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。

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。

机械破岩试验平台研制

随着经济发展及科技水平的提高,硬岩掘进机、盾构机、反井钻机、巷道掘进机等机械在地下工程施工中得到了空前发展,机械破岩试验成为地下工程施工机械不可或缺的一个试验手段,以指导地下工程施工机械设计和施工。文章介绍了北京工业大学自主研制的机械破岩试验平台,该试验平台的设计制造综合考虑了高地应力、刀盘旋转和多个刀具同时破岩等工况,也考虑到不同破岩机械不同类型刀具破岩试验,还能在岩样箱中考虑到不同的岩体结构,可以真实模拟不同机械刀具的现场施工工况。试验平台由机械系统、液压系统、自动控制系统和数据采集系统组成。试验平台制作完成后,进行了多个不同工况的验证试验,达到了原定的设计要求。

水力辅助机械破岩的模拟实验

为提高钻井速度,开展了水力辅助机械破岩的全尺寸室内模拟实验研究。研究表明,目前石油钻井机泵条件下水力辅助机械破岩作用明显,钻头压降的提高、冲击间距的缩小、回压的降低可显著扩大水力辅助机械破岩的效果,水力辅助机械破岩存在最优喷距,实验条件下为50mm。揭示出加强水力与机械联合破岩作用应成为今后钻头改进和钻井水力参数设计的突破方向,也说明推广欠平衡钻井技术可为充分发挥水力辅助机械破岩作用与提高钻速创造有利条件。

可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井关键技术与装备

我国西部煤矿资源开发是保障煤炭资源供给的战略性任务,少人、安全、绿色、机械化、智能化矿井建设是现阶段煤炭智能化发展的必然趋势和重要方向。首先梳理了我国煤矿斜井和竖井全断面机械破岩掘进技术和装备现状,分析了适用煤矿井筒掘进的不同类型装备机械破岩掘进工作面临的共性难题;针对可可盖煤矿典型的西部富水弱胶结地层条件,确定了可可盖煤矿斜井和竖井联合开拓方案,并从地层条件、装备性能、围岩控制和经济合理性等方面,研判了采用斜井TBM掘进和竖井钻机钻井的可行性,提出了智能化建井建智能矿井的理念,构建了可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井模式;针对可可盖煤矿地层岩石强度低、扰动敏感的特性,突破了斜井敞开式TBM掘进高效破岩与围岩控制、连续排渣、装备推进与支撑协同控制等技术,实现了TBM姿态大幅度调整,一次掘进断面面积40 m2,形成了“探-破-支-运”一体化连续掘进技术体系,单月最高掘进进尺523.8 m;首次在西部富水弱胶结地层中采用竖井钻机钻井,提出了全岩地层竖井“一钻完井”工艺,形成了适用我国西部煤系地层钻井法凿井的大型竖井钻机及其配套装备体系,包括大直径全断面钻头结构、稳定钻杆、大型门式起重机以及竖井钻机高效集中控制系统,攻克了竖井钻机配套大型门式起重机安装、起下钻智能控制、竖井钻机高效钻进等关键技术与智能监控难题,实现了西部富水弱胶结岩石地层8.5 m大直径井筒高效钻进,单日最高钻进进尺10.8 m。

大倾角压力管道斜井机械破岩钻进技术与工艺探讨

随着抽水蓄能电站装机容量增加,输水系统发电水头高度增加,长距离、大倾角和大直径压力管道斜井工程成为必然需求,然而,其施工难度大、风险高,成为制约抽水蓄能电站建设的关键技术问题之一。通过梳理目前抽水蓄能电站压力管道开挖方法,分析得出采用爬罐法开挖时,具有工作面通风条件差、人员职业伤害大、辅助作业时间长等缺点;而采用反井法钻进施工时,形成的压力管道直径较小,且反井钻进过程中无法对破碎地层进行有效的初期支护等缺点。鉴于此,以国家"十二五""863计划"项目研制的竖井掘进机为基础,通过设备改造、技术研究和工艺论证等一系列研究,并综合分析在现有专用定向钻机、反井钻机钻进技术和装备的基础上,提出了以定向钻机+反井钻机+井筒掘进机为基础装备的抽水蓄能电站压力管道斜井全断面机械钻进工艺,其简要工艺流程为:(1)采用定向导孔钻进技术钻进反井钻井超前导孔,钻孔偏斜率可控制在0.3%~0.5%,并采用反井钻机扩大导孔;(2)采用反井钻机进行扩孔钻进,形成2.0~2.5 m的导井;(3)采用竖井掘进机进行二次扩挖,并利用导井作为向下排渣通道。此项"三机分步"施工的技术与工艺,能够满足倾角为50°~90°、长度小于800 m、最大直径达5.8 m压力管道斜井的建设需求。机械破岩方式减少了对斜井围岩的扰动破坏,有利于保障围岩的稳定性,能够实现大倾角、长距离和大直径斜井高效机械破岩钻进成井,推动建井技术与装备的机械化、无人化、智能化的发展。

我国大直径井筒机械破岩钻井技术与装备新进展

目前以钻孔爆破破岩为主的地下工程井筒施工,形成了伞形钻架钻孔、人工装药、抓岩机装岩、吊桶提升、整体模板砌壁的短段掘砌的普通凿井方法,然而爆破破岩凿井法存在作业工序不连续、作业人员多、职业伤害严重等问题,普通凿井法工序繁杂,难以向无人化和智能化方向发展,亟需突破由不连续的爆破破岩向连续的机械破岩技术转变,实现以机械破岩为基础的安全、高效、绿色、智能化凿井。首先梳理了地下矿物资源开发与地下工程中井筒建设现状,阐述了直径8.5 m竖井钻机钻井、坚硬岩石地层直径4.5 m和软岩地层直径6.0 m的反井钻机钻井、直径5.8 m导井式下排渣竖井掘进机钻井、直径7.83 m机械式上排渣竖井掘进机钻井、直径12.8 m沉井式竖井掘进机钻井和斜井硬岩全断面掘进机钻井等机械破岩装备钻井技术发展与工程实践,提出了机械破岩凿井存在的问题及未来发展方向。

竖井全断面机械破岩装备技术现状及发展方向

全断面机械破岩装备及技术用于竖井井筒施工,具有自动化程度高、作业环境好、成井质量可控等特点,可实现无人或少人作业,是未来竖井施工的发展方向。分析了国内外竖井全断面机械破岩装备与技术现状,总结了钻井法与竖井掘进机装备与技术取得的主要成绩和存在的问题,提出了竖井全断面机械破岩的使用条件和下一步研究方向。

西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩影响因素分析

竖井钻机钻井法凿井是现阶段我国盲竖井机械化、无人化、智能化建设的重要工艺技术之一。西部矿区厚基岩地层以胶结程度低、遇水易泥化、强度低的弱胶结岩石为主,与我国中东部竖井钻机钻进的深厚表土地层力学特性不同。针对西部富水弱胶结厚基岩地层条件,简述了竖井钻机钻井技术的发展历程、竖井钻机装备及旋转破岩方式,探讨了竖井钻机机械破岩钻进面临的厚基岩地层高效破岩、钻进技术参数随钻实时控制、地层自稳性差导致井帮失稳风险、泥包钻头或砂包钻头、泥浆性能参数随钻调配设计等难题,并从工程条件、地质特性、破岩刀具、钻头结构、刀具布置、钻进参数、泥浆排渣等方面分析了竖井钻机机械破岩的影响因素及其相互关联和制约关系,梳理了西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩技术发展方向,以期为西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩钻进技术发展提供参考。

对机械破岩钻孔机械分类的商榷

在众多公开出版的书籍和内部流通的讲义中,都认为主要应当根据破岩原理或破岩方法将机械破岩“钻孔机装”(有的叫“钻眼机械械”、“穿孔机械”、“凿岩机械”等)分类,并把它们分为“旋转式”、“冲击转动式”和“旋转冲击式”三类,还分别列举和说明了各类的典型钻机及应用范围。

刘志强:潜心机械破岩技术研究 照亮井巷智能化之路

2020年9月20日,随着刘志强博士发出指令,我国首台套“金沙江一号”竖井掘进机在国家重点工程云南白鹤滩以礼河电站出线竖井始发,开启了我国以非爆破机械破岩全断面掘进竖井井筒新纪元,为无人化或智能化凿井打下基础。刘志强在多年机械破岩技术、工艺合装备研究积累条件下,作为负责人承担了国家“十二五”863计划重点研究课题。

非爆机械破岩掘进施工的经济性研究

当前引水隧洞、道铁工程隧洞、金属矿山、化工矿石等非煤矿山的井工况隧洞掘进,仍普遍采用原始的打孔、放药的爆破式掘进施工方式。该掘进施工方式存在安全性低、掘进效率低、巷道成型质量差、社会影响差、火药等耗材管控成本高等方面问题,这些问题共同影响了井工况巷道掘进的经济性。从提升掘进效率、改善巷道成型质量、降低耗材管控成本等直接经济效益方面和提升施工安全性、降低社会负面影响等间接社会效益两个层面,论证一种非爆机械破岩掘进的施工方案的经济性。以西部矿业有限责任公司呷村银多金属矿为工程背景,提出和论证井工况非爆机械破岩掘进的经济性。

岩体弱化方法及其在深部高应力硬岩机械化开采中的应用

战略性矿产资源的安全保供是国家重大战略需求,向地球深部要矿产资源在未来相当长一段时间内具有不可替代的战略性。为了保障矿产资源需求,深部高应力硬岩的安全高效开采是深部采矿必须解决的重大问题。首先,本文阐述了深部高应力硬岩采矿的技术挑战及“变害为利”的采矿变革思路,提出了高应力硬岩弱化后再开展机械破岩以实现商业化开采的关键技术对策。然后,总结了“接触式”和“非接触式”岩体弱化方法的机理、具体特点与发展现状,并对比分析了两类岩体弱化方法在辅助高应力硬岩机械破岩领域的发展潜力。最后,展望了以深部高应力硬岩热剥落损伤弱化辅助机械破岩为代表的安全高效连续采矿技术,为深部战略性矿产资源安全保供与深地工程发展提供了有益指导。

燃烧热能-机械能复合破岩先导性试验研究

为了证实燃烧热能-机械能复合破岩方法的可行性,通过理论分析和室内试验对该破岩方法进行了研究。采用瞬态传热方式对岩石有限元模型进行了热分析,评价了燃烧热能对破岩的作用;并利用自制的钻头和试验台架开展了模拟钻进试验和对比试验,验证了燃烧热能-机械复合破岩的可行性和破岩提速能力。理论分析可知,在不考虑岩石受热而发生热应力裂解的情况下,燃烧热能获得的钻速达18.0m/h。模拟试验得到,该方法在花岗岩中的平均钻进速度为24.5m/h,同时钻进中高温改变了井眼周围岩石成分的团聚状态,可形成1.8mm厚的陶瓷层;在相同试验条件下,该破岩方法获得的钻进速度是常规机械破岩方法的8.3倍。研究结果表明,对于导热系数较小、抗拉强度和剪切强度较低的岩石,燃烧热能形成的热冲击力能引起岩石脆性破坏,降低岩石抗压强度,与机械能复合破岩能明显提高钻进效率。

深部硬岩截割特性与机械化破岩试验研究

为了研究深部采矿应力条件对硬岩矿体可截割性和采矿效率的影响,针对深部采矿过程中独头掘进掌子面、采场半岛或全岛型矿柱以及矿岩松动区内的应力环境,通过真三轴实验平台在方块花岗岩样上分别构建双轴、单轴、较低甚至无受限应力条件,开展镐型截齿破岩试验;采用悬臂式掘进机、挖掘机载铣挖头、挖掘机载高频冲击头和铲运机载高频冲击头4种机械破岩设备对松动区矿体进行破岩实验。实验结果表明:硬岩在较低的单轴受限应力下需要的破岩峰值载荷和截割功最低,具有最优的可截割性;通过开挖深部诱导工程,增加矿体的临空面数量,将双轴受限应力改变为单轴受限应力,同时伴随矿岩松动区的形成,受限应力大幅降低,可有效提高硬岩矿体的机械化破碎适用性;在试验采场,通过高清钻孔电视监测诱导工程围岩的松动区分布情况,测得半岛型矿柱的松动区厚度范围为1.84~2.54 m,松动区呈“U”形分布;基于多截齿旋转切割破岩的悬臂式掘进机采矿平均工效为107.7 t/h,采矿过程连续性强,具有最高的采矿效率和较强的机械稳定性。

全尺寸滚刀破岩试验重塑大体积弱胶结岩石制备方法及评价

为实现室内全尺寸滚刀破碎弱胶结岩石试验,获取滚刀破岩试验用的大体积岩样是首要且关键技术之一。由于弱胶结岩石的颗粒胶结程度低、易风化、易水解、扰动敏感等特性,用于室内滚刀破岩试验的大体积原状岩石不可能直接现场取样加工而成,亦无法满足滚刀破岩试验中大体岩石的需要。基于以颗粒物质为主的弱胶结岩石在沉积压实、泥质胶结和蚀变作用下的成岩特性,在一定压力和胶结作用下可塑性强的特点,提出了全尺寸滚刀破岩试验重塑大体积弱胶结岩石制备方法,确定了滚刀破岩试验用重塑大体积弱胶结岩样制备的配比参数,对成型的岩样进行了物理力学测试与评价,并阐明了重塑弱胶结大体积岩样的形成机制。结果表明,采用不同的配比和分级加载力方案,可获得重塑弱胶结岩样的单轴抗压强度范围为1.2~43.0 MPa,重塑岩样与原岩的单轴压缩破坏特征相似,均属于脆性破坏;测试单轴抗压强度为12 MPa和43 MPa的重塑大体积弱胶结岩石的纵波波速,分别为1.42 km/s和3.14 km/s,而实际西部侏罗系地层取样测得波速范围为1.36~3.21 km/s;通过与原岩物理力学特性的对比分析,试验制备的重塑大体积弱胶结岩样在单轴抗压强度、波速和破坏形态方面,均属于弱胶结岩石范畴,解决了滚刀破岩试验弱胶结大体积岩样缺乏的难题。

基于灰岩动态力学特性的自由面机械破岩方法

露天石灰石矿山的开采受到岩石力学特性、安全、环境等众多因素影响。为了实现露天石灰石矿山的非爆规模化连续开采,提高机械开采的生产效率,通过霍普金森压杆试验系统和现场工业试验,研究了岩石力学特性、冲击应变率、自由面数量等对硬岩破碎特性的影响。研究结果表明:灰岩试样在受到冲击时的屈服强度随着冲击气压和应变率的增加而增大,试件整体和单位体积吸收的能量均与入射能呈现出很强的线性相关;预先开挖自由面能够解除该方向的受限应力,同时临空面数量的增加,可使待破碎区岩石的可破碎性得到提高;提出了非爆开采坚硬灰岩的机械破岩改善方法。现场工业试验证明:在工作面底部预先切割布置自由面后,再利用液压破碎锤破岩,可大幅度提高生产效率,现场试验中破岩效率从35.9 t/h提高到118 t/h。

矿山煤岩破碎方法研究进展及展望

针对采掘装备在煤巷、岩巷工作中截割机构磨损严重、作业效率低等问题,开展了矿山煤岩破碎方法的分析、总结和探索研究。根据煤岩普氏系数将煤岩类型分为煤、半煤岩、硬岩及高硬岩,并针对目前采掘装备在煤巷和半煤岩巷中存在的问题,阐述目前铣削破岩、冲击破岩、滚压破岩及滚拉破岩等机械破岩技术与纯水射流、脉冲射流、空化射流及磨料射流等水射流破岩技术的工作原理及前沿研究现状。首先,针对煤炭开采中因夹矸、硬包裹体煤层硬度大导致采煤机截割机构磨损严重、机械化开采效率低的问题,进行了截齿破碎煤岩机理及性能、截齿磨损机理、滚筒结构创新设计等方面的阐述,指出目前煤层及夹矸煤层应突破煤岩破碎与高效截割机构设计等新技术,以解决煤层安全高效开采的难题;针对半煤岩巷进行了截齿与煤岩互作用力学模型、截齿自旋转减磨截割机理、截割机构截齿布置理论及最优化设计方法等方面的概述,结合半煤岩巷作业效率低、机械刀具磨损严重等问题,从理论、数值模拟和实验等方面分析了各种水射流冲击破岩方法工作原理及研究现状,并指出为提高复杂多变地质条件下半煤岩巷掘进装备的掘进效率,应根据截割工况设计截割机构刀具排列方式,并采用自适应技术规划掘进工作参数、掘进工艺,提高掘进装备系统可靠性、智能化及综掘工艺水平以实现半煤岩巷快速掘进;针对硬岩巷从理论、实验和数值模拟方面进行了滚刀/圆盘刀破岩机理、破岩性能、刀盘设计准则等方面的综述,进行了水射流辅助截齿/钻孔/滚刀/圆盘刀破岩及涨裂辅助破岩技术的总结,提出了液力或者机械涨裂辅助破岩是目前应对硬岩有效的方法,充分利用岩石抗压不抗拉特点实现硬岩的高效经济破碎,结合智能化算法实现钻孔与涨裂的协同作业,实现硬岩巷道的高效掘进。最后,分析了现有破岩技术的优势、劣势及其局限性,并指出了我国矿山硬岩截割技术的未来发展趋势,煤矿机械、非煤矿业机械、盾构机械破岩技术相互融合,机械与非机械多场耦合破岩技术及矿山装备智能化是实现矿山复杂地质条件下煤岩高效破碎的发展方向。

相似材料模型法在研究行星钻头破岩效率中的应用

根据机械破岩的特点,本文导出了模拟大断面岩石机械破碎应满足的相似条件;配制了一种可模拟工程中常见岩石的相似材料;研究了如何设计和制作大尺寸相似材料模型;并以研究行星钻头破岩效率为例,分析了这种试验方法的具体应用。研究表明,用相似材料模型研究大断面岩石的机械破碎和研究其它岩石力学问题相比,主要差异在于其相似条件,而产生此差异的主要原因是,研究岩石机械破碎时可不考虑岩石自重的影响。

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。