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。

精密镗床旋转轴几何误差完备性测量与辨识

针对四轴卧式镗床旋转轴需测几何误差的数目不统一与完备性缺失的问题,提出了基于形状创成函数的四轴卧式镗床旋转轴PIGEs形成机理分析方法与旋转轴完备几何误差测量辨识方法。基于形状创成机理构建了卧式镗床几何误差创成函数,确定了旋转轴可通过误差补偿进行调整的最少与位置无关的几何误差(Position-independent geometric error, PIGEs)数目。建立了卧式镗床旋转轴4项PIGEs、6项与位置有关的几何误差(Position-dependent geometric error, PDGEs)、6项安装误差(Setup error, SEs)与球杆仪(Double ball bar, DBB)测量轨迹半径之间的完备性函数模型,设计了基于DBB的四轴联动Viviani曲线测量轨迹,构建了旋转轴6项PDGEs的NURBS表征与PIGEs、SEs辨识方法。开展了误差补偿对比实验验证,结果表明,利用几何误差完备性测量与辨识结果进行误差补偿,较仅单一补偿6项PDGEs可提升圆轨迹测量精度40.69%。

预制孔洞煤样冲击力学特性及能量耗散试验研究

为研究冲击载荷下预制孔洞煤样力学特性及能量耗散规律,制备含轴向孔洞的直径50 mm,高50 mm圆柱体煤样,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,开展8个孔洞尺寸和3个冲击气压水平的加载试验研究,借助平面场应变测量技术(VIC-2D)和高速摄像机,分析了冲击加载过程中试件动态应力、动态应变、裂纹演化、破坏失效及能量耗散特性。结果表明:①在试验涉及的孔洞直径范围内,冲击载荷下完整与孔洞煤样动态应力-应变过程均呈现微裂隙压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。同一冲击气压下,随孔径增大,煤样动态抗压强度、动态峰值应变均降低;孔径由0增大至8 mm时,煤样动态抗压强度和峰值应变下降出现快-慢分区特征。与完整煤样以拉伸裂纹破坏为主不同,孔洞煤样主要以拉伸裂纹-剪切裂纹复合破坏为主,且随着孔径增加,试件内部裂纹扩展能力变弱。②揭示了冲击载荷下孔洞煤样的能量耗散规律:孔洞煤样透射能、吸收能与孔径呈负相关,反射能与孔径呈正相关,这主要由孔洞改变试件过波面积造成。随孔径增大,煤样过波面积降低,其吸收能和透射能随之降低,与冲击载荷下孔洞煤样破碎度与孔径负相关结论相一致。研究成果有利于明晰冲击地压巷道钻孔卸压机理,为冲击地压防治提供理论支持。

机液复合全通径丢手工具的研制及应用

针对超深碳酸盐岩长裸眼井酸压完井中常规丢手工具可靠性及通径能力不足的问题,研制了一种新型机液复合全通径丢手工具。该丢手工具集成机械丢手工具和液压丢手工具的优点,采用棘爪式承载结构保障在深井管柱下放过程中,对丢手工具的高抗拉需求,利用压差滑套作为棘爪解锁机构,实现工具全通径,棘爪解锁后再依靠机械剪切销钉进行管柱高效丢手。新研制的丢手工具,既能保障深井长裸眼内完井管具的安全下入及后期顺利丢手,又避免了管柱缩径节流问题,有效降低长酸压管柱摩阻,同时也为后期修井作业提供更多选择性。通过有限元分析,室内整机试验及现场应用评价,验证了新研制的机液一体全通径丢手工具性能的可靠性及实用性,累计应用46井次,一次到位和丢手成功率均为100%,其中最深7178.94 m,最大井斜角92.20°,具有广阔的应用前景。

基于IQPSO-EKF的多传感器融合姿态测量方法研究

为解决自动化竖井掘进设备的定位调姿精度对竖井、孔桩挖掘效率与质量的影响,提出了一种基于改进量子粒子群(IQPSO)-扩展卡尔曼滤波(EKF)的姿态测量算法,以提高微机电系统(MEMS)传感器测量精度。首先,对MEMS传感器数据进行了预处理(除噪、滤波、校准等);然后,参考现有飞行器的坐标系,建立了姿态解算模型,通过姿态角数学模型及运动学分析,构建了EFK状态方程,针对EKF方法参数估计不准确的问题,以分段混沌映射优化初始种群,引入平均位置最优值来避免陷入局部最优的IQPSO-EFK算法,优化EKF的系统、测量噪声的协方差参数;最后,对改进算法和三组姿态误差估计进行了对比实验。研究结果表明:对比三种典型目标函数,IQPSO-EFK相较于普通粒子群算法(QPSO-EFK)具有更强的寻优能力与收敛精度;对比三组旋转速度姿态测量误差,基于IQPSO-EKF算法的姿态测量方法在测量误差时比真实测量误差减少了约86.3%,比扩展卡尔曼滤波减少了约68.7%,比普通粒子群算法减少了约28.2%,证明该算法有效地提高了MEMS传感器测量精度。

煤矿冻结立井井筒机械破岩智能化建设工艺及关键技术分析

目前以钻爆法为主的短段掘砌综合凿井技术逐步成熟,煤矿立井建设深度已突破1000 m,逼近1500 m。然而钻爆法凿井依然存在下井作业人员多、作业环境恶劣、作业风险高和设备智能化程度低等现实难题,井筒非爆破破岩智能化建设技术已成为煤矿井筒建设技术发展的重要方向。为探索西部富水软弱地层井筒机械破岩高效智能化建设技术新思路,从井筒建设工艺、地质保障技术、智能钻井装备、协同作业技术4个方面,开展了煤矿冻结井筒机械破岩智能化建设工艺及关键技术分析。基于多工序平行作业快速建井的理念,以地层冻结技术解决地层涌水和软弱地层易失稳的难题,以反井钻机和竖井掘进机为机械破岩钻进的核心装备,提出了冻结井筒机械破岩智能化建设新工艺;提出“冻结+反井钻机钻井+永久支护”的建井工艺,分析了冻结地层反井钻机钻井装备可行性,剖析了冻结地层反井钻机钻井冻结壁控制、扩孔钻进、快速支护等方面的9项关键技术;提出“冻结+竖井掘进机钻井+钻-支平行作业”的建井工艺,分析了冻结地层竖井掘进机钻井装备可行性,剖析了冻结地层竖井掘进机钻井井帮稳定控制、破岩智能钻进和钻支协同作业等方面的9项关键技术,以期推动井筒安全、快速、绿色、智能化建设技术的发展。

不同钻进参数下反井钻机扩孔钻进速率与岩渣特征试验研究

通过不同钻进参数下反井钻机扩孔钻进斜井的现场工程测试与室内岩渣筛分试验,分析了不同钻进参数下扩孔钻头破岩钻进速率及其岩渣特征。结果表明:在单轴平均抗压强度41.6 MPa的砂岩地层中,获得了斜井反井钻机扩孔钻压、转速、扭矩等钻进参数与钻进效率之间相关关系;在试验范围内随钻压增加,扩孔钻进速率不断提高;在钻压为14 MPa、转速为9 r/min时,获得的最大扩孔钻进速率为1.41 m/h;在相同转速条件下,随着钻压增加,扭矩也同步升高,而扭矩与钻进速率之间呈线性正相关关系;通过筛分岩渣分析,扩孔钻头破岩形成的岩渣形态分为<0.50 mm的粉末状、0.50~<5.00 mm的颗粒状、5.00~40.00 mm的薄片状和>40.00 mm的大块板状或肋条状4类,岩渣粒度在10.00~20.00 mm范围内占比相对较高。研究成果可为快速判识反井钻机扩孔钻进效果和围岩稳定状态提供理论支撑。

金属矿开采天井机械破岩钻进工艺及关键技术分析

金属矿开采天井机械化、绿色化和智能化建设已成为技术发展的主要趋势,也是推动金属矿山开发高质量发展的重点任务之一。随着金属矿山开采逐步走向深部,高地压、高地温、高水压等地质条件的复杂性和恶劣作业环境的不确定性愈发突出,给服务矿井生产的各类天井工程建设带来很大难度和挑战。全面梳理了金属矿开采天井类型,分析了垂直天井、倾斜天井、切割槽(盲天井)的现有机械破岩钻进工艺;通过分析现有切割井钻机与反井钻机钻井技术装备现状及面临的难题,从高效钻进、智能控制、围岩控制和智能装备等方面,开展了切割井钻机与反井钻机智能化钻井关键技术分析;针对大直径、高中段天井现有反井钻机一次钻进能力不足,以及围岩破碎段高、软弱围岩变形量较大,易发生井帮失稳坍塌等问题,提出了不良地层大直径天井掘进机掘支一体化的建设新工艺,围绕机械破岩正掘工艺、全断面装备智能掘进、装备配套与安全悬吊、掘进机始发与拆机等关键技术,分析了天井掘进机钻井技术的研发方向,以期为金属矿开采天井安全、高效、绿色和智能化建设技术发展提供参考。

全断面竖井掘进机锥形刀盘破岩机理研究

刀盘刀具系统作为全断面竖井掘进机的关键组成部分,不同刀盘锥度及刀间距对滚刀破岩起决定性的作用。运用ABAQUS软件建立滚刀动态破岩模型,分析不同刀盘锥度和不同刀间距对滚刀破岩的影响,并获取了滚刀在破岩过程中的受力情况及破岩效率。结果表明:滚刀破岩效率随着刀盘锥度的增大而减小,滚刀破岩效率随着滚刀安装半径的增大而减小,综合滚刀受力、破岩效率和实际工况,得到刀盘锥度为120°、滚刀刀间距为40 mm时,滚刀破岩效率最高。为竖井掘进机锥形刀盘设计提供了理论依据,有效提高了竖井掘进机破岩效率和整机研制水平。

机械掘进技术在弱胶结软岩巷道中的应用实践

弱胶结软岩强度低、胶结差、易风化、遇水易泥化,采用传统钻爆法掘进时技术难度大、安全风险高、效率低、成本高。基于此,提出以悬臂式掘进机机械掘进代替传统钻爆法掘进的技术方案,并开展悬臂式掘进机机械掘工业试验。工业试验时间长达309 d、累计掘进进尺1 297.21 m、总工程量27 729.49 m^(3),悬臂式掘进机纯截割能力19.15 m^(3)/h,平均每日进尺4.2 m,平均每班进尺3.41 m。结果证明,采用悬臂式掘进机机械掘进技术可以有效解决弱胶结软岩岩体内钻爆法掘进过程中遇到的生产难题,机械掘进效率可以达到钻爆法掘进效率的1.4倍以上,并在大幅度提高掘进效率的基础上降低了掘进成本。研究成果可为弱胶结软岩巷道掘进提供技术参考。

某大口径火炮内膛结构对挤进过程身管内壁载荷的影响

弹丸挤进阶段火炮身管内膛处于高温高压快速挤压摩擦的恶劣环境。针对大口径火炮在弹丸挤进过程中身管内壁所受载荷较大、导致膛线起始部磨损严重的问题,以某大口径浅膛线身管为对象,研究不同内膛结构对身管内壁载荷的影响规律。通过分离式霍普金森压杆实验,构建弹带材料在高温高应变率下的本构关系,利用有限元计算分析了挤进过程中弹带的塑性变形情况、挤进阻力以及身管内壁载荷的变化规律,并分别建立考虑膛线宽度、膛线截面形状以及坡膛锥度等不同内膛结构下的三维热力耦合挤进有限元模型,计算得到不同内膛结构对挤进过程中身管内壁载荷的影响。研究结果表明,对于该型火炮,身管坡膛结构和膛线结构对内壁载荷均有显著影响。首先,坡膛锥度的增大会导致挤进阻力和身管内壁载荷的增大,同时挤进结束的时刻以及挤进阻力和身管内壁载荷达到峰值的时刻也会提前;其次,内壁载荷峰值会随着阳线宽度显著增大,但对导转侧顶部进行倒角可有效降低身管内壁载荷,其峰值在倒圆角后降低了9.87%,倒方角后降低了5.59%。所得研究结果有助于丰富基于身管寿命的身管内膛结构设计方法。

饱和黏土中能源群桩热力特性模型试验研究

为研究饱和黏土地基中静钻根植能源群桩不同运行方式的热力特性,采用自行设计的模型试验系统,测试温度条件下模型单桩和群桩的热力响应。通过埋置传感测试元件,得到桩顶位移、桩身应力、桩和桩周土温度、桩周水平土压力及孔隙水压力。结果表明:由于桩间热扩散,加热桩会对周围非加热桩造成影响,导致非加热桩桩身温度增加、桩顶位移上升,能源群桩的平均换热性能较单桩低;制冷工况下群桩的桩顶位移变化绝对值大于加热工况,需要考虑以确保安全性;由于群桩效应,与单桩相比,能源群桩桩顶位移变化更大,桩身附加温度应力更小;能源群桩的热力特性受运行能源桩数量影响,运行数量越多,温度对能源群桩的热力特性影响越显著,桩周土压力、孔隙水压力变化值越大。

酶诱导碳酸钙沉淀技术加固TBM壁后吹填豆砾石最优配比试验及机制研究

TBM(tunnel boring machine,简称TBM)隧道中豆砾石作为管片与围岩填充层对管片承载及抗渗具有重要意义,水泥浆液流动性差,无法充满回填层进而导致壁后空洞、灌浆不密实等缺陷,酶诱导碳酸钙沉淀(enzyme-induced calcium carbonate precipitation,简称EICP)技术是作为一种环保高效的加固方法,灌浆材料均为液体具有很好的流动性和扩散性,用于豆砾石回填层灌浆施工有望解决上述问题。为实现吹填豆粒石EICP灌浆最优效果,尝试将标准砂与豆砾石共同作为回填骨料,为定量化分析二者的最优配合比,开展了不同豆砾石与砂的配合比(0.5、0.75、1.0、1.25、1.5)和不同灌浆次数(9、12、15次)的砂柱固化试验。通过无侧限抗压测试、渗透性测试、碳酸钙含量测定、超声波速测定、扫描电镜(scanning electron microscope,简称SEM)试验,从宏观和微观角度分析不同石砂配合比对EICP固化效果的影响。结果表明:EICP加固豆砾石混合砂的最优配比为1:1.5,经15次灌浆加固后,试样单轴抗压强度最高可达4.55 MPa,渗透系数达1.72×10^(-5)m/s;对于含砂量较高的试样,颗粒间孔隙易被碳酸钙晶体填充密实,碳酸钙晶体有效胶结比例较高,结石体无侧限抗压强度较高。研究成果可为EICP技术加固隧道掘进机壁后吹填豆粒石的工程应用提供理论依据。

基于ADAMS-EDEM耦合仿真的月壤挖掘阻力分析

围绕月球资源开发的需求,提出一种五杆月壤挖洞机构。运用封闭矢量环法进行运动学分析,得出该机构末端点位移方程。根据Bekker半经验公式和朗肯被动土压力理论分别对挖掘铲的铲尖及铲面进行受力分析,得出挖掘铲进行月壤挖洞时所受合力方程。运用ADAMS-EDEM耦合仿真验证上述力学模型,证明该模型对机构挖洞时的阻力具有预测作用。

重型数控铣镗床镗轴进给机构的可靠性研究

探讨重型数控铣镗床镗轴进给机构的可靠性问题,以提高设备的稳定性和工作效率。通过分析进给机构在高负荷条件下的磨损与疲劳、零部件加工精度与装配精度、温度效应对机构的影响等问题,为优化和改进提供依据。通过新材料应用、结构设计优化、润滑与冷却系统改进和控制系统优化等方法,进给机构的可靠性显著提高,故障停机时间得到有效缩短,同时,也能大幅提高设备性能。

EBZ160掘进机行星减速器结构化力学分析

为进一步探究EBZ160型掘进机可能的优化路径,从实际案例入手,针对其因行星减速器结构而运行效率不足的问题,以轻量化的设计理念对行星减速器结构进行优化设计,明确其传动比、齿数与齿轮模数等关键参数信息,以此进行优化。而后对优化后的掘进机行星减速器结构进行有限元分析,结果显示,优化设计后的EBZ160掘进机行星减速器,不但实现了轻量化,而且完全符合在正常工况条件下对结构的强度要求,表明设计在理论上可靠安全,可进一步通过现场实验予以验证。

基于矿井巷道围岩地质力学特性的实测分析

本文拟定采用水压致裂法与钻孔触探法,测试了3条巷道的地应力参数或煤岩强度,对比分析了矿井地应力变化特征。测试主要结果为,ZF201回风巷测站最大主应力为16 MPa左右,属于中应力区;两个测点的垂直应力均小于最小水平主应力,应力场为σ_(H)>σ_(v)>σ_(h)型;与矿井6年前数据相比,因煤层顶板结构发生改变,导致最大水平主应力相差较大,其中测站1顶板以上0~5.3 m为4煤,其平均围岩抗压强度强度达到16.07 MPa,泥质砂岩深度为5.3~10 m,其平均围岩抗压强度强度达到40.43 MPa,测站2顶板往上0~9.7 m为4煤,其平均围岩抗压强度强度达到20.19 MPa;本试验数据可为本矿巷道支护设计提供依据。

复合地层沉井式竖井机械法掘进施工技术

竖井建井技术快速发展,但随之也带来了一系列的技术难题,尤其是施工地点在中心城区,建筑密度大,空间有限。针对于该问题,本文介绍了一种新型竖井施工工艺,复合地层下采用沉井式竖井机械法掘进,采用预制管片拼装成井的方法,重点探讨机械法竖井的施工工艺和原理,预制管片的设计和拼装方法等。通过收集施工过程中的各种记录,进行总结分析,找出影响复合地层中施工效率的因素,进行设备改进和工艺改良,有效地提升了施工效率,在投资节约、工期缩短、质量控制等方面都得到了提升,为今后该技术的应用和发展奠定了基础。

大直径钻孔灌注桩竖向抗压承载特性现场试验研究

文中结合某商业建筑项目,对大直径钻孔灌注桩进行竖向抗压静载试验,并分析钻孔灌注桩桩身的荷载传递行为。结果表明,钻孔灌注桩Q-s曲线呈现先近似线性增加后快速增加的趋势;卸载后位移回弹比例达到34.5%,大多数土体已经进入了极限状态;桩端阻力随着荷载的增加先小幅增加后快速增加;桩端阻力及桩端位移的关系曲线为先小幅增加后线性增加、最后趋于平稳阶段,线性增加阶段的曲线斜率为桩端阻力458.9 kN,桩端位移1 mm。

煤矿超600 m垂直输料井快速钻井工艺及其关键技术

随着煤矿开采量的增加和采区接续,煤矿井下辅助运输系统存在换装转运环节多、往返时间较长,辅运能力下降和综合效率低等问题,通过增设布置垂直输料井可提高煤矿辅助运输能力。以山西王坡煤矿超600 m垂直输料井的建设为背景,论证了地质钻机钻井法、石油钻机钻井法、风动潜孔锤钻机钻井法、竖井钻机钻井法、反井钻机钻井法等钻井工艺技术和装备的可行性;鉴于拟建垂直输料井下部已经形成的生产系统的有利体条件,确定了采用反井钻机钻井法施工深度617 m、直径1 m的垂直输料井的方案;针对垂直输料井地层条件和深度大、直径小的工程特点,给出了超600 m垂直输料井反井钻机钻井过程中导孔钻进偏斜控制方法、扩孔钻进反井钻机选型依据、扩孔钻进参数随钻控制方法和钻井安全措施,并完成了工程现场应用。