煤矿救援钻机井口平台的结构设计与优化研究

救援钻机是煤矿应急处置的关键设备,是事故发生后的紧急救援工具。现有地面应急救援车载钻机整体井口平台结构形式不灵活,存在开口孔径小、拆装困难、不能满足大直径钻头和套管下放的问题。基于此,结合救援施工要求,提出了一种模块化且大开口车载钻机智能井口平台总体方案。模块化井口平台具有快速对中、夹紧、自动调平、满足多系列大直径钻具要求的特点。采用数值模拟方法对U型井口平台进行分析,并根据原结构的分析结果提出优化结构。结果表明,优化后的结构应力优于原始结构,为救援钻机结构设计与优化提供了重要支持。

煤矿救援钻机换杆系统研制及应用

煤矿救援钻机在大直径救援孔施工中需要进行大量换杆作业。针对传统溜槽式换杆机构存在劳动强度大、安全性差、工作效率低等问题,研究适用于常规钻具的钻杆运移和快速存取方法。设计举升式钻杆运移装置和自动排杆装置,实现钻杆在钻杆箱与井口平台间的往返输送和自动排放;采用电液远程控制系统完成钻机换杆作业的远程控制,最终形成一套适用于地面救援孔钻进的煤矿救援钻机换杆系统。结构力学分析及现场工业性应用表明,换杆系统可实现钻机换杆作业由人力参与向人工控制的转变,减轻了工人劳动强度、提高了安全操作水平,提高了起下钻效率,为救援孔快速施工提供了装备保障。

救援车载钻机钻具自动拧卸系统研制及应用

救援车载钻机施工大直径救援孔时需要频繁起下钻具,钻具自动拧卸系统作为钻机起下钻拧卸钻具的重要组成,其拧卸效率和可靠性直接影响救援钻孔的施工效率与施工安全。针对目前矿山救援车载钻机孔口平台难以满足大直径钻具通过性要求、钻具拧卸自动化水平低等问题,研发可满足大直径钻具通过及快速对中、夹持、自动拧卸功能集成于一体的钻具自动拧卸系统。研制了可与钻机快速拆装的大开口液压孔口装置,可以实时监测和调节孔口装置的水平度,并且满足孔内钻具承载和不同工况的起下钻施工要求。研制了具有双导轨结构的钻具自动拧卸装置,可以实现液压吊卡起下钻和顶驱加装双臂钻具起下钻两种施工工艺。经过结构仿真分析、型式检验和现场工业性试验,最终形成一套大通径、结构紧凑、具有高负荷承载力,可实现手、自一体化一键上卸扣作业,满足850 mm集束潜孔锤起下钻要求的钻具自动拧卸系统,提高了钻具拧卸效率,为救援钻孔的快速施工提供了可靠的装备保障。

救援车载钻机平衡调速系统动态特性研究

平衡阀具有较好的负载保持功能和管路爆裂或严重泄漏阻止移动载荷的失控发生的优点。然而在救援车载钻机给进起拔系统使用时,由于救援车载钻机配套钻具重量大,平衡系统的合理匹配是设计难题。提出了采用平衡调速系统加强制补油系统方案,平衡调速系统实现提升下放速度平稳可控,强制补油可有效防止吸空情况,提高给进系统使用的安全和寿命;通过理论分析过平衡液压系统,建立系统动态模型,基于该模型,动态分析过平衡系统的压力流量特性,重点分析平衡阀参数对给进起拔系统动态特性的影响,并提出了过平衡系统参数匹配方法;通过台架试验对理论分析结果进行验证。结果表明:钻具质量对常规平衡系统输出有较大影响,在钻机给进起拔系统中设置过平衡调速系统,并合理匹配过平衡参数,可实现给进起拔系统的输出稳定性,同时避免吸空及速度失控的问题。

TMC90型钻机在煤矿事故救援中的应用

本文阐述了TMC90型救援钻机产品简介、技术参数,总结了钻机结构组成及应用注意事项,介绍了救援钻孔施工应用实例,分析了救援钻孔施工意义,对煤矿救援钻孔施工钻机选型具有指导意义。

矿山灾害生命保障救援通道快速安全构建关键技术与装备

矿山发生重大灾害事故导致井筒、巷道破坏,人员被困井下时,通过安全、高效地构建救援通道是最有效的救援方式。救援通道包括井下、地面2种形式,井下具备施工条件时,构建穿过坍塌段的大直径救援通道,是最直接的方式;井下不具备施工条件或易发生次生灾害时,则需先在地面快速、精准钻进小直径搜救孔,确定井下被困人员位置及身体状况,并及时输送给养,再构建大直径救援井,采用专用救援提升装备保障被困人员升井脱困。研究涵盖机械工程、钻井工程、电气工程、软件工程、流体力学、岩土力学、动力学、先进控制技术等多学科多领域,将理论分析、数值模拟、实验研究、型式试验、工程示范相结合,以“救援通道构建装备研制—生命保障通道构建技术开发—大直径救援通道构建技术开发—地面提升救援装备开发—技术与装备集成及工程试验”为主线,开发钻孔救援关键技术与装备。研制了3套应急救援集成装备,ZMK5550TZJF50/120型救援车载钻机最大提升力1200 kN、最大转矩50000 N·m,开发了钻机与配套机具的一体化集中控制系统,单根起下钻效率小于3 min/根;XZJ5240JQZ30型救援提升车开发了多传感器信息融合的通信监测控制系统,提升系统最大救援深度848 m;ZDG1500型井下大直径顶管机直径1630 mm,最大顶推力8541.2 kN。开发了复杂地层生命保障孔快速、精准钻进技术,地面大直径救援井精准、安全、高效钻进及透巷技术,井下大断面救援通道顶管快速施工技术3项矿山应急救援通道构建技术。在宁夏宁煤梅花井矿开展了国内首次生命保障孔及大直径救援井施工、救援提升的集成研究和工程示范,完成井径215.9 mm、井深670.5 m生命保障孔,用时46.83 h,井底水平位移偏移0.27 m,满足72 h黄金救援时间内成孔要求;完成井径830 mm、井深654.1 m救援井,井底水平位移0.19 m,介质溃入井下约7.5 m~3,并在救援井内成功进行了救援提升技术与装备试验。在广东省基础工程集团有限公司碎石场开展了顶管钻进工程模拟坍塌条件下的试验,施工长度102.5 m,日进尺43.92 m,顶进误差0.35 m。相关成果在湖南源江山煤矿、山东栖霞金矿、新疆丰源煤矿等5次矿山灾害应急救援中进行了应用。开发的3项救援通道施工技术及3套救援装备,构成了具有自主知识产权的矿山井上井下联合救援技术与装备体系,可满足600 m深度的矿山应急救援需求,为我国矿山灾害救援提供技术装备支撑。

矿山灾害应急救援通道快速安全构建技术与装备

为解决矿山灾害救援通道快速、安全构建钻进技术难题,突破国产装备研制瓶颈,研究复杂地层快速破岩成孔机理及复杂地层快速、精准钻进技术,开发高频冲击条件下钻进信息传输技术,形成地面小直径生命保障孔快速钻进及精准定向技术;开发大直径组合动力反循环钻进高效破岩排渣及安全透巷技术,形成地面大直径救援井高效、精准、安全钻进技术;研究车载钻机控制理论,研制救援车载钻机,钻机最大转矩50 000 N·m,最大提升力1 200 kN,研制安全快速提升装备。通过小直径生命保障孔快速精准钻进技术研究-大直径救援井高效安全钻进技术及装备开发-地面提升救援技术装备研发,形成地面救援通道构建及救援提升技术与装备集成,为矿山灾害应急救援提供技术与装备支撑。

大口径救援生命通道的施工工艺及钻具配置

在山东平邑石膏矿坍塌事故中,经过36天的救援,被困井下的4名幸存矿工从220 m深的井底全部获救升井,在救援过程中,采用了针对不同的地质条件,分别采取旋挖钻机、液压车载钻机以及双壁钻杆空气潜孔锤反循环、牙轮钻头双壁钻杆空气反循环、牙轮钻头空气正循环、牙轮钻头双壁气举反循环等钻井工艺进行救援生命通道的建造,取代了以往只采用单一钻机、单一工艺进行生命通道的建造,这使得矿山救援的成功率得到了提高。这次成功救援积累了矿山救援经验,为以后的矿山救援打下了基础。

布尔台煤矿采空区水位观测孔钻探工艺探讨

通过综合应用空气(空气压缩机)及Ф127 mm钻杆+Ф215 mm空气锤钻进和泥浆+Ф215mm三牙轮钻头钻进的施工工艺,在布尔台煤矿一盘区采空区施工了3个水位观测孔,获得了一些施工经验和教训。