Wear mechanism and serious wear position of casing pipe in vertical backfill drill-hole

Vertical backfill drill-hole is usually a key project in an underground mine with backfill method and can be easily damaged by impact of backfill slurry.Observation of the damaged vertical backfill drill-holes in Jinchuan Nonferrous Metal Corporation（JNMC）,Gansu Province,China,given by a digital drill-hole video camera,indicated that there usually exist serious wear zones in casing pipe in vertical backfill drill-hole（CVBH）.It was suggested that serious wear position of CVBH should be located at an interface between air and solid-liquid mixture within CVBH.Backfill slurry falls freely and impacts the wall of CVBH near the interface with great momentum and energy coming from high speed free fall of backfill slurry.The depth of serious wear position of CVBH,i.e.,free fall height of backfill slurry in CVBH,can be estimated by the height of vertical backfill drill-hole,the length of horizontal pipeline,the density of slurry and the hydraulic gradient of pipeline system.A case study indicated that the estimation equation of serious damage depth of CVBH was of enough accuracy and was helpful for daily maintenance and management of vertical backfill drill-hole.

煤矿防冲钻孔机器人全自主钻进系统关键技术

针对高地应力矿井钻孔卸压作业智能化程度低的技术难题,总结分析了国内外钻孔卸压技术和装备的研究现状,指出研发高性能、高可靠、高效率的防冲钻孔机器人全自主钻进系统是破解冲击地压防治难题的重要发展方向。为此,凝练了影响钻进系统性能的“孔位精准识别、钻具姿态精确感知、无线电磁随钻智能检测、钻具运行状态智能识别和钻进系统精确控制”五大关键技术,并给出了解决思路和方法。针对在复杂恶劣环境下卸压孔的精确识别问题,设计了融合图像尺寸调节和多阶段训练模式的卸压孔图像样本扩充SinGAN模型,引入多层特征融合优化的FasterRCNN,构建了基于改进SqueezeNet轻量级网络架构的孔位识别模型,以实现卸压孔位的准确快速识别;针对钻具姿态精确感知问题,提出了基于改进梯度下降法算法优化无迹卡尔曼滤波的惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)初始对准方法,设计了多个IMU的空间阵列布局方式,研究了基于BP神经网络的钻具姿态误差补偿方法,旨在提高钻具姿态的解算精度,实现精准钻孔卸压;针对复杂地质环境下钻进工况的精确检测问题,搭建了煤矿井下随钻测量无线电磁传输系统架构,探讨了微弱电磁波信号自适应调制和随钻高速双向电磁传输技术原理,研究了孔底地质参数、几何参数和工程参数的测量原理和实现过程;针对钻进系统运行状态识别问题,构建了钻进信号时域、频域、时频域的多域特征和深度网络高级特征提取架构,提出了钻进系统关键零部件健康状态评估和故障诊断技术,构建了基于改进蝙蝠优化长短期记忆网络的卡钻风险因子预测模型,实现对卸压钻具卡钻状态的准确预测;针对钻进系统的精确控制问题,分析了钻进系统的液压系统工作原理,构建了考虑煤岩性状的钻进系统精确控制方案,探讨了基于转矩和位置的钻进系统最优控制参数求解原理,旨在实现钻进回转系统和给进系统的智能协同控制和并行作业。

坦桑尼亚恩泽加地区覆盖区选区评价及综合找矿方法研究

恩泽加(Nzega)绿岩带为坦桑尼亚环维多利亚湖八大绿岩带之一,为坦桑尼亚重要的产金区域之一。由于其地表覆盖程度较高,地质调查和勘查工作程度较低,虽然针对隐伏型金矿床尚具备一定的找矿潜力,但同时也面临选区评价和找矿困难的问题。研究表明:在选区评价中,针对太古界尼安萨群条带状铁建造的区域航磁异常解译和研究区地球化学金异常分析是最主要的;而在采用地物化综合找矿方法开展勘查工作中,磁法和激电法结合对于寻找覆盖区下的含铁建造内部或接触带附近或剪切带内的金矿床效果较好。该地区首次使用了取样钻施工采样,对覆盖层下发育的含金矿化蚀变带进行了地质工程揭露,取得了一定的找矿成果,先后发现了伊博罗格罗(Iborogo)、卢素(Lusu)和乔马(Choma)等多个金矿床(点)。

GFRP/Al叠层材料钻削力与制孔质量的实验研究

复合材料与金属组成的叠层结构已在航空航天领域广泛使用,然而在复合材料/金属叠层结构上钻削高质量的孔仍是一个挑战。本文旨在研究钻削工艺参数对GFRP/Al叠层材料钻削轴向力和制孔表面质量的影响。使用普通硬质合金麻花钻对GFRP/Al叠层材料进行“一次性”钻孔,并通过Kistler测力仪测量钻削轴向力。结果表明,最大钻削轴向力随每转进给量增加几乎线性增加,随主轴转速增加小幅降低。钻削工艺参数影响铝合金和GFRP制孔表面质量,高每转进给量会降低铝合金制孔出口毛刺,但是会增加GFRP制孔出口损伤;高主轴转速会增加铝合金制孔出口毛刺和GFRP制孔出口损伤。与每转进给量相比,主轴转速对铝合金和GFRP制孔质量影响更大。

开窗侧钻对钻柱螺纹应力与密封性能的影响分析

为分析开窗侧钻过程对钻柱螺纹接头强度与密封性能的影响,考虑螺纹在倒划眼和开窗侧钻时的工作状态,建立了钻柱螺纹接头三维有限元模型,分析了复杂载荷下螺纹接头应力和接触压力的分布规律,研究了不同材料和不同公差配合下螺纹接头的应力和密封性能,并与文献计算结果进行对比,验证了模型的准确性。研究表明:开窗侧钻时,螺纹接头受到的弯矩最大,主副台肩拉伸侧密封性能只有压缩侧的52.0%;倒划眼作业时,井口处钻柱受到的轴向载荷最大,外螺纹前两圈齿根应力超过屈服强度,存在断裂风险,主台肩面脱离、螺纹接头密封失效;随着材料弹性模量降低,螺纹接头在开窗侧钻时承受的弯矩减小,当材料弹性模量降至50.0%时,螺纹最大应力减小了17.0%,最小接触压力减小了19.6%;在极限公差下,螺纹接头主要由副台肩承受接触压力转变为主要由主台肩承受接触压力,副台肩应力得到改善,但密封性能完全失效。根据开窗侧钻过程中螺纹结构应力状态的研究结果,可通过改变螺纹材料和公差配合提高钻柱接头的安全性与密封性。

佳县南区致密气小井眼优快钻井关键技术

为进一步提高佳县南区区块钻井效率、降低钻井成本,开展了小井眼二开一趟钻优快钻井技术研究。以提高佳县南区小井眼二开一趟钻比例为导向,基于佳县南区地层特征,分析了小井眼钻井难点及技术需求,在此基础上进行了井眼轨道精细设计以及钻头、钻具组合与钻井参数等方面的优化研究,优化构建了防塌承压钻井液体系及复合堵漏技术,形成了适合该区块的小井眼优快钻井关键技术,并在75口井进行了应用。研究结果表明:应用井二开一趟钻比例由13.4%提高至62.7%,机械钻速提高至23.4 m/h,完井周期降至17.65 d,单井漏失量明显降低。研究结果可为小井眼优快钻井持续提速降本提供技术支撑。

车用CFRP材料超声振动钻孔工艺优化及质量分析

为了提高难加工增强体碳纤维复合材料(CFRP)的钻孔加工性能,在螺旋铣加基础上增加了超声振动辅助。设计了不同工艺条件对CFRP超声振动螺旋铣孔实施测试,对比了各条件下CFRP超声辅助螺旋铣孔的切削力差异,测试了孔加工质量状态。研究结果表明:采用超声振动螺旋铣方法处理可以避免引起分层现象,保证同一部位纤维与树脂基体相互形成更紧密结构。综合工艺参数对切削力和切削温度的影响,确定一下参数范围是比较优秀的:主轴转速4000r/min,螺距0.15mm,切向进给量0.04mm。CFRP分层状态受到切削刃锋利性以及材料去除率的综合影响,调整工艺参数能够有效的控制材料去除量,对切削力和切削温度起到很好的调节效果,进而减小分层损伤。

深孔钻进技术方法的探究和思索

矿产资源对人类生存和发展而言是重要的物质基础,矿业在我国产业经济中处于“上游”地位,对社会产业链有极大影响,如何利用好现有技术方法且不断突破传统观念的束缚,是我们地质工作者探求新知识的内在要求与核心动力。钻探施工属于隐蔽性工程,钻遇的地层岩性具有很大的不确定性,“三难”问题不同程度的制约了钻探施工生产。

承德县张营子矿区zk0806孔的纠偏技术

张营子矿区于2011年开始施工,累计完成钻孔18个,钻探工作量25 328.19 m。矿区太古代单塔子群白庙组以片麻岩为主,节理、片理发育,岩层倾角60°~70°,个别产状更陡,钻遇此层极易发生钻孔偏斜,增大施工难度。zk0806孔采取陀螺仪高边角定向法进行孔内定向,选择1.25°螺杆和95 mm表镶金刚石单管钻进工艺进行两次技术纠偏,最终达到地质要求。

面向南京城市地下空间资源综合开发利用的工程地质调查实践和研究

近年来,地下空间的开发利用得到越来越多的关注,其中,工程地质调查起到了基础性和决定性的作用。文章面向南京城市地下空间资源综合开发利用,分析了工程地质调查的工作难点,针对这些难点从技术探索和工作实践角度提出了解决对策,详细阐述了工程地质层划分技术规范、工程地质钻孔动态管理框架以及工程建设采挖砂石土料协同利用研究。通过这些工作的开展,实现了南京市城市地下空间资源工程地质调查的“三有”,即地层划分有依据、钻孔收集有统筹、土料利用有路径,有效提高了城市地下空间资源开发利用的管理水平,对建设资源节约型社会具有重要意义。

冲旋步进钻井提速方法的井底裂纹拓展特性

针对深部地层井底岩石硬度高、强度大和应力集中现象导致的岩石可钻性差、破岩效率低和使用寿命短的问题,提出旋冲钻井和差压步进破岩方法相结合的冲旋步进钻井提速新理念。为了研究冲击作用下差压步进钻头破碎地层岩石的裂纹拓展规律,采用有限-离散元(FDEM)方法建立了球齿冲击三维薄板模型,开展了球齿在不同冲击能量、冲击位置及岩石种类等条件下的冲击破岩过程模拟,获得了阶梯型井底岩石在冲击作用下的裂纹扩展规律。研究结果表明:由于阶梯面的存在,球齿在冲击作用下对阶梯型井底造成的预损伤区域比常规井底更大,冲击位置靠近阶梯面的裂纹扩展效果更好;双球齿冲击阶梯井底容易形成较大范围的岩石破碎区,降低了破碎阶梯井底地层岩石的难度;球齿冲击过程中对青砂岩造成的预损伤区域比花岗岩大,在冲击能量相同的情况下球齿冲击破碎花岗岩更为困难。利用冲旋步进钻井方法理论上可以进一步提高难钻地层钻井速度,但具体效果需要经现场试验及优化。所得结论可为深部难钻地层钻井速度的提升提供新的思路。

雪峰弧构造带钻孔轨迹控制关键技术研究

随着近年来矿产资源勘查要求的提高,岩心钻孔的深度及地层复杂性也不断加大,为能精准的钻遇靶区矿体以实现地质目的,对钻孔轨迹控制的要求越来越高。雪峰弧构造带部分工作区地层倾角大、软硬交替频繁、地层破碎,实际施工中地层造斜情况严重,随着孔深增加导致终孔轨迹与靶区矿体偏差较大,影响矿产资源勘查的精度和质量。通过对该工作区地层造斜情况的深入分析,在ZK1001钻孔绳索取心钻进施工中采用初级定向孔技术和满眼钻具工艺,大幅度提高了钻孔孔身质量,较好地实现钻孔轨迹控制。并通过试验不同的岩心钻具组合,提出了满眼钻具组合的优化意见和建议,为工作区岩心钻孔轨迹控制提供技术参考。

智能钻井系统在赵东油田的应用

赵东油田开发后期调整井钻井施工中,需要进行三维防碰绕障,井眼轨道设计复杂,钻进过程中经常出现摩阻扭矩变化大、井眼清洁困难、井壁稳定性差、钻井液漏失等难题。针对精细化井眼轨迹控制和快速识别井下复杂状况等关键技术难点,采取以现场作业人员经验为主、智能钻井系统为辅的作业模式,通过贝克休斯智能钻井系统i-Trak™的量化分析与及时预警,提高了轨迹控制精度及井下复杂状况早发现、早调整的及时性,避免复杂工况的发生,降低非生产作业时间,缩短了建井周期。通过17口井的试验,进一步验证现场“作业人员经验+智能钻井系统”的作业模式能够很好满足安全高效钻井的需求,为海上油田开发后期复杂调整井的钻井施工提供了可借鉴经验。

S135钻杆接头螺纹三维参数化建模及力学特性分析

S135钢级钻杆在矿井勘探、探放水、瓦斯抽采等钻孔施工中得到了广泛使用。然而,由于钻杆接头螺纹承受轴向拉压、扭转、弯曲及其复合载荷的循环作用,导致接头螺纹的使用寿命远远低于其设计寿命,是整个钻杆结构中最薄弱的环节。因此,通过万能拉伸试验获得钻杆接头材料的力学性能参数,经计算转化得到其本构参数,对钻杆接头进行有限元分析。为了提高有限元分析效率,推导垂直于钻杆接头轴线的螺纹截面轮廓几何表达式,基于旋转、抬升、缩径和连接节点的设计思路,提出了一种考虑钻杆接头锥度和台肩的三维螺纹参数化建模方法,并根据单元和节点之间的关系开发了钻杆接头连接的参数化三维六面体网格建模程序,通过与交互式建模方法计算结果的对比验证了其有效性和可行性。此外,对上扣扭矩、压扭及压弯扭复合载荷作用下接头外螺纹的力学特性进行了分析。结果表明:3种工况下钻杆接头外螺纹上的应力近似呈现“浴盆”形态,第1螺纹牙上的应力最大;随着圈次的增加,螺纹牙上的应力迅速下降,最后一圈螺纹牙上的应力呈现上升趋势;在弯矩的作用下,螺纹牙上的应力具有非对称特征。在接头螺纹设计时,必须考虑井眼曲率的影响并且需要重点关注接头压缩边第1螺纹牙上的应力。

露天潜孔钻机随钻测量系统研发与应用研究

露天采矿随钻测量技术研究目前尚处于初期阶段,研发随钻参数测量系统是实现随钻测量技术服务于采矿工程行业的首要任务。基于TAIYE-390-Ⅱ潜孔钻机工作原理,确定了随钻参数,提出了一套通用的测量方法,并研发了测量装置。装置主要由数据采集系统、数据转换系统和数据处理系统组成,可实现对钻进时间、钻进深度、钻进速度、钻杆轴压、回转力矩、回转速度、冲击风压和冲击风量等参数的实时准确测量、采集、计算、存储、显示和远程传输。结合某石灰岩矿钻孔数据,提出了一种反映岩性变化的数据整合方法,并借助钻孔成像试验分析了随钻测量技术在岩体结构面识别中的可行性。结果表明钻进速度和回转力矩对岩体结构响应最为灵敏,冲击风量和冲击风压在钻凿含孔洞的破碎岩体时表现突出,而钻杆轴压和回转速度在岩体结构识别中作用较小。研究成果在潜孔钻机随钻测量系统研发和随钻岩性识别等方面具有重要的理论意义和应用价值。

井底流固耦合环境下PDC钻头切削齿冷却仿真实验

PDC钻头已成为开发深部资源的主体钻头,但在钻井过程中产生的热损伤是影响钻进效率及钻头寿命的重要因素之一。该文针对PDC钻头切削齿热损伤问题,开展基于不同影响因素的井底流固耦合环境下切削齿冷却仿真实验。建立了PDC钻头井底冷却流固耦合模型,结合实际钻井工况制定了数值仿真方案,根据仿真实验结果分析了井底流固耦合环境中不同影响因素下钻头切削齿的温度变化规律,并通过正交试验对钻头冷却效果与各影响因素间的敏感性进行了评价。切削齿冷却敏感因素从大到小依次为:钻井液排量>钻井机械参数、钻井液温度>地层温度。研究成果为探索井底工况下钻头破岩过程中切削齿热损伤问题和优化PDC钻头设计提供了理论依据。

KXT-CG-1型超高温钻孔轨迹测量仪的应用研究

KXT-CG-1型超高温钻孔轨迹测量仪在北京、云南、黑龙江、青海等地区地热井、科学钻探井等的应用解决了高温环境钻探施工轨迹测量问题,形成了超高温钻孔轨迹野外测量解决方案和工艺规程。该仪器在满足测斜的基础上增加了井温的测量,适用于高温地热井、干热岩钻探等高温环境下的测温需求,在地表模拟270℃条件下可以连续工作4 h,这对于高温环境下的钻孔轨迹测量是有力的技术支撑。本文通过对比分析不同钻井现场的试验测量数据,可知KXT-CG-1型超高温钻孔轨迹测量仪具有集成度高、技术先进、测量精度高、辅助器具少以及结构轻便的特征,其中顶角测量精度0.15°,方位角测量精度1.5°。

煤层厚度影响下大直径钻孔卸压释能机理

煤层厚度变化是影响大直径钻孔卸压效果的重要因素之一。基于等效弹性模量原理建立了大直径钻孔卸压弹性力学模型,以某矿不同工作面为工程背景,研究了不同煤层厚度条件下大直径钻孔卸压煤体应力分布特征和能量释放规律,探讨了煤层厚度影响下大直径钻孔卸压释能机理。研究结果表明:当大直径钻孔卸压参数相同时,薄煤层中原岩应力、钻孔切向应力及其塑性区范围均大于厚煤层;大直径钻孔周边应力峰值随煤层厚度增加呈非线性减小趋势,当煤层厚度由1 m增加到9 m,应力峰值由23.2 MPa降低到20.2 MPa,降低12.9%;大直径钻孔卸压释能率随着煤层厚度增加呈减小趋势,当煤层厚度由1 m增加到9 m,大直径钻孔卸压释能率由68.7%降低到45.8%,即相同大直径钻孔卸压参数条件下薄煤层卸压效果更好;当大直径钻孔卸压参数相同时,钻孔切向应力随着煤层厚度增加而减小,导致煤体破碎区和塑性区范围以及存储弹性能释放量减小,即钻孔卸压释能率降低。某矿1208工作面和1203工作面煤层厚度分别为9.08、4.95 m,虽然两工作面采取了相同的大直径钻孔参数,但1208工作面巷道围岩变形破坏更为严重,对大直径卸压钻孔参数优化后,煤体平均钻屑量由2.48 kg/m下降到1.76 kg/m,表明随着煤层厚度增加,需采取减小钻孔间距、增大钻孔直径等措施来达到更好的卸压效果。

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。

基于“两带”探查技术的顶板水害危险性分析——以伯方煤矿为例

应用钻液漏失量观测、岩芯采取统计、钻孔电视观测和钻孔电阻率动态监测等多种“两带”探查技术方法,对伯方煤矿3煤开采的覆岩导水裂隙带发育特征进行研究,分析3煤采动影响下的顶板水害危险性。研究结果表明:3213工作面导水裂隙带发育高度为87.66 m,发育至K9砂岩含水层;垮落带发育高度为22.61 m,发育至2煤下部K8砂岩含水层。3313工作面垮落带最大高度为煤层顶板20~21 m,至2煤顶板砂岩含水层;导水裂隙带最大高度为煤层顶板83~87 m,至K9砂岩含水层。由此计算得出的垮落/采厚比为3.58~3.76,裂缝/采厚比为14.85~15.56。3煤回采产生的导水裂隙可造成二叠系下石盒子组和山西组砂岩含水层与3煤采空区的连通,含水层地下水岩导水裂隙向下渗流,增加了顶板水害的风险。建议矿井严格落实顶板水害防治的相关要求,降低采动裂隙对矿井正常生产的影响。