大直径救援井安全透巷技术研究

透巷井段是指在救援井施工过程中,为防止上覆岩层出水进入巷道,并保障套管下入、固井时孔底动压力不对巷道顶板造成破坏,井底预留一定厚度的地层。为了实现安全、迅速提升被困人员到地面,要求救援井井径大、优快钻进、精确中靶,同时保持巷道顶板的完整性、控制泥浆涌入巷道。通过理论分析、数值模拟、现场应用等研究手段,优化了救援井透巷施工工艺。通过三维相似模拟,对巷道开挖顶板位移、钻进过程围岩扰动、透巷井段安全距离、套管下深进行研究,同时对空气潜孔锤反循环钻进工艺进行优化,有效封隔含水层及井壁不稳定地层,保证救生舱在救援井下放、提升顺利。以山西某煤矿避难硐室地面救援井为例,建立了巷道开挖、钻进过程数值模拟模型,模拟结果表明:(1)巷道和钻孔围岩岩体破坏的主要方式包括剪切破坏和拉伸破坏,且以剪切破坏为主,地层岩石黏聚力越小,围岩塑性破坏区宽度越大。巷道开挖后顶板塑性区高度达到9.59 m,顶板最大下沉量为15.9 cm。(2)地面大直径救援井钻进过程中,钻井破坏了地层原有应力平衡,引起周围地层的应力重新分布,造成周围地层产生移动变形和塑性破坏区,且以井眼中心呈对称分布,井壁水平位移的范围为20.3~90.5 mm,塑性破坏区宽度为1.43~1.82 m。(3)施加在井底载荷一定条件下,随着透巷距离的增加,开始巷道顶板有大的拉伸塑性应变,当透巷井段长度增加到15 m以上时,顶板塑性应变减弱,随着透巷距离继续增加,侧帮塑性应变受挤压作用增大。大直径救援井安全透巷技术研究,是对救援井施工工艺技术的进一步完善。

大直径救援井动载荷作用下安全透巷距离数值模拟

为了防止透巷作业时地层水和钻井液沿钻孔突然涌入巷道,造成井下被困人员二次伤害,采用ABAQUS岩土数值模拟方法,以山西坪上煤矿3号煤层巷道地面救援井为例建立模型,研究钻井动力扰动条件下巷道顶板围岩塑变特性规律,优化安全透巷距离。结果表明:动力扰动造成顶板围岩位移变形和塑性破坏,且以钻孔中心呈对称的锯齿形分布;轴向作用力对透巷顶板围岩的影响较大,安全透巷距离取值为16.53 m。模拟结果为优化安全的透巷距离提供了参考,实现了安全高效透巷的目的,为救生舱在救援井中安全下放、提升作业提供了保障。

大直径救援井干孔透巷关键技术及应用

为了实现地面大直径救援井安全透巷,在大直径井覆盖层和基岩层常规泥浆正循环、多级扩孔钻进基础上,研究了影响大直径救援井干孔透巷因素,主要包括反循环环空压力控制、反循环透巷遇强-弱含水层、透巷段预留安全距离及高效固完井方式。通过重点分析预留透巷段干孔透巷钻进技术原理、干孔透巷反循环装置、透巷分段排浆排渣钻进、安全透巷工艺、透巷位置选择及透巷距离确定,形成了一整套针对大直径干孔透巷高效钻进关键技术体系,实践验证效果良好,为地面大直径救援井干孔透巷钻进提供了技术支撑。

救援钻孔用双钻头扭矩自平衡钻进系统理论与实验

快速安全构建应急救援通道是在矿山事故发生后解救井下被困人员的有效方法,常规救援井钻进技术主要有潜孔锤冲击钻进技术和复合钻进技术,存在钻机结构庞大、钻进工艺复杂、对地层扰动大和中靶率低等不足,尤其在破碎地层易产生二次事故,很难有效满足救援要求。为确保救援钻孔的地层适应性和孔壁稳定性,提出了双钻头扭矩自平衡钻进方法,建立了双钻头逆向驱动数学模型,通过独立逆向驱动内外2个钻头实现双钻头的同步逆向回转碎岩,上部钻具主要受简单的轴向拉压力作用,对井壁产生的扰动微弱。同时,双钻头交替给进互相扶正,可有效防止孔斜,实现精确中靶。双钻头扭矩自平衡钻进系统主要包括近钻头驱动局部扭力闭式自平衡、内外钻头钻压调节和钻具传压隔扭3大部分。依据该系统的功能需求,设计了钻具整体结构系统,并利用有限元分析软件对内钻头传扭轴、调压丝杆和传压隔扭轴承座等关键部件进行强度校核与优化,研制了一套双钻头扭矩自平衡钻进系统功能样机。对整套系统双钻头同步回转、交替给进、系统密封和自动控制等进行一系列测试和调控检测,并开展针对软、中硬和硬3种不同岩性岩石的室内钻进试验,结果表明:该系统对孔壁和岩心的扰动小、中靶率高,在不同岩性地层均具有较高的钻进速度,验证了双钻头在近钻头驱动下扭矩自平衡的可行性,为矿山灾害生命保障救援通道的快速安全构建提供了一种安全高效的方法。