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。

Mathematical simulation of burden distribution in COREX 3000 shaft by discrete element method

The distribution of reducing gas in a shaft furnace dominates the temperature profile,gas utilization ratio,metallization degree and is the overwhelming factor for stable,high productivities and low-energy-consumption operation.At the same time,the distribution of gas flow is mainly determined by the position of gas inlet,the packed bed porosity distribution as well as its change due to the difference on the mode of top charge and bottom discharge.When injecting position of the process is fixed,the charge mode is the only means for regulating the gas flow distribution.In this paper,a numerical simulation model of burden distribution in the shaft furnace of COREX 3000 has been developed to analyze the porosity distribution under the different charge modes by means of Discrete Element Method(DEM).The effects of the particle size and its distribution under conditions of different charge batches,chute angle,stoke line on the burden surface shape and burden bed particle size distribution and segregation were investigated,and then the porosity distribution in the shaft of corresponding charging pattern was quantitatively accessed.Therefore,the results can be used to optimize the charge patterns base on required gas distribution.

地下工程竖井定向连接四边形法最优图形分析

为了提高地下工程竖井定向精度,阐释了连接四边形法竖井定向方法,用一个角和一条边为参数确定对称四边形,构建了连接四边形严密平差模型,采用间接平差进行网形精度评估。编写程序遍历条件角和条件边计算定向边精度,绘制等值线,定量分析连接四边形法最优图形。该研究对于地下工程竖井定向具有实际应用价值。

鹤壁九矿工作面开采对副井井筒采动影响分析

煤矿副井是地下开采活动的重要通道,肩负着矿井的人员提升、物料运输和通风等重要功能,在井筒保护煤柱开采中对井筒稳定性的研究至关重要。以鹤壁九矿新副井保护煤柱内工作面开采为研究对象,利用概率积分法计算井筒移动变形规律,并以此为基础,通过Drucker-Prager准则对井筒全段岩层的破坏情况进行判定,以此来评价开采方案对新副井的采动影响,可为煤矿的生产规划提供依据,为类似条件矿井井筒保护煤柱开采提供理论指导。

Numerical Analysis of the Structure of High-Strength Double-Layer Steel Plate Concrete Shaft by Drilling Method of Water-Bearing Weak Rock Formation

In order to ensure the safety of coal mine shaft construction, a double-layer steel plate concrete composite shaft wall structure was proposed. However, fewer studies were conducted on this structure, which made engineers too confused to fully recognize its feasibility of this structure. Hence, based on the previous experimental research on the Taohutu mine construction project in Ordos in Inner Mongolia, this research paper aims to provide a widely deep numerical analysis by the usage of the finite element software, in fact, to establish the corresponding numerical analysis model and make a comparison with the experimental data to get the rationality of the verified model. The influence of the composite characteristics of the steel plate and concrete on the ultimate bearing capacity and stress field of the shaft wall structure is studied here through the method of multi-factor analysis. Also, the optimal design scheme of the double-layer steel plate and concrete composite shaft wall structure is proposed in this research paper.

反井钻机施工大直径风井工程结构稳定性评价方法研究

针对大直径反井工程在扩孔期间的围岩稳定性问题,提出了一种考虑反井钻井法工艺特点的竖井结构稳定性评价方法,确定了围岩自稳能力是其关键因素,基于强度折减法,提出了以围岩稳定系数为核心的井帮围岩自稳能力定量评估方法,通过数值模拟手段确定了围岩极限自稳状态的强度折减系数k0,并以此作为围岩的稳定系数。为解决工程实际问题,提出了预防空帮失稳的工程处理措施,在扩孔阶段实施随钻临时支护作业,实现围岩的快速封闭。最后以李家壕煤矿回风暗立井工程作为研究对象,提出了局部失稳风险评估意见,并依托工程实践对评估准确性进行了验证,其结果表明评估结论与实际结果一致,验证了该井帮围岩稳定性定量评价方法及工程处理措施的有效性。

基于响应面法和粒子群算法的电机轴多目标优化

为满足新能源汽车电机轴的轻量化设计需求,文中提出了一种基于响应面法和粒子群算法相结合的多目标优化方法。以电机轴的内径为设计变量,在满足强度约束的条件下,将电机轴质量、多危险截面处等效应力和1阶临界转速作为设计目标构建了多目标优化模型。建立Box-Behnken试验设计得到4因素3水平的有限元分析试验方案,采用最小二乘法拟合了各子目标的高精度响应面方程,并根据各子目标的重要程度引入影响因子,建立了统一的全局优化目标函数。最后,结合惯性权重线性递减的粒子群算法对全局目标函数进行了寻优。优化结果表明:电机轴的质量减小了4.8%,1阶临界转速提升了8%,且两处危险截面的等效应力分别减小了2.9%,2.5%。

基于CUF理论的旋转轴自由振动特性分析

基于卡雷拉统一定理(Carrera unified formulation,CUF)建立了经典边界条件下旋转轴的动力学分析模型。利用CUF框架,将完整的三维动力学模型简化为具有三维求解精度的一维动力学模型。旋转轴的位移场利用二维泰勒公式和改进傅里叶级数进行构建,边界条件则采用罚函数法进行处理,然后结合能量泛函和Hamilton原理对其振动特性进行求解。通过与有限元结果进行对比,验证了此方法的有效性和正确性。在此基础上,研究了边界罚函数因子、几何参数和旋转速度等参数对旋转轴振动特性的影响。该方法具有高效和高精度等特点,为研究旋转轴的振动特性提供了有效的分析手段。

下沉式竖井掘进工法在软土地区的应用研究

城市地区的深层地下管网建设产生了大量超深竖井建设需要,而传统施工技术难以同时满足超深竖井施工低影响、高效且节约的需求。为此,本文介绍了一种新型施工技术——下沉式竖井掘进工法(VSM),与沉井工法、地下连续墙围护开挖工法等传统施工方法相比,该工法具有施工速度快、环境友好、工程造价低等优点。通过对VSM工法特点的总结,探讨了基于该工法的超深竖井设计要点。该工法应用于软土地区时,应注意需要满足土体抗隆起稳定性及地基承载力要求。最后,介绍了上海软土地区首个采用VSM工法的超深竖井工程。对该竖井施工过程的监测结果表明,VSM工法在上海软土地区有较好的适用性,竖井开挖施工对周边环境的影响可满足上海地区环境保护等级为一级的基坑变形控制要求。

正井法在水利工程超深竖井施工中的应用

随着水利工程隧洞总里程的增长,高埋深隧洞也逐渐增多,施工竖井已成为特长高埋深隧洞缩短工期、降低工程成本的首选方案。正井法主要应用于特长高埋深隧洞竖井的施工,具有施工工程量小、成本低等特点。本文旨在基于新疆喀双输水隧洞工程竖井建设实例,对正井法的应用进行探讨和总结,以期对其他水利工程中大断面超深竖井的施工提供有益的借鉴和参考。

圆形超深竖井基坑逆作法施工全过程内外衬协同作用分析

依托上海某超深竖井基坑工程,对超深地下连续墙施工、开挖、内衬逆作等各施工阶段内外衬及地层变形规律进行理论与实测分析,得到主要结论如下:内外衬协同作用显著,随挖深增加,内外衬变形同步增长,而内力呈此消彼长的变化规律;圆形竖井结构的内外衬内力分担比与内外衬墙厚比接近,但与二者的刚度比相差较大,二者弯矩平均分担比趋向40%和60%;内衬对变形的约束作用随开挖深度而增强,其及时施作对超深竖井的变形控制具有关键影响。研究结果可为软土地区圆形超深竖井结构的设计与施工提供参考。

料斗倾角对气基竖炉布料过程中物料流动及分布的影响

球团矿离开料斗时的颗粒偏析会影响其在气基竖炉内的分布,分布不合理将影响还原气的利用率建立20°~70°倾角的料斗、导料管、溜槽、气基竖炉三维模型,基于离散元法研究物料从料斗到气基竖炉布料过程中的流动和分布结果表明:排料时,20°~25°倾角的料斗内炉料流型均为整体流,30°~55°倾角的料斗内炉料流型均为混合流,60°~70°倾角的料斗内炉料流型均为漏斗流漏斗流促使料层形成快速流动的中心通道,大颗粒会更早地离开料斗进入炉内,在落点区域堆积,导致料斗内大颗粒负偏析、竖炉内落点区域大颗粒正偏析20°~35°倾角的料斗布料后,炉内孔隙率偏差分布在000383~000468,倾角增大,孔隙率偏差增大改变炉料-料斗静摩擦系数、炉料批重、料斗半径等参数,发现料斗倾角是影响布料过程和结果的主要因素,孔隙率偏差仍随料斗倾角的增大而增大。

基于似然函数筛选法的旋转轴唇形密封可靠性关键设计因素研究

基于油封的有限元和数值计算模型,分析油封的设计参数对其静态和动态密封可靠性的影响规律。将油封的初始安装过盈量、油侧唇角、空气侧唇角、腰厚、腰长、理论接触宽度、卡紧弹簧的弹性模量、油封主体橡胶的硬度8个设计参数的标准化数据作为输入向量,将油封唇口最大接触压力、泵吸率和摩擦扭矩的标准化数据作为输出向量,建立响应面模型,以输出向量方差得到各设计因素的似然函数值作为评判指标,确定各设计参数对油封密封可靠性的影响程度。结果表明:橡胶硬度、理论接触宽度、弹簧弹性模量、过盈量、腰长对油封动态密封可靠性的影响较显著,油封唇口最大接触压力对弹簧弹性模量、理论接触宽度、橡胶硬度、腰厚、油侧唇角较敏感。综合考虑旋转轴唇形油封的静态和动态可靠性,得到影响其可靠性的关键设计因素为理论接触宽度、弹簧弹性模量和橡胶硬度。

动力传动轴动平衡工艺研究与应用

某型动力传动轴结构复杂,外表面花键涂层不允许磨损,动平衡在工作全转速下进行,高转速旋转时不平衡量值会产生波动,对动平衡工装及工艺方法要求高。开展动力传动轴动平衡工艺研究,采用理论计算和平衡试验相结合的分析方法,通过动平衡工装设计优化,采用如双频测速、雷达图监控、不平衡量的矢量图等分析先进动平衡方法,实现了动力传动轴动平衡故障和难点攻克,形成了一套实用有效的平衡工艺流程。

富水砂层斜井明挖段三维冻结温度场时空演化规律研究

为解决冻结斜井明挖段施工过程中,斜井冻结温度场难以准确预测导致开挖时间及速度无法确定的工程难题,以升富煤矿冻结斜井明挖段为研究对象,基于实测地层特性及冻结孔布置参数,采用COMSOL Multiphysics有限元软件,构建三维冻结温度场数值计算模型,对冻结斜井明挖段施工期间温度场的时空演化规律进行数值计算预测分析。计算结果表明:在相同冻结时间条件下,细砂层冻结壁平均温度比中砂层低0.28~2.39℃,细砂层冻结壁有效厚度比中砂层厚0.36~0.59 m。在持续冻结88 d后,明挖段冻结壁平均温度低于-12℃,且不同层位的侧帮冻结壁厚度均能达到4 m以上,底板处的冻结壁厚度均达到5 m以上,满足设计开挖需求。在开挖期间,井帮位置暴露的土体存在“热流侵蚀”现象,但在快速开挖施工的条件下,冻结壁的有效厚度并未减小且冻结壁平均温度仍处于-10℃以下,因此开挖过程中不会发生大范围的冻结壁“软化”现象。基于预测结果,制定了现场开挖方案,由现场实测数据可知,在开挖过程中测点及井帮温度出现轻微波动,但整体温度发展趋势较为稳定,表明施工期间冻结壁是安全稳定的。研究成果可为斜井冻结法凿井的安全施工及优化设计提供参考。

“科技乙方”商业服务模式创新及应用

基于矿山特殊施工高科技企业专业和核心技术优势,研究提出了“科技乙方”商业服务模式,通过提供科技含量更高的产品和服务,有效释放新质生产力的科技效能,该模式成功解决特殊凿井领域中大量“卡脖子”技术难题,并引领我国地下工程特殊施工技术的发展。“科技乙方”以技术力量实现价值创造,主要服务产品包括冻结技术、注浆技术、钻井技术及装备、智能化建井设计及建设、国家重大引调水技术服务。“科技乙方”是“技术+装备+工程”整体解决方案的提供商,在实施过程中对新出现的技术难题即时研究解决能力更加突出,已经在山西省中部引黄工程地面定向钻孔预灌浆工程和涌水应急抢险堵水工程中得到了实践检验。

带倾角长艉轴的新型安装方法

若船舶艉轴长度过大,则无法直接从艉轴支架与艉轴管之间的空间将艉轴送入艉轴管;若轴系中心线与船舶基线存在倾角,则无法将艉轴直接水平送入艉轴管。针对上述情况,利用专用工装托架和模块化运输车,对带倾角长艉轴的安装过程进行分解。以长度为17 m、倾角3°的艉轴为例进行三维仿真模拟。结果表明,所提出的安装方法可行。

工业蒸汽透平与离心压缩机轴系装配研究

工业蒸汽透平驱动离心压缩机的机组在石油、石化行业有广泛应用,其是否可以持久、稳定地运转直接决定该石油石化装置的效益产出情况,机组的轴系找正精度又是其能否长期稳定运行的关键因素,若安装过程中存在较大误差,会造成安装工作返工,机组振动异常,推力轴承温度过高,支撑轴承温度过高等问题,直接影响机组运行。该文主要剖析该装置的轴系布置原理及安装找正方法,轴向找正利用两表法消除蒸汽透平与离心压缩机转子的轴向窜动,利用两轴同盘的方法消除打表盘端面跳动误差,径向利用单表法和两轴同盘消除打表盘外圆的跳动误差,以提升轴系装配精度。

竖井正井法与反井扩挖法施工适应性分析

工程施工随着施工工艺、机械化、智能化技术不断发展,竖井施工主要包括正井法与反井扩挖法以及竖向掘进机法,不同的施工工艺、环境和方案对其影响较大。基于此,文章从竖井正井法与反井扩挖法施工工艺出发,对比分析不同工况下竖井正井法与反井扩挖法施工适应性与优缺点,并对两种施工工艺进行探讨,对不同工况下正井法与反井扩挖法施工过程中方案、技术及风险管控措施进行优化,确保竖井正反井施工安全、快速。

基于不完整井非稳定运动的立井井筒涌水量预测研究

针对立井掘进期间采用“大井法”预测井筒涌水量与实际情况相差较大的问题,以黄蒿界煤矿回风立井为研究对象,分析了勘探时期“大井法”井筒涌水量预测结果产生偏差的原因,结合延安组含水层实际水文地质条件,选取与其相适应的地下水向承压水不完整井非稳定运动的公式对立井涌水量进行了预测,预测结果表明,初期井筒涌水量较大,为131.98 m^(3)/h,但衰减较快,1 d内可衰减61%,至51.66 m^(3)/h,之后涌水量衰减较慢,趋于稳定,井筒涌水量预测结果与黄蒿界煤矿实际井筒疏降水量较为接近,说明该方法预测精度相比“大井法”更高。