基于力-构-能模型的钻井法凿井钻进参数设计思路与方法

竖井钻机钻井法是实现井筒机械化、无人化和智能化建设的重要技术之一。西部弱胶结地层钻井法凿井基岩破碎难、刀具损坏率高、糊齿和吸渣口堵塞等现象突出,高钻压、排渣不及时、泥包钻头易导致钻头憋死,而大扭矩钻进又发生了钻杆断裂、钻具掉落等事故,进尺缓慢和反复提钻维修、钻具打捞导致钻井工效极低,主要原因是钻头结构及其刀具布置不合理、钻进参数与岩石条件不匹配、破岩与排渣效率不协调。为解决弱胶结地层钻井法凿井“破不掉、排不出、进尺慢、能耗高”的现实难题,梳理了竖井钻机钻头破岩钻进技术现状及存在的问题,以“系统”和“过程”为基本观点,提出了基于力-构-能协调模型的钻进参数设计思路与方法,应重点围绕弱胶结地层钻井法凿井钻头结构设计及其力学特征、基于钻头滚刀运动轨迹的滚刀布置、基于气-液-固耦合流场的排渣效率优化以及基于能量转化机制的钻进参数优化4个主要方面开展研究,进而形成融合钻头结构、滚刀布置、洗井排渣和能量消耗等多因素的钻头高效钻进参数设计方法,为西部弱胶结地层钻井法凿井低能耗破岩、高效率排渣和破-排效率协调作业提供支撑,推动竖井钻机钻井法在西部弱胶结地层凿井中的应用。

台格庙矿区钻井法凿井钻进工艺可行性研究

神华新街台格庙矿区一井东部风井井筒设计成井深度857.5 m,设计净直径7.0 m,设计井壁厚度850 mm,以此为工程背景,从地质特征、工程条件、装备能力、钻井分级工艺等方面,分析了采用竖井钻机钻井法凿井钻进工艺的可行性。研究了拟建井筒穿越的地层及其岩石力学特性,基岩厚度将达到870 m,基岩占比达到99.3%;基于地质条件、井筒功能和井筒设计参数,计算得出钻井深度将达875 m、钻井直径为10.2 m,并梳理了全岩地层深大直径井筒机械破岩钻进面临的难题;对比分析了东部深厚冲积地层和西部厚基岩地层钻进分级工艺,分析确定了“一扩成井”钻进工艺具有可行性,超前钻孔直径范围为6.5~7 m,扩孔钻进直径为10.2 m。

大断面硐室顶板卸压机理及其应用技术研究

为了保持深部硐室的长期稳定,降低硐室维修费用,保证矿井的安全生产,以新庄煤矿暗斜井第2部大断面机头硐室为工程背景,采用数值计算研究了大断面硐室顶板卸压巷道的卸压机理。研究结果表明,顶板卸压以后硐室顶底板围岩垂直应力均大幅减小,且底板垂直应力减小的幅度较大;顶板卸压对硐室顶板的扰动较小;卸压以后硐室顶底板和两帮围岩水平应力、水平位移均明显减小,所以顶板卸压效果明显。在此基础上,设计了大断面硐室顶板卸压巷道的参数和卸压区域,并提出了卸压巷道掘出以后,采用定向抛掷爆破法进行顶板区域卸压的施工方法。

基于PHA-LEC法金属矿山盲竖井工程安全分析研究

针对盲竖井工程的危险、有害因素的危害程度及特殊工艺,将盲竖井施工系统分为卷扬机硐室开凿、盲竖井掘进、爆破、吊桶提升、出碴、竖井提升装置安装、施工通风7个主要子系统,在对矿山的盲竖井施工事故数据充分调查和分析的基础上,运用预先危险性分析法(PHA)对盲竖井施工的危险、危害因素进行辨识和定性分析,结合生产作业条件安全评价方法(LEC)对盲竖井系统中各子系统进行危险性评价,定量分析计算PHA的危险等级,提出科学预防措施。PHA-LEC法为盲竖井施工安全分析提供了新的模式,为制定防范措施和管理决策提供科学依据,具有一定的实际指导意义。

暗斜井变形破坏与煤柱之间关系

针对千秋煤矿暗斜井穿岩巷道的特点、采动对暗斜井的影响状况 ,阐述了暗斜井在保护煤柱固定支承压力作用下 ,利用拱形可缩性金属支架、锚喷网支护进行一、二次大修的过程。利用围岩有效载荷系数 ,解释了暗斜井变形破坏机理 ,最后指出了大面积卸压是保持暗斜井长期稳定的经济有效方法 。

千米深盲竖井下行前进式注浆堵水施工技术

三山岛金矿是山东黄金主体矿山之一,现进入全面深部开拓、回采阶段,深部主要开拓工程区域距地表距离已超过1 000 m。盲竖井掘进工程至-1 070 m工作面时出现涌水量达46 m3/h的含水裂隙带,如何采取科学有效的治水方案,确保掘进工程的安全进行,已成为矿山亟待解决的问题。在此背景下,优化下行前进式注浆法的设计参数与实施方案,选用合理的注浆设备及材料;在详尽观测涌水部位并确定合理注浆孔施工顺序的基础上,在现场分3次进行了90 m段高的注浆作业。注浆方案在现场的实施取得了良好的防、堵水效果,注浆后的总涌水量小于0.5m3/h,为盲竖井掘进工程通过含水断层区域提供了安全可靠的保障;该注浆方法对类似金属矿山深井突水灾害的防治具有一定的指导与借鉴意义。

千米级暗立井预注浆设计研究

根据云南某矿千米级暗立井井筒周边富水白云岩地层高水压、大水量的特点,为实现井筒安全快速掘进,采用预注浆堵水。井下设计3个大型硐室,作为钻探平台;地表建立制浆站,通过输浆管路,将红黏土水泥浆液输送至井下注浆站。注浆总段长496 m,分段下行式注浆。通过预注浆,井筒掘砌完成后,实测井筒预注浆段剩余涌水量为7.86 m 3/h,未超过10 m 3/h,堵水效果优异。科学合理的预注浆设计,使得千米级暗立井实现了安全快速掘进。

大型钻注设备下放运输技术

为保证毛坪铅锌矿112线盲竖井井筒安全快速施工,需对井筒进行预注浆。预注浆工程施工平台钻窝硐室及注浆硐室布置于井下,大型钻注设备必须下井。通过对+910^+670m标高段4条路线的分析比较,确定“+910m运输大巷→112线盲混合井→+670m中段112线→设计注浆站、钻窝位置”为最优路线。通过周密组织,所有大型钻注设备均实现顺利下井,并完成安装。

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。

三山岛金矿深部复杂条件下盲竖井配套工程建设实践

针对三山岛金矿盲竖井千米深中段开拓工程设计及其施工面临的高地温、岩爆、高压突水等问题,在工程实践中开展了综合研究。建立了多点布置盲竖井凿井设施的一种井筒掘砌施工方法,使新建工程与已有工程科学结合,减少了工程量;合理布局了通风系统与设施,加快了风流循环速度,降低了硐室内温度、湿度,提高了开拓作业工效;采用二层联合掘进施工方法、整体与局部泄压相结合和及时支护等措施,对岩爆和围岩失稳进行了有效控制;采用微震技术对富水裂隙带进行了预测,采取了针对性的上堵下疏工程和安全措施,有效规避了突水灾害。配套工程取得了较好的效果,确保了施工安全,为深部复杂条件下盲竖井的施工积累了经验,值得推广。

磷矿大直径暗立井反井施工技术

贵州开阳磷业有限公司沙坝土矿南翼回风暗立井工程,采用BMC600型反井钻机施工,5m直径一次成井。该工程为国内首次井下采用反井钻机直接扩刷5m直径井筒,也是国内非煤矿山领域首次进行直径5m的反井施工;施工中克服了狭小巷道内的设备运输和安装、5m大直径扩孔钻头井下组装、磷矿地层钻具适用性以及电气控制系统改造等多项技术难题,保证了工程顺利施工。工程施工效率高,最终成井效果良好,为我国非煤矿山领域大直径反井施工提供了经验。

焦冲金矿-460～-580m中段盲回风斜井贯通测量实践

焦冲金矿-460～-580 m中段盲回风斜井贯通工程是矿山一项控制工程。由于在施测前结合矿山测量仪器现状,进行了贯通误差预计,从而使制定的贯通测量施测方案切实可行,确保了盲回风斜井顺利贯通。

秦岭矿业公司深部盲竖井施工岩爆治理工程实践

秦岭矿业公司杨砦峪矿区深部3号盲竖井施工过程中多处发生岩爆现象,导致450 m水平马头门顶板冒落和上方井筒大面积片帮,喷浆和锚网大面积脱落。提出了对马头门上方井筒段采用井圈+锚网喷联合支护和对马头门采取U型钢拱架+锚网喷联合支护的加固方式,详细介绍了施工工艺过程。工程应用表明:采用联合支护技术确保了马头门和井筒的施工安全,提高了施工质量,使得3号盲竖井施工工程顺利进行。

千米盲竖井注浆帷幕围岩塑性劣化特征研究

为了研究凿井开挖卸荷对千米竖井注浆帷幕堵水性能的影响,采用理论分析和数值模拟方法研究了竖井注浆帷幕围岩开挖卸荷塑性劣化特征。建立了轴对称荷载条件下竖井注浆帷幕和外部岩体的组合圆筒模型,采用厚壁圆筒理论对竖井注浆帷幕围岩进行了弹塑性分析,推导了竖井注浆帷幕塑性劣化区半径计算公式,得到了井筒开挖卸荷后注浆帷幕围岩二次应力分布特征和围岩响应曲线。以毛坪矿千米级盲竖井为案例,分析得到开挖卸荷后,竖井注浆帷幕围岩塑性劣化区半径为5.14 m,峰值切向应力为51.69 MPa,最大应力集中系数为1.72。结果表明:凿井开挖卸荷会导致注浆帷幕产生较大的塑性劣化范围,明显减小有效堵水帷幕厚度,不利于保证注浆帷幕堵水效果;竖井注浆帷幕围岩开挖卸荷塑性劣化半径对支护力敏感,增加支护力可有效控制注浆帷幕围岩塑性劣化范围,建议在凿井过程中及时支护,避免注浆帷幕围岩劣化范围继续扩大。论文研究成果可为千米竖井井筒基岩含水层注浆堵水提供技术参考。

暗立井罐笼制动绳快速更换

钱家营矿业分公司-600m水平辅助提升暗立井,需更换双层罐笼1个,更换罐笼制动绳2根。采用传统施工方法,不能满足工期要求。经过开阔思路,积极创新,提出并采用了制动绳更换新方法。即利用原有的提升罐笼及首绳,对2根制动绳同时进行更换,提高了工效,比计划工期提前2d交井,实现了快速施工。此项技术具有设备投入少、准备工作量小、操作简便、安全可靠、工期短、成本低等优点,可推广应用到罐道钢丝绳更换施工中,极具推广应用价值。

皖南某铜矿深部开采提升方案的探讨

通过对皖南某矿深部开采4个开拓方案的综合经济技术比较,推荐主井+盲斜井延伸联合提升方案为最佳方案。

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。

厚基岩地层竖井钻机钻井法钻进技术参数及其速度分析

竖井钻机钻井法具有施工安全性好、机械化程度高、井壁质量好等优点,可实现打井不下井,本质安全的目标。分析了我国西部与中东部钻井地层的差异性,中东部地层基岩占比不超过20%,而西部地层基岩占比超过80%;针对西部煤系地层厚基岩特性、井筒设计和钻机能力等条件,分析并计算了厚基岩地层竖井钻机钻井直径、深度和钻进分级,提出了进风立井“一钻成井”和回风立井“一扩成井”的钻井工艺;分析了不同地层条件下机械破岩钻进的钻压、转速等技术参数及对应的钻进速度,一次全断面钻进ϕ8.5m井筒,钻头的破岩面积近56.8 m^(2),宜采用低钻压和低转速的方式钻进,而ϕ4.2m钻头超前钻孔和ϕ8.5m钻头扩孔钻进时,可适当提高钻压以达到体积破岩的目的;根据钻井工程数据实测统计,进风井ϕ8.5m全断面一次钻进深度达到491.0m,最高月进尺62.3m,回风井ϕ4.2m钻头超前钻进深度513.1m,最高月进尺110.4m,ϕ8.5m钻头扩孔钻进深度为511.0m,最高月进尺171.3m。陕北可可盖煤矿中央进、回风竖井是竖井钻机钻井法在西部煤系地层的首次成功应用,可为西部厚基岩地层竖井钻机钻井法凿井提供参考。

矿山盲电梯井施工方法创新分析

盲电梯井(JP/TM)是一种高精度且施工难度较大的电梯井道,其最大的优势就在于能够在矿坑的所有地层及地表地形环境下开展精密的施工作业,为后续矿井工作给予良好的施工条件。由于矿井地下施工往往会存在安全风险,且地质情况复杂,矿井测量工作涉及许多复杂的地质因素。所以,在井下作业时,必须采取一定的安全措施才能进行测量作业,以保证测量作业的安全性,为此,文章将通过对该方法的安全风险及创新点开展深入分析,希望能为工程建设单位和施工单位提供一定的参考。