煤矿井下钻探数字化监测系统

针对煤矿井下钻探存在孔底工程参数测量困难、钻探数据准确性和完整性不足、钻探数据融合应用不够等问题,设计了一种煤矿井下钻探数字化监测系统。该系统由数据来源层、虚拟模型层、数据处理层和钻探服务层构成:数据来源层为虚拟模型层提供数据支撑,虚拟模型层通过仿真模拟分析生成新的数据并反馈至数据来源层;数据处理层接收到数据来源层和虚拟模型层提供的数据后,进行数据清洗、转换及合并等处理;钻探服务层通过后台数据管理端的权限设置,为不同层级用户提供数据显示、查询、分析、报警等服务。将钻探数据按时序特征分为事前数据(钻探施工之前根据钻孔设计资料和施工方案等获取的数据)、实时数据(包括钻探过程设备实时监测的参数和钻场视频等)和延时数据(孔底随钻测量装置采集的参数),针对这3类钻探数据设计了数据处理流程,并建立了由接入层、汇聚层和核心层组成的系统通信网络架构。工程实践结果表明:该系统实现了煤矿井下钻探施工数据的采集、传输、显示与动态管理,满足钻探施工过程监测和数据管理的需求,具有较好的实时性和准确性。该系统为煤矿井下钻探智能化施工和精细化管理提供了技术支撑。

自驱修孔钻头动力参数及钻齿结构研究

自驱修孔钻头是修复失效长钻孔的有效技术手段,为进一步提高修孔速度和瓦斯抽采效果,本文基于射流反冲理论,分析了射流反冲力与喷嘴参数的关系,构建了自驱修孔钻头旋转力学理论模型。采用LS-DYNA开展不同结构钻齿破煤过程,分析了不同钻进压力和扭矩作用下钻齿对煤体破坏形式和钻齿破煤体积变化规律,并开展了破煤实验验证数值模拟结果。形成了自驱修孔钻头参数确定方法,设计了自驱修孔钻头,并在郑煤集团超化煤矿22煤柱面底抽巷进行了工程实验。研究结果表明:(1)喷嘴张角α和偏心角β是决定钻进压力和扭矩分配的关键参数,通过调控张角和偏心角可实现钻进压力和扭矩的最优匹配。(2)相同钻进参数条件下,钻齿结构对破煤体积影响较大,阶梯钻齿破煤效果最优。在钻进压力为120N、扭矩0.6N·m时,阶梯型钻齿结构的修孔钻头能够实现钻进压力和扭矩最优匹配。(3)确定了最优修孔钻头结构参数为:钻头外径28 mm;后置喷嘴张角20°,偏心角90°;前置喷嘴张角90°,偏心角0°。(4)工程应用结果表明:瓦斯抽采纯量提高了1.96倍,瓦斯抽采体积分数提高了3.98倍,修孔速度提高了1.2倍。通过改进钻头动力参数及优化钻齿结构,设计的自驱修孔钻头在工程实践中达到了提高修孔速度和瓦斯抽采效果的目的。

煤矿履带式定向钻机路径规划算法

煤矿履带式定向钻机路径规划过程中存在机身体积约束和实际场景下的行驶效率需求,而常用的A^(*)算法搜索速度慢、冗余节点多,且规划路径贴近障碍物、平滑性较差。提出一种以改进A^(*)算法规划全局路径、融合动态窗口法(DWA)规划局部路径的煤矿履带式定向钻机路径规划算法。考虑定向钻机尺寸影响,在传统A^(*)算法中引入安全扩展策略,即在定向钻机和巷道壁、障碍物之间加入安全距离约束,以提高规划路径的安全性;对传统A^(*)算法的启发函数进行自适应权重优化,同时将父节点的影响加入到启发函数中,以提高全局路径搜索效率;利用障碍物检测原理对经上述改进后的A^(*)算法规划路径剔除冗余节点,并使用分段三次Hermite插值进行二次平滑处理,得到全局最优路径。将改进A^(*)算法与DWA融合,进行煤矿井下定向钻机路径规划。利用Matlab对不同工况环境下定向钻机路径规划算法进行仿真对比分析,结果表明:与Dijkstra算法和传统A^(*)算法相比,改进A^(*)算法在保证安全距离的前提下,加快了搜索速度,搜索时间分别平均减少88.5%和63.2%,且在一定程度上缩短了规划路径的长度,路径更加平滑;改进A^(*)算法与DWA融合算法可有效躲避改进A^(*)算法规划路径上的未知障碍物,路径长度较PRM算法和RRT^(*)算法规划的路径分别平均减小5.5%和2.9%。

钻孔卸压感知系统研制

在煤矿开采预防冲击地压方法中,针对钻孔卸压后周围压力是否达到卸压所需效果的问题,设计了钻孔卸压感知系统。该系统采用FPGA和Lab VIEW相结合的方式,利用FPGA控制高精度A/D转换器HX711采集传感器的数据,使用8通道模拟多路选择器74HC4051进行通道选择传输,通过FPGA将数据传输到Lab VIEW完成数据显现。实验结果表明,该系统可以准确、高效、直观地采集多通道的数据信号并呈现,可以判断出钻孔卸压后的卸压效果是否达到预期,具有较高的工程应用价值。

软硬交错倾斜煤层下煤矿钻孔机器人钻杆系统振动特性研究

煤矿钻孔机器人钻杆系统振动特性的研究是钻进轨迹预测及控制的重要前提。考虑水平钻进过程中钻杆系统与煤层交互约束的复杂机制,搭建煤矿钻孔机器人钻进实验平台及振动监测系统,开展不同软硬煤层及煤层倾斜角度下的水平钻进实验;采用经验模态分解方法对采集数据进行分解、滤波和重构处理,以消除噪声干扰,进而研究软硬交错倾斜煤层下钻孔机器人钻杆系统振动特性。研究结果表明:钻孔机器人无论是在硬→中硬→软煤层还是软→中硬→硬煤层中钻进,钻杆系统的纵向、横向、扭转振动幅度均随煤层倾斜角度的增大而增大;同一煤层倾斜角度下,钻孔机器人在软→中硬→硬煤层中钻进较在硬→中硬→软煤层中钻进时,钻杆系统的纵向、横向及扭转振动幅度更大;煤层倾斜角度较小时,软硬交错煤层对钻杆系统振动特性的影响较大,煤层倾斜角度较大时,煤层倾斜角度对振动特性的影响大于软硬交错煤层的影响;较大的砂石对钻杆系统振动产生一定影响。

煤矿井下钻场目标检测数据集

煤矿井下钻场打钻是解决瓦斯灾害、水害、隐蔽地质灾害的重要措施,可以显著提升我国煤矿井下灾害防治水平。为了实时监测打钻过程并提高打钻效率,需要进行煤矿井下钻场目标检测,即对打钻现场所涉及的重要目标进行识别和定位。相对于传统的煤矿井下钻场目标检测方法,基于深度学习的煤矿井下钻场目标检测方法可以提升目标检测的精度、时效性和稳定性,但需依赖高质量的数据集。目前,煤矿井下钻场目标检测研究主要依赖于小规模的私有数据集,难以为深度神经网络模型训练提供充足而可靠的数据。本研究通过采用煤矿用本安型执法记录仪对煤矿井下打钻现场进行拍摄,经过数据清洗、数据标注、专家抽检核查等步骤,构建了标准化的煤矿井下钻场目标检测数据集,并使用主流的YOLO系列目标检测模型进行数据质量评估。本数据集包含了来自不同钻场和环境背景条件下的70948张图片,涵盖了夹持器、钻机卡盘、煤矿工人、矿井安全帽和钻杆等5类目标,并提供了PASCAL VOC格式的标注文件。本数据集可为煤矿井下钻场目标检测研究提供强有力的数据支撑,对推动智能化煤矿井下监测预警具有重要作用。

瞬变电磁法在吉林省辽源市煤矿采空区勘探中的应用

瞬变电磁法采用电磁感应原理,可以有效的进行地层划分,并推断单一剖面的煤矿采空影响区的分布位置、埋藏深度及纵向厚度,可以达到传统意义上的纵向二维(2 Dimensional,2D)勘探效果。本文是在大量收集勘探区基础地质资料的基础上,结合勘探区内采空区的特点及其围岩的地球物理特征,通过对传统意义上的实测剖面数据进行处理、反演,不仅绘制出各剖面视电阻率反演拟断面图,达到传统意义上的纵向二维(2D)勘探效果;还通过GeoIPAS软件将反演数据重新整合处理,绘制不同标高的视电阻率反演平面等值线图,可以达到软件构建的横向二维(2D)勘探效果;并根据横向、纵向二维(2D)勘探成果绘制三维立体图,通过立体三维(3 Dimensional,3D)勘探效果进行更直观的解译分析。最后综合剖面断面图、平面等值线图及三维立体图,绘制综合解译成果图,划分煤矿采空影响区的平面异常,圈定异常位置及分布范围。所圈定的两处平面异常进行了钻探验证,验证结果与瞬变电磁法推断解译结果吻合度较高。这说明本文研究成果对提高瞬变电磁法在煤矿采空区探测精度上具有实际应用价值。

煤矿用钻杆自动化生产线方案设计

针对传统煤矿用钻杆加工生产线劳动强度大、生产成本高的问题,根据企业生产场地与工艺流程,规划设计一条连续流自动化生产线。该生产线基于机器人自动上下料技术,集成了长度检测、同轴度检测、激光打标、摩擦焊接、回火、铣外焊疤、车内焊疤以及打磨内外焊疤等工序。通过定尺摩擦焊接、物料码追溯管理、关键工艺参数实时采集、智能在线检测以及异常报警等手段,确保产品的高可靠性。根据实际生产,该自动线性能可靠、运行稳定,达到了降低成本、减轻劳动强度的目的。

煤矿井下瓦斯高效抽采技术的应用研究

为了解决煤矿井下高瓦斯煤层瓦斯涌出量大、瓦斯浓度高的不足,提出了一种本煤层顺层钻孔预抽+穿层钻孔对临近煤层和覆岩裂隙带进行抽采+采空区的组合式抽采方案。文章对不同区域的瓦斯抽采技术要点和方案进行了分析,确定了瓦斯抽采的可靠性。根据实际应用表明,新的组合式瓦斯抽采技术,能够实现对不同区域瓦斯的综合治理,井下瓦斯的平均抽采率达到了64.7%,使井下作业面的瓦斯浓度始终保持在了0.55%以下,有效保证了井下作业安全性。

湖南周源山煤矿采空区群钻井与充填施工工艺

矿产资源开发利用过程中产生了煤矸石、废石、尾砂等,大量矿山废料堆放于地表,容易诱发泥石流、尾矿溃坝事故。同时矿床开采产生的地下大量采空区,容易诱发塌陷、矿震、滑坡、矿井突水等地质灾害。采空区群失稳成了煤矿安全生产的主要危险源之一。结合一工程实践,对矿区地质特征及岩层的可钻性进行了分析和研究,探讨了煤矿采空区群的钻井成孔和充填施工的工艺技术方法;通过室内试验,获得了尾砂充填系统尾砂膏体的配比。采用信息化技术方法,建立了煤矿井下巷道及其采空区群的三维矢量化、可视化模型,对钻进成孔工程实践具有指导意义。

磁耦合式井下随钻数据传输系统设计

针对煤矿井下普通钻机作业时,不能实时掌握钻杆运动轨迹造成钻孔作业效率低、钻杆偏离预定轨迹等问题,设计了适用于煤矿井下的磁耦合式随钻数据传输系统,用于实时获取钻杆运动轨迹等信息。系统包括信号的调制和解调模块、中继模块以及互感线圈,采用二进制移频键控(2FSK)原理设计调制和解调电路,根据电磁线圈互感原理和电路模型分析,设定传输系统谐振频率。传输系统的谐振频率设定在两种调制频率的中心时,数据传输更加稳定可靠,满足了井下长距离随钻数据传输的需要。

煤矿井下钻机用数字比例阀静动态特性研究

针对数字比例阀在煤矿井下钻机电液系统应用中特性开发不足的问题,从数字比例阀的原理出发,构建其数学模型,阐述先导级和主阀之间的耦合关系,发现先导流量是决定主阀静动态特性的关键指标。研究建立了数字比例阀的AMESim模型,仿真结果表明,控制数字比例阀的PWM信号频率为20 Hz时,占空比对流量的线性调控范围为0.2~0.8,主阀输出流量波动幅值为3.16 L/min,数字比例阀静动态特性表现良好。调整好PWM信号频率后将数字比例阀运用于钻机给进回路中,经过测试试验,数字比例阀控给进回路的钻机位移误差较传统阀控回路由2.8%提升至1.9%。

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。

煤矿钻孔成缝切顶卸压技术

切顶卸压技术作为一种被广泛认可的有效巷道支护手段,在改善巷道内的应力分布和减轻围岩变形方面发挥着积极作用。为解决西川煤矿1123运输巷道所面临的应力问题,以及减少围岩变形的需求,提出了钻孔成缝切顶卸压技术。此技术能把钻孔深入到高压带,卸压效果好且灵活可靠,适用于煤层中较为坚硬的岩石,具有较高的可靠性和实用性。通过应力函数法的精确计算,确定了适用于该煤矿的钻孔的上下阈值,分别为14.14和6.32,通过数值仿真软件对不同孔间距下的顶板垮落状态进行深入分析,研究切顶前后实体煤的应力分布规律。结果表明:切顶卸压技术显著改善了顶板的冒落性,可有效地预防冲击地压的发生;同时该技术能够有效地降低应力转移比例,使实体煤中应力峰值下降25.44%,峰值点内推179.18%。研究结果可为后续小煤柱留设和支护方式的选择提供参考。

深孔钻探技术在煤矿采空区勘查中的应用研究

深孔钻探技术是当前一种相对较为常见的野外勘查技术,可以借助专业的钻探设备从地表开始向下进行钻探,从而对深层岩层的实物信息进行获取,从而对地下信息进行验证,以此来为其余的工程类项目提供详实的地质信息支持。基于此,为切实提升环境保护质量,保障耕地面积,保证煤矿企业的生产安全。本文将对深孔钻探技术在煤矿采空区勘查中的应用进行研究,以当地安庆煤矿采空区勘查项目为例。

厚煤层开采覆岩导水裂隙带发育高度研究

针对水体下采煤时覆岩受扰动后可能导致顶板涌水问题,以掌石沟煤矿15102工作面为研究对象,采用数值模拟、分段封堵测漏与钻孔电视法得到该工作面15#煤层的导水裂隙带发育高度。对模拟和实测成果分析表明:模拟和现场观测的导水裂隙带高度分别为49、48.3 m,最终确定导水裂隙带高度为48.3 m,裂采比为11.78,上界面岩层类型为砂质泥岩,厚度为4.2 m,距煤层约48 m。

煤层群叠加开采覆岩裂隙演化及卸压瓦斯抽采研究

针对采动裂隙带卸压瓦斯抽采效果不佳导致的工作面上隅角瓦斯超限的问题。以赵家寨煤矿11210工作面为工程背景,采用物理相似模拟实验方法,研究了煤层群叠加开采对上覆岩层采动裂隙的演化特征,并通过现场验证确定了瓦斯抽采的最优层位。结果表明:煤层群叠加开采过程中,在卸压区域外,形成了较大的应力集中,在卸压保护范围内,应力集中现象不明显,且应力峰值小于二1煤层原始应力;煤层群叠加开采引起了采场上覆岩层的叠加卸压,使上覆岩层的位移场发生了叠加变化,岩层最大下沉量进一步增加;煤层群叠加开采结束后,采空区上覆岩层中部岩层被压实,两端岩层裂隙较为发育,形成了一定范围的裂隙发育区。通过现场试验,确定了裂隙带定向长钻孔合理层位的选择,并在现场进行钻孔监测,验证了物理相似模拟结果的合理性。

煤矿井下钻屑渣水分离技术研究

煤矿井下钻孔施工工作中,孔内会排出大量的岩土和煤粉。由于钻孔的特殊性,在钻孔施工时,需向孔内压入一定压力的水帮助排渣,排出的渣土和煤粉在巷道内堆积流动,会存在严重的安全隐患,且不符合文明生产规定。因此,针对上述存在的问题,设计一种煤矿井下煤、岩、水混合物的分离、收集、导流装置,保障施工现场的安全和文明生产。

定向钻孔及本煤层钻孔融合治理采煤工作面瓦斯

为满足煤炭高强度开采瓦斯治理需要,结合15303综放工作面现场情况,提出千米定向钻孔与本煤层钻孔融合方式治理瓦斯。综合理论分析及数值模拟确定千米定向钻孔布置层位为21~45 m,在回采巷道掘进期间同步进行千米定向钻孔钻进,确保回采前钻孔钻进完成;在回采巷道按2 m间距布置本煤层钻孔,实现回采区域瓦斯预抽。现场应用后,15303综放工作面千米定向钻孔瓦斯抽采效率较高,采面回风顺槽、回风隅角瓦斯体积分数分别控制在0.27%、0.69%以内,保障了采面安全生产。

煤矿井下大直径钻具全连续机械化辅助吊装系统

煤矿井下定向钻孔施工的设备及钻具随实际钻孔趋于大型化,带来工人劳动强度提升、钻进安全性降低等问题。依据大直径钻具的转运流程,设计了包含小型气动单轨吊、螺杆钻具吊运装置、钻机辅助吊装液压吊臂、自动换杆机械手等机械化辅助全连续机械化辅助吊装系统。现场应用表明,该系统可以满足大直径钻具全连续机械化辅助吊装需求。