松软煤层钻进钻杆减重降阻机制及应用研究

施工瓦斯抽采钻孔是治理瓦斯危害的必要手段,针对松软煤层钻进因钻杆自重大引起的钻进阻力大、钻进效率低及劳动强度高等问题,提出了优化钻杆结构以减少自重并降低钻进阻力的研究思路,通过设置四翼内凹结构达到减小钻杆自重及降低钻进阻力的目的,并依此设计了四翼内凹刻槽钻杆,兼顾钻杆推进阻力和旋转扭矩损失,建立了钻杆钻进阻力模型,结合ANSYS数值模拟方法对四翼内凹刻槽钻杆进行强度校核分析与参数优化,研制了四翼内凹刻槽钻杆,并进行了现场工业性试验。研究表明:(1)对于100m钻孔深度,四翼内凹刻槽钻杆相对于圆状刻槽钻杆质量减轻了21.88%,在正常钻进时,四翼内凹刻槽钻杆与圆钻杆相比旋转扭矩损失降低了25.10%;与圆状刻槽钻杆相比降低了20.90%。在塌孔10m的情况下,四翼内凹刻槽钻杆钻进阻力相对于圆钻杆降低了51.44%,相对于圆状刻槽钻杆降低了43.65%。(2)对四翼内凹刻槽钻杆进行强度分析与参数优化,结果显示,在常规坑道钻机作用下,钻杆最大应力与内凹深度呈正相关,与壁厚呈负相关,壁厚对于应力的影响大于内凹深度的影响,且在内凹宽度为33mm、深度为4mm、壁厚为11.5mm时,安全系数为1.59。(3)现场工业性试验表明,四翼内凹刻槽钻杆排渣顺畅,强度可靠,钻进深度提高了18.18%,钻进效率提高了17.80%。在保证钻杆强度的前提下、通过钻杆结构创新有效降低钻杆质量,对于降低工人劳动强度、提高钻进效率和成孔率具有显著的效果,为推动复杂地层钻探技术发展提供了新的方法。

四翼内凹刻槽钻杆高效排渣钻进技术研究

为解决松软煤层钻进钻孔排渣通道堵塞这一制约钻孔施工效果的关键难题,基于优化钻杆截面形状以增大排渣空间、预防钻孔堵塞这一理念,提出四翼内凹刻槽钻杆几何设计构想,通过孔内排渣阻力力学方程计算验证、钻杆排渣效果数值模拟,分析钻杆结构参数对排渣性能的影响,研制四翼内凹刻槽钻杆并在某矿进行工业性试验。研究结果表明:相较于传统圆状刻槽钻杆,四翼内凹刻槽钻杆在施工过程中具有更大的排渣空间,通过孔内沿程阻力计算对比,四翼内凹刻槽钻杆孔内沿程阻力较圆状刻槽钻杆低13%;数值模拟计算结果表明,当弧形内凹切槽对钻杆的圆心角α=35°、切入深度|EF|=4 mm时,渣体运移距离最大,平均运移速度最大,排渣性能最优;工业性试验表明,使用四翼内凹刻槽钻杆施工钻孔,班进尺长度和终孔深度得到显著提升。研究结果可为煤矿瓦斯抽采钻孔钻具设计提供参考。

煤矿钻孔机器人双机协同加杆运动空间分析及应用

针对煤矿钻孔机器人主机、加杆机械臂与杆仓的运动空间及布局问题,通过分析煤矿钻孔机器人的结构特点,建立了加杆机械臂和主机的运动学模型,求得其基坐标系与末端坐标之间位姿变换矩阵、关节变量与末端位姿关系式;构建了协同加杆运动的空间集合,采用蒙特卡洛法对运动空间求解,得到了加杆机械臂末端和主机钻杆中心点的运动散点图;以加杆机械臂的运动空间范围为基准,确定了主机和杆仓的位置设计范围分别为-1.87~-0.80 m和0.35~2.06 m。试验结果表明:该煤矿钻孔机器人布局合理,操作灵活,加杆机械臂可将杆仓中的全部钻杆准确放置于主机上的回转器与夹持器之间。

智能化锚杆钻车电磁型自动抓网装置的设计开发

针对现有煤矿井下锚杆钻车抓网速度慢,铺网效率低,参与人员多等问题,根据智能化锚杆钻车的基本要求,提出了一种智能化锚杆钻车自动抓网装置的设计方案。根据锚网属性,采用多直流电磁铁均匀分布吸网模式实现锚网的自动抓取。基于SolidWorks对抓网装置进行了三维建模,以确定各构成单元之间的工作协调性。通过理论计算获得了直流电磁铁的相关参数,为选择电磁铁提供理论依据。基于ANSYS Workbench有限元仿真平台分析了直流电磁铁吸合面处于不同位置时对锚网的吸力大小,验证了理论计算和布局方式选择的正确性。最后,搭建了实验平台,对自动抓网装置技术方案进行了实验验证。结果表明:电磁铁位置布局设计合理,吸力大小满足锚网稳定抓取及自由移动的技术要求。

煤矿井下坑道钻机自动卸杆装置研究

煤矿坑道钻孔施工工具有较大的危险性,具体表现为孔位较高、开孔角度大等特征,因此在装卸钻杆过程中存在较大的困难,尤其是在操作不当的情况下,就会引发安全隐患,严重威胁施工人员的身心健康。由此对煤矿井下坑道钻机自动卸杆装置进行研究设计,使其控制系统更加科学合理。这种装置结构可以通过智能控制器进行操作,因此可以更好地适应各种复杂的地质施工条件,不需要人工也能完成钻孔作业,钻孔效率得到保证,作业安全性自然也得以提高,将会成为未来作业中一种重要的形式。

松软煤层钻孔用防卡钻钻杆的设计

为了减小松软煤层钻孔施工的卡钻概率,从钻孔排渣规律和塌孔卡钻机理2方面进行分析,提出了解决卡钻的关键因素及所需的钻杆功能要求,并以此为基础对钻杆的结构进行了设计,分析了钻杆防卡解卡的原理,利用排渣性能实验和流固耦合数值模拟相结合的方法验证了该钻杆结构的合理性。防卡钻杆在工业性试验过程中相对常规凹槽螺旋钻杆表现出更好的排渣性能和防卡钻能力,为促进煤矿自动化钻进的发展提供有效支撑。

大倾角碎软低渗煤层下向长钻孔工艺研究与应用

针对新疆艾维尔沟矿区大倾角碎软低渗煤层,设计了一种高性能三棱螺旋钻杆,其转矩性能更优,同时具备更大的排渣通道与更佳的孔壁稳定性,三棱螺旋结构既提高了钻杆的排渣效率,又可在钻遇碎软煤层时通过旋转钻杆、反复洗孔等方式有效解决由于垮孔、塌孔造成的卡钻、埋钻问题,可有效提高碎软煤层钻进深度。揭示了螺旋型三棱钻杆不同孔深段所需风压:孔深0~50 m时风压为0.44 MPa、孔深50~100 m时风压为0.53 MPa、孔深100~150 m时风压为0.61 MPa、孔深150~200 m时风压为0.67 MPa,并提出一套适用于大倾角碎软低渗煤层下向长钻孔钻进施工工艺。针对2130煤矿25222运输巷,在下帮施工20个下向长钻孔并开展了下向长钻孔排采试验,在排采的60 d内,甲烷抽采纯流量前10 d由0.10 m^(3)/min快速降低至0.04 m^(3)/min、之后30 d由0.04 m^(3)/min缓慢降低至0.02 m^(3)/min、最后20 d由0.02 m^(3)/min缓慢增加至0.04 m^(3)/min,达到了排采试验目标。试验结果表明,采用三棱螺旋钻杆+中风压排渣钻孔工艺能够有效解决常规回转钻进成孔率低、孔深浅、工期长的问题,利用下向长钻孔解决工作面条带瓦斯抽采在新疆艾维尔沟矿区的推广应用奠定了基础。

低矮型锚杆钻车的研制

随着煤矿的不断开采,薄煤层的开采量逐渐增加,但受现有装备的外形尺寸限制还沿用人工支护的方式,造成整个巷道掘进速度缓慢。针对以上问题研制了低矮型锚杆钻车,其适应巷道高度为1.7~3.8 m,该设备在神东、陕北等地的成功应用,解决了煤矿在薄煤层开采过程中采掘失衡的问题。

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。

棱状钻杆应用于松软突出煤层钻进强度匹配研究

为解决棱状钻具的强度匹配问题,应用实体设计和数值分析软件,建立不同结构棱状钻具力学分析模型,对其进行强度分析,优化棱状钻具结构。分析结果表明,常规棱状类钻具整体强度匹配不合理,丝扣位置存在受力薄弱点,安全系数较低且整体分布不均衡。可采取加大接头直径、优化接头及棱边结构、应用摩擦焊接工艺等技术手段提高棱状钻具整体强度;改进后的棱状钻杆,整体安全系数分布均衡、波动小,钻杆整体力学性能得到了有效的提高。通过工程应用,解决了煤矿复杂条件煤层钻孔施工丢钻、断钻频繁的被动局面,平均深度超过了设计深度,钻进效率提高20%,未出现断钻、掉钻事故。

松软突出煤层钻进困难的原因分析

在分析煤层深孔钻进困难原因的基础上,提出"钻穴"概念,分析了"钻穴"对钻进的影响。在分析"钻穴"类型及成因的基础上,建立"钻穴"内流体排渣模型,采用数学方法,分析钻孔深度和"钻穴"的关系。结果表明:在纯流体排渣情况下,松软、突出煤层的钻孔深度几乎与钻机动力大小无关,而取决于危害型"钻穴"的发生位置和"钻穴"的体积大小。基于对"钻穴"的新认识,提出流体与机械协同排渣的新观点,以此克服或减轻"钻穴"的危害,并发明了"双动力低螺旋钻杆"。

松软煤层螺旋钻杆钻进中的吸钻卡钻力学机理

针对在突出松软煤层钻进过程中常出现的吸钻卡钻现象,以水平钻孔为例,通过分析螺旋钻杆钻进过程中钻粉在螺旋叶片间的运动规律,确定了当钻进产生煤粉量大于钻杆排出能力时,易因煤粉大量积压产生吸钻卡钻现象的力学机理。从控制钻进速度,减少钻粉生产量的角度提出了防止钻进过程中吸钻卡钻方法。计算出直径Φ42 mm和Φ75 mm两种钻孔施工时为防止吸钻卡钻的临界钻进速度。经过在鹤壁六矿2123上顺槽、2143下顺槽试验,取得了很好的效果,表明在突出松软煤层螺旋钻进成孔过程中控制钻进速度是可行的。

软煤钻杆研究进展及发展趋势

针对软煤钻杆研究及应用现状,基于不同的钻杆形式及排粉动力方式,介绍了不同钻杆的定义、适用范围、优缺点、排粉动力模型,并对软煤钻杆发展历程进行分析。通过对软煤打钻研究工作的分析,指出研究工作中的不足之处:软煤流变研究成果与软煤钻孔理论结合不足;排粉动力学及耦合排粉问题研究工作亟待深入;钻杆表面降阻问题未受足够重视;软煤钻孔孔壁固化研究发展缓慢;整体式成型技术有待推广。同时,指出了软煤钻杆的发展趋势,包括多动力耦合、多结构耦合、高强度钻杆、智能钻杆等方向。

软硬复合突出煤层提高钻进深度和效率的研究

晋煤集团赵庄矿3301工作面,瓦斯含量高、地压力大,煤体软硬变化不均,稳定性差,可定义为软硬复合突出煤层,采用常用光面钻杆施工,多次出现卡钻、断钻、丢钻等钻进事故。针对上述问题,研制大直径高强扒孔降温钻杆,为保证该钻杆强度的可靠性,建立73钻杆数学模型,对其强度进行校核。研究结果表明,采用R780地质管材加工大直径扒孔降温钻杆,其强度满足实际工况,通过工业性试验,钻进排渣顺畅,钻杆无弯曲、断裂现象,钻进深度提高32.44%,钻进效率提高30.41%。

ZYR-1200煤矿用全液压钻机螺旋钻杆的参数设计

以ZYR-1200煤矿用全液压钻机用螺旋钻杆为研究对象,重点介绍了螺旋钻杆2个重要参数—螺旋叶片的螺旋升角和螺距的设计过程。简要地说明了螺旋钻杆在ZYR-1200钻机上的试验情况,验证了螺旋钻杆参数设计的正确性。

瓦斯抽采钻孔堵塞段力学模型及其应用

建立瓦斯抽采钻孔堵塞段力学模型,基于施工地点的供风压力极值pmax,求解相应临界堵塞段长度L0,当L>L0时,钻孔将发生堵塞;研究了钻孔堵塞段退钻阻力的计算方法,分析了堵塞段长度和堵塞段内部气体压力对退钻阻力的影响规律。分析结果表明,在钻孔工程中,钻孔堵塞段内存在较高的气体压力是造成钻孔发生堵塞、难以退钻的主要原因,退钻阻力对堵塞段孔内气体压力变化非常敏感,采取降压退钻是减小退钻阻力的有效方法。应用钻孔堵塞段力学模型,分析了九里山矿钻孔施工现状,提出增大排渣空间、降低排渣阻力、提高钻杆强度技术措施,通过工业性试验,未出现断钻现象,钻进效率提高17%。

全液压螺旋钻采煤机钻杆联接装置设计研究

在现场调研的前提下,利用Pro/E软件建立了钻杆联接装置的虚拟样机,并进行了装置的运动学仿真。钻杆联接装置理论上解决钻杆连接困难的问题,以减少螺旋钻杆联接时间,提高钻机的煤炭开采效率。

煤矿探水卸杆动作识别研究

针对煤矿井下探水作业监工人员通过观看视频来监控卸杆作业的方式存在效率低下且极易出错的问题,提出利用三维卷积神经网络(3DCNN)模型对探水作业中的卸杆动作进行识别。3DCNN模型使用3D卷积层自动完成动作特征提取,通过3D池化层对运动特征进行降维,通过Softmax分类处理来识别卸杆动作,并使用批量归一化层提高模型的收敛速度和识别准确率。采用3DCNN模型对卸杆动作进行识别时,首先对数据集进行预处理,从每段视频中均匀抽取几帧图像作为某动作的代表,并降低分辨率;然后采用训练集对3DCNN模型进行训练,并保存训练好的权重文件;最后采用训练好的3DCNN模型对测试集进行测试,得出分类结果。实验结果表明,设置采样帧数为10帧、分辨率为32×32、学习率为0.0001,3DCNN模型对卸杆动作的识别准确率最高可达98.86%。

松软突出煤层顺层钻孔装备及其工艺研究

以松软突出煤层钻进装备为研究对象,介绍了松软突出煤层顺层钻孔装备的研制及其特点;阐述了顺层钻孔装备的工艺研究及其试验过程,并验证了松软突出煤层顺层钻孔采用螺旋钻进工艺的可行性。

钻杆推力法预测冲击地压的实验研究

为准确预测预报矿井冲击地压,采用钻杆推力法来判断煤矿冲击地压危险性。通过建立钻进煤层过程中钻杆的动力学模型,得出钻杆推力与煤体应力的关系,利用自主研制的钻杆推力实验测试系统,在实验室测试了不同煤体应力下推力值的变化规律。实验结果表明:随着钻进深度的增加,推力值呈现先增大然后稳定再逐渐减小的规律;在相同钻机及钻具条件下,在矿井下进行原位钻孔实验,分析实验数据发现,钻杆推力与煤体应力、钻屑量有较好的对应关系,充分证明了利用钻杆推力预测冲击危险性的可行性。研究结果为煤矿冲击地压等动力灾害的预测预报和危险区域的判定提供了一种方法,可作为预测冲击危险性的参考性指标。