高压水射流辅助锥形PDC齿破碎花岗岩试验研究

深部地层岩石硬度高、研磨性强、可钻性差,地质条件复杂、施工难度大,高压水射流辅助钻井可有效延长钻头寿命,提高钻进效率。采用室内试验与理论分析相结合的方法,开展了高压水射流辅助锥形PDC齿破碎花岗岩试验,分析了高压水射流辅助锥形PDC齿和常规PDC齿破碎花岗岩特性,揭示了射流压力、喷射距离、喷嘴直径及喷射角度等因素对锥形PDC齿破岩效果的影响规律。研究结果表明:在高压水射流辅助破岩条件下,锥形PDC齿与常规PDC齿的破岩比能分别降低了17.36%与19.63%;射流压力越大,射流辅助锥形PDC齿破岩效果越好;在研究条件下,喷距范围为5~10 mm可使水射流辅助锥形PDC齿破岩效果最佳;当喷嘴直径为2 mm时,切削力离散系数最小;喷射角度为30°时,锥形PDC齿切削力与破岩比能达到最小值;喷射角度为20°时,切削力离散系数最小,切削力最稳定。研究结果可为适用于深部硬岩钻井的锥形PDC钻头水力结构设计与优化提供理论支撑。

低透气性煤层高压脉冲射流割缝-压裂增透技术应用研究

针对盘州平关镇大坪煤矿18采区20号煤层复杂地质条件及瓦斯抽采难题,提出一种高压脉冲射流割缝导向压裂增透技术。为验证该技术效果,分析了其增透技术机理,并设计了4种试验方案进行对比分析。结果表明,采用高压脉冲射流割缝导向压裂方案在瓦斯抽采效果方面显著优于其他方法,与普通抽采、高压脉冲射流割缝、高压水力压裂抽采瓦斯相比,其平均每日抽采瓦斯浓度分别提高了3.01倍、1.41倍和1.67倍;平均每日抽采瓦斯纯流量也相应提升了2.86倍、1.42倍和1.62倍。经过90 d的抽采,该方案的抽采影响半径达到了5.06 m,分别为普通抽采、高压脉冲射流割缝和高压水力压裂抽采方案的2.56倍、1.25倍和1.29倍;在抽采效果相同的条件下,钻孔施工时间分别比普通抽采、高压脉冲射流割缝和高压水力压裂方案缩短了60%、32%和20%,瓦斯抽采达标所需时间分别比普通抽采、高压脉冲射流割缝和高压水力压裂方案缩短了70%、50%和62%。高压脉冲射流割缝导向压裂技术对低透气性煤层瓦斯治理效果较为理想,可供类似矿井借鉴。

柔性钻具水力导向射流喷嘴流场分析

现有柔性钻具钻井技术和水力喷射径向钻井技术在控制钻进方向上存在困难或有局限性。为实现钻井导向可控,设计了一种能够水力导向的高压射流喷嘴结构。建立导向喷嘴流体数值模型,利用数值模拟的方法进行流场分析,研究喷嘴倾角、喷嘴直径、喷嘴开启个数等参数对导向力、射流速度的定量关系,给出了导向力方向确定方法。结果表明:随着关闭喷嘴个数的增加,喷嘴导向力呈指数逐渐增大;轴向倾角越大,喷嘴导向力和最大喷射速度越大;喷嘴内径减小时,导向力和喷射速度都显著增大。通过数值模拟验证了射流喷嘴水力导向的可行性,分析结果和导向力的拟合公式对水力导向喷嘴钻进方向的研究具有指导意义。

基于高水压射流的盾构泥饼切割试验研究

为解决高水压射流清理泥饼布置方式无依据等问题,研制泥饼压制设备和高水压射流装置,并以强风化泥质粉砂岩作为试验材料,开展高水压射流切割泥饼试验,研究射流压力、流量、传输介质等参数对泥饼切割宽度和深度的影响。主要结论有:1)随着冲刷距离的增大,泥饼切割宽度先增大然后逐渐减小至0,而切割深度则逐渐减小;2)射流压力相同的情况下,当流量从49.1 L/min增大至110.0 L/min时,高水压射流对泥饼的切割宽度增大,当流量从110.0 L/min增加至202.8 L/min时,切割宽度反而减小,切割深度则随着流量的增加而增大;3)射流流量相同的情况下,水压力越大,则切割宽度和深度也越大;4)在水中进行泥饼切割时,高水压射流对泥饼的作用以冲刷为主,难以产生有效的切割。

坚硬顶板高压磨料射流侧向切顶煤柱卸荷技术研究

针对坚硬顶板下临空巷道存在的高应力、大变形、难支护等问题,分析了磨料射流能量分布情况,研究了磨料颗粒及高压水射流的冲击破岩作用。基于“砌体梁”原理,建立不同岩性条件下的岩层周期破断力学模型,研究了巷道侧向切顶条件下上覆岩层断裂情况,采用数值模拟分析切顶前后煤柱应力变化情况,提出了磨料射流侧向切顶煤柱卸荷技术。现场试验结果表明,采用磨料射流切顶后巷道高度变形量减小38.7%,宽度变形量减小45.8%,巷道变形得到有效控制。同时,切顶后每日最大总能量降低85.5%,平均每日总能量降低82.6%。验证了磨料射流侧向切顶对坚硬顶板的弱化效果,为坚硬顶板弱化治理提供了一种新的技术手段。

不同岩性高压水射流切缝机理研究

硬岩掘进机在高强度岩体中存在掘进速度低、滚刀磨损快等问题,高压水射流可在掌子面切缝以降低岩体完整性,从而提升滚刀破岩性能,探究高压水射流切割岩石机理是研究高压水射流辅助TBM掘进的重要一环。运用高压水射流数控平台分别对砂岩、大理岩和花岗岩进行了高压水射流切割试验,射流压力从150MPa增至300MPa。通过观察岩石表观损伤、测量切缝深度与宽度获得岩石宏观破坏特征,发现在高压水射流作用下砂岩表面主要以笔直切缝为主,大理岩表面产生连续破碎带,花岗岩表面则产生较大破碎坑,但破碎坑数量明显较少。通过破岩碎屑的筛分试验及射流切槽周边荧光裂纹显现分析岩石损伤特征,发现砂岩切缝形成主要以射流的侵蚀作用为主,颗粒间的胶结物被冲刷剥落,高压水射流的冲击作用不明显,切缝横截面处未发现微裂纹。2种强度更高的结晶岩同时受到高压水射流的侵蚀作用与冲击作用影响,大理岩主要发生穿晶破坏形成“长颈漏斗”形切槽,花岗岩则在水楔作用影响下发生更多沿晶破坏,最终形成较大破碎坑。

高含量低透性近水平煤层控制性水力割缝技术

基于高压水射流割缝的技术原理和特点,针对云南省朱家湾煤矿煤层“硬度系数大、瓦斯含量高、低透气、抽放时间紧”的特点,结合矿井目前的实际采掘部署和生产情况,提出工作面“钻割一体化”的瓦斯治理增透措施,并在矿区内已经施工抽采钻孔的工作面开展试验研究.通过现场研究表明:采用“钻割一体化”增透技术,能有效提高煤层裂隙发育程度,改变和降低煤层原始应力和瓦斯含量,增大煤层瓦斯流动空间,成功消除煤层的突出危险性.试验数据显示,煤层在水力割缝后单孔瓦斯抽采量增加到原来的3.7倍,工作面抽采达标时间缩短一半,成功缓解了矿井采掘接替紧张的局面.该试验的成功,为本矿井及类似矿井的瓦斯治理提供依据和经验.

基于ZGF-100(A)型超高压水力割缝成套装备的煤层卸压增透效果考察试验

为了解决矿井深部区域高瓦斯难抽煤层抽采工作量大、抽采效果差的问题,提出了采用超高压水力割缝技术强化煤层瓦斯抽采。该技术可充分改变煤体结构,增加透气性,改善抽采效果。基于ZGF-100(A)型超高压水力割缝成套装备,以小宝鼎煤矿12393-2工作面作为试验区,开展了顺层钻孔水力割缝抽采效果考察试验。结果表明:在采用合理的水力割缝技术参数下,割缝组相较于普通组瓦斯抽采浓度提高约1.02倍,抽采纯量提高约2.36倍,抽采达标时间缩短约54.2%,抽采效果显著。

小井眼侧钻井射孔压裂气举投产一体化技术——以肯基亚克油田盐下二叠系砂岩油藏为例

哈萨克斯坦肯基亚克油田盐下二叠系砂岩油藏属于高压低渗油气藏,水力加砂压裂是该油藏主要增产技术措施。目前区块由于管柱腐蚀断脱等原因造成的停产井已超过10口,为实现该类井复产高产,需要开展侧钻+压裂作业。围绕侧钻后作业过程中降低储层伤害、小直径套管(内径97.18 mm)内工具设计、不放压转层喷砂射孔及延长含气油井自喷生产期等难题,开展小直径水力喷砂射孔+压裂+气举生产一体化压裂管柱技术攻关,形成了适用于高压储层小井眼侧钻井的射孔压裂气举投产一体化技术,现场应用效果显著,为油田长停井复产提供了新的技术思路。

松软煤层水力割缝缝槽形态控制技术研究及应用

为解决松软煤层(f>0.2)超高压水力割缝期间缝槽发育难控制、易垮孔等问题,通过理论分析手段,分析了割缝缝槽周围煤体应力分布规律,获得了割缝缝槽周围煤体塑性区分布影响因素。研究了高压水射流破煤规律,得到了影响割缝缝槽形态的主要因素为割缝压力、喷嘴直径及煤体自身硬度。提出了基于松软煤层特点的超高压水力割缝缝槽形态控制技术,获得了控制松软煤层缝槽深度、宽度以及发育速度的关键参数为割缝压力、喷嘴直径及压力调节速度。通过现场应用表明,针对松软煤层其缝槽形态控制合理参数为:割缝喷嘴直径2.5~3.0 mm,割缝压力70 MPa,割缝调压间隔3~5 min。验证了松软煤层水力割缝缝槽形态控制技术适用性,可效提高松软煤层水力割缝施工成功率及安全性。

北京市丰台区某基坑工程几种地下水控制方案对比分析

依据2018年实施的《北京市建设工程施工降水管理办法》关于降止水的有关要求,目前,北京市地下水控制方案主要以高压旋喷止水帷幕、地下防渗墙和水泥搅拌桩等方法进行施工。以丰台某在施基坑支护工程为例,基坑支护设计为考虑地下水影响,但2019年永定河进行生态补水导致地下水位快速上涨,且地层中卵石层较厚,透水性较强,地下水流动性大,需对支护结构有较大影响的地下水位上涨问题采取措施,现场进行了刚性袖阀管和高压旋喷桩的实验性施工,并对地下防渗墙施工方案进行可行性分析。因该工程地层情况复杂,隔水层较深且卵石层透水性较强,刚性袖阀管施工方法的止水效果较差。卵石层还有较多的孤石未在勘察工作中发现,且卵石层较厚导致高压旋喷桩施工工期较长。因在施的基坑支护工程已经施工了第一道锚杆和全部支护桩和冠梁,综合考虑安全、工期、经济和保护现有已施工支护结构等因素确定该工程地下水控制方案为混凝土地下防渗墙结合高压旋喷桩的地下水控制方案。其分析过程及结果对类似地层情况及地下水位突然上涨的工程有一定的参考意义。

深圳市某地铁车站深基坑底部涌水治理技术探析

在灰岩富水岩溶区、褶皱破碎断裂带进行地铁车站深基坑施工,要面临许多施工不确定,尤其是深大基坑开挖至邻近垫层标高坑底涌水是工程施工中的重大事故隐患,迅速、精准查找出涌水通道和涌水原因是处置解决问题的首要任务。以深圳某地铁车站深基坑开挖过程中涌水为背景,全面、系统分析了形成涌水的原因,针对深基坑底部水力劈裂型涌水具体工况,采取了行之有效的应对措施,使得涌水得以治理,保证了基坑后续施工正常进行。

桑树坪二号井3号煤层底板穿层钻孔水力扩孔技术应用

桑树坪二号井深部四采区3号煤层瓦斯含量高、瓦斯压力大、地应力高、透气性差、煤体松软、突出危险性严重、常规穿层钻孔抽采煤层瓦斯难度大,效率低等技术痛点亟待解决。通过高压水射流钻扩一体化卸压增透工艺技术对比试验得出,扩出煤屑率分别为0.75%、2.35%时,钻孔直径扩大了3倍、8倍,百米钻孔瓦斯流量提高了1.3倍、3倍,瓦斯浓度提高了1.5倍、1.8倍,抽采效率提高了28%以上。排出大量煤屑后,煤层暴露面积和煤层卸压范围增加,可抽采性显著改善,瓦斯抽采效果明显提高,是实现矿井瓦斯高效抽采,纾缓采掘抽紧张关系的重要技术路径。

集束可控高喷防渗墙技术在洞庭湖区堤防加固应用试验研究

集束可控高喷防渗墙施工技术与传统高喷工艺相比,其地层适应能力更强,成墙质量更可靠,与其他工艺相比,其在砂卵石地层且堤顶宽度狭窄时有明显优势。为了更好地解决洞庭湖区深厚砂卵石层和堤顶施工场地受限等问题,拟引入江西省水利科学院研发的该项新技术。本次试验研究旨在进一步验证集束可控高喷防渗墙技术在洞庭湖区的适应性,通过试验获取关键技术参数,为后续大面积应用提供技术依据。试验研究表明:与其他传统工艺分析对比,该工艺所建造的防渗墙不存在开叉、漏喷、沉渣、断墙等质量缺陷,质量保证度高,施工作业面占用宽度相对较小,适应能力强,工效快,成本低,弃浆弃渣排放少,无塌槽塌孔风险,技术工艺优势明显,可在洞庭湖区推广使用。

深埋竖井高富水层高压旋喷止水帷幕施工技术

富水砂层竖井倒挂井壁法施工时,受地下水影响,施工过程中会出现涌砂涌水现象,给竖井施工安全带来巨大风险。文章以南水北调配套工程大兴支线施工十三标段为例,通过采用高压旋喷桩旋喷套接的施工方式,将桩体插入井底以下相对不透水层,形成竖井周边封闭的止水帷幕。实施该技术后,成功解决了竖井施工中出现井壁流水流砂、井底涌水涌砂、井边地面塌陷及开挖支护困难等安全问题。文章总结了富水砂层竖井高压旋喷桩止水帷幕施工技术要点,供类似工程借鉴和参考。

中小跨径、低高度连续箱梁体外预应力加固技术研究

结合某实际中小跨径、低高度连续桥梁结构,对其实施体外预应力加固。当体外索穿越墩顶横梁时,采用高压水切割技术从墩顶开槽的方式,不仅有效地增大体外索的有效高度、提高了体外索的有效性,而且作业空间不受限制,作业范围得到精确控制,作业时无振动,对钢筋(钢束)无损伤,有保护桥梁结构,效率高等优点。加固后桥梁结构扰度、应力改善明显,可为其他类似工程提供参考和借鉴。

Research on hydraulic slotting technology controlling coal-gas outbursts

Measured to control serious coal-gas outburst in coal seam were analyzed by theory and experimented in test site.A new technique to distress the coal-bed and drain methane,called hydraulic slotting,was described in detail,and the mechanism of hydrau- lic slotting was put forward and analyzed.The characteristic parameter of hydraulic slotting was given in Jiaozuo mining area and the characteristic of validity,adaptability and secu- rity was evaluated.The results show that the stress surrounding the strata and the gas in coal seam is released efficiently and thoroughly while new techniques are taken,as slot- ting at heading face by high pressure large diameter jet.The resistance to coal and gas outbursts is increased dramatically once the area of slotting is increased to a certain size. In the process of driving 2 000 m tunnel by hydraulic slotting excavation,coal and gas outburst never occurre.The technique could be used to prevent and control potential coal-gas outburst in the proceeding of tunnel driving,and the speed tunneling could be as high as more than 2 times.

坚硬顶板磨砂射流轴向切顶防冲技术研究

为了探索煤矿坚硬顶板处理的新方法,引入坚硬顶板磨砂射流轴向切顶技术,通过开展工业性试验,确定了割缝、压裂的关键技术参数,并进行了防冲工程实践,采用水压仪、钻孔窥视和观测孔出水观测、微震监测、支架压力监测和煤体应力监测等方法进行了效果检验。研究结果表明,割缝参数为:割缝深度200m,割缝长度300m,割缝压力40~50MPa;压裂参数为:压裂压力50~55MPa,压裂时间20~30min;割缝、压裂后有效促使了顶板岩层裂隙的产生和扩展,破坏了顶板的完整性,压裂半径10~20m。相较于传统爆破切顶防冲技术,采用磨砂射流轴向切顶和爆破组合处理后,微震事件集中区域由超前工作面80m转移至130m,微震能量释放以小能量事件为主;周期来压步距明显降低,采动应力影响范围和应力集中系数明显减小,围岩活动强度和动载效应明显减弱,取得了良好的防冲效果。

基于深度学习的高压水鱼片切段装置控制系统设计

为了实现鱼片的自动化、节能化切段操作,设计了一种基于深度学习的识别鱼片轮廓并规划切割路径的控制系统。使用深度学习模型对采集到的鱼片图像进行实例分割,根据识别结果规划切割路径,并由固定有高压水喷嘴的切割执行机构完成鱼片切段作业。目标检测试验中,在Mask R-CNN的基础上改进算法,加入Mosaic数据增强方法,主干网络使用ResNetXt50并加入注意力机制SKNet。改进后的模型检测精度达到98%,平均检测时间为0.058 s,相对于以ResNet50为主干网络的原模型,在检测时间仅增加0.001 s的基础上将检测精度提高了9.9%。鱼片切段试验中,平均切割合格率达到90%。研究表明,该系统可准确快速识别鱼片轮廓,高效完成鱼片切割作业,为未来向着智能化方向发展的水产品加工行业提供了新思路。

大孔径螺旋钻钻孔高喷防渗墙施工方法研究

传统的高喷防渗墙施工工艺受限于早期的钻孔设备,其钻孔孔径大多较小,存在钻孔切割地层、喷浆提升效率不高等问题。通过设备改进,采用大孔径螺旋钻机械辅助高喷防渗墙钻孔,并在钻具嵌入高压流体喷射装置(管路和喷嘴),可实现钻喷一体施工。依托江西省万安县遂川江罗塘乡防洪工程,开展大孔径螺旋钻孔高喷防渗墙施工试验,并采用数值计算分析、室内试验及现场检测相结合的方法验证防渗墙成墙效果。结果表明:在相同的地层参数、孔距、孔深以及喷浆压力条件下,采用更大的钻孔直径和长螺旋钻钻孔可获得更好的破岩效率与地层适应性;从墙体开挖检测、钻孔取芯渗透试验以及高密度电法探测试验结果来看,采用大孔径螺旋钻钻孔高喷防渗墙施工方法可以获得良好的墙体质量。