盐膏层井眼缩径与岩层自身蠕变特性密切相关,井眼缩径率随着时间的增加而减小且最后趋于一稳定值,随着钻井液密度升高,井眼缩径率降低,当钻井液密度升至某一值时,井眼缩径率降至零,此密度即为临界钻井液密度(王斜78-1井的临界钻井液密度为2.4 kg/L)。钻井液密度高于此临界值并依据岩层自身蠕变特性合理安排作业时间是保证钻井过程中不发生缩径和卡钻等事故的必要条件。