大口径地面钻孔救援技术与装备发展

大口径地面钻孔救援技术多次在矿难救援中得到成功应用。但由于地层的复杂性、装备及工艺适配性不足等各方面的限制,影响了地面钻孔救援的施工效率。本文以矿难大口径地面钻孔救援装备和大口径钻孔快速钻进技术为主线,分析了目前地面钻孔救援技术存在的主要问题,并针对性地提出了应对措施,包括研发双动力头钻机、跟管钻进技术、高效套管焊接技术、潜孔锤钻进技术以及反循环钻进技术等,以期为今后矿难大口径地面钻孔救援施工技术及装备研发提供建议与技术基础,进一步提升钻孔救援的施工效率,加速构建科学的矿难救援体系。

救援车载钻机钻具自动拧卸系统研制及应用

救援车载钻机施工大直径救援孔时需要频繁起下钻具,钻具自动拧卸系统作为钻机起下钻拧卸钻具的重要组成,其拧卸效率和可靠性直接影响救援钻孔的施工效率与施工安全。针对目前矿山救援车载钻机孔口平台难以满足大直径钻具通过性要求、钻具拧卸自动化水平低等问题,研发可满足大直径钻具通过及快速对中、夹持、自动拧卸功能集成于一体的钻具自动拧卸系统。研制了可与钻机快速拆装的大开口液压孔口装置,可以实时监测和调节孔口装置的水平度,并且满足孔内钻具承载和不同工况的起下钻施工要求。研制了具有双导轨结构的钻具自动拧卸装置,可以实现液压吊卡起下钻和顶驱加装双臂钻具起下钻两种施工工艺。经过结构仿真分析、型式检验和现场工业性试验,最终形成一套大通径、结构紧凑、具有高负荷承载力,可实现手、自一体化一键上卸扣作业,满足850 mm集束潜孔锤起下钻要求的钻具自动拧卸系统,提高了钻具拧卸效率,为救援钻孔的快速施工提供了可靠的装备保障。

旋挖钻机快速构建生命救援通道探析

基于2021年8月份云南某地隧道关门坍塌事故救援,介绍小导坑救援、大口径水平钻机救援和旋挖钻机竖井救援3套方案的制定和实施,最终使用旋挖钻机开挖竖井,人工破除隧道拱顶初支钢筋混凝土后,将被困隧道77小时的5人全部救出;分析救援工作暴露出的问题,并提出建议,这是首次使用旋挖钻机开挖竖井形成通道成功救援的案例。

100T分体型车载钻机穿越采空区试验研究

100T分体型车载钻机由钻机车和动力泵站组成,动力泵站采用标准集装箱吊装规范,方便运输吊装,其封闭箱式的设计隔音降噪,克服了元部件过去因直接暴露在外部环境下导致的寿命缩短和后期维护工作量增加的问题,同时100T分体型车载钻机技术性能先进、制造精良、质量可靠,具有工艺适应性强、移动搬迁迅速、占地面积小的特点,具备施工孔深500 m(孔径Ф711 mm)和孔深2500 m(孔径Ф153 mm)的钻孔能力,能够满足地面矿山应急救援和煤层气开发需要。在山西晋城寺河矿区进行了现场工业性试验,顺利完成了一口终孔直径Ф171.5 mm、井深1096 m穿越采空区的L形煤层气生产井。试验中未发生任何机械故障,试验结果验证该100T分体型车载钻机具备较强的工艺适应性和稳定性。

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。

JGZ-1220大口径应急抢险救援工程钻机的研制与开发

本文介绍了JGZ-1220大口径应急抢险救援工程钻机的研发和试验情况。该钻机可采用泥浆正循环、气举反循环、空气反循环等多种施工工艺,转盘通孔直径达到1200 mm,是施工大直径钻孔的高效设备,主要适用于矿山应急抢险救援井、预建地面直通避难硐室的逃生出口井、矿山通风井、采空区填充井等钻孔的施工。

履带式双管双动跟管钻机在滑坡抢险中的应用

在边坡治理工程中常采用预应力锚索,但传统的锚索钻机在钻掘硬岩时,进尺非常缓慢,而且根管难以拔出。通过采用高效的履带式双管双动跟管钻机在滑坡体上进行锚索成孔,大大提高了成孔效率和下锚质量,节约了锚索成孔时间,为滑坡治理赢得了宝贵的时间。同时,总结和分析了其与传统锚杆钻机的优缺点,为提高滑坡治理效率提供了新思路。

矿山灾害生命保障救援通道快速安全构建关键技术与装备

矿山发生重大灾害事故导致井筒、巷道破坏,人员被困井下时,通过安全、高效地构建救援通道是最有效的救援方式。救援通道包括井下、地面2种形式,井下具备施工条件时,构建穿过坍塌段的大直径救援通道,是最直接的方式;井下不具备施工条件或易发生次生灾害时,则需先在地面快速、精准钻进小直径搜救孔,确定井下被困人员位置及身体状况,并及时输送给养,再构建大直径救援井,采用专用救援提升装备保障被困人员升井脱困。研究涵盖机械工程、钻井工程、电气工程、软件工程、流体力学、岩土力学、动力学、先进控制技术等多学科多领域,将理论分析、数值模拟、实验研究、型式试验、工程示范相结合,以“救援通道构建装备研制—生命保障通道构建技术开发—大直径救援通道构建技术开发—地面提升救援装备开发—技术与装备集成及工程试验”为主线,开发钻孔救援关键技术与装备。研制了3套应急救援集成装备,ZMK5550TZJF50/120型救援车载钻机最大提升力1200 kN、最大转矩50000 N·m,开发了钻机与配套机具的一体化集中控制系统,单根起下钻效率小于3 min/根;XZJ5240JQZ30型救援提升车开发了多传感器信息融合的通信监测控制系统,提升系统最大救援深度848 m;ZDG1500型井下大直径顶管机直径1630 mm,最大顶推力8541.2 kN。开发了复杂地层生命保障孔快速、精准钻进技术,地面大直径救援井精准、安全、高效钻进及透巷技术,井下大断面救援通道顶管快速施工技术3项矿山应急救援通道构建技术。在宁夏宁煤梅花井矿开展了国内首次生命保障孔及大直径救援井施工、救援提升的集成研究和工程示范,完成井径215.9 mm、井深670.5 m生命保障孔,用时46.83 h,井底水平位移偏移0.27 m,满足72 h黄金救援时间内成孔要求;完成井径830 mm、井深654.1 m救援井,井底水平位移0.19 m,介质溃入井下约7.5 m~3,并在救援井内成功进行了救援提升技术与装备试验。在广东省基础工程集团有限公司碎石场开展了顶管钻进工程模拟坍塌条件下的试验,施工长度102.5 m,日进尺43.92 m,顶进误差0.35 m。相关成果在湖南源江山煤矿、山东栖霞金矿、新疆丰源煤矿等5次矿山灾害应急救援中进行了应用。开发的3项救援通道施工技术及3套救援装备,构成了具有自主知识产权的矿山井上井下联合救援技术与装备体系,可满足600 m深度的矿山应急救援需求,为我国矿山灾害救援提供技术装备支撑。

大口径救援生命通道的施工工艺及钻具配置

在山东平邑石膏矿坍塌事故中,经过36天的救援,被困井下的4名幸存矿工从220 m深的井底全部获救升井,在救援过程中,采用了针对不同的地质条件,分别采取旋挖钻机、液压车载钻机以及双壁钻杆空气潜孔锤反循环、牙轮钻头双壁钻杆空气反循环、牙轮钻头空气正循环、牙轮钻头双壁气举反循环等钻井工艺进行救援生命通道的建造,取代了以往只采用单一钻机、单一工艺进行生命通道的建造,这使得矿山救援的成功率得到了提高。这次成功救援积累了矿山救援经验,为以后的矿山救援打下了基础。

救援车载钻机同步自平衡式给进系统设计与应用

车载钻机是矿山事故地面钻孔救援的核心装备,在国内外历次成功救援中发挥了重要作用,给进系统是车载钻机的主要执行机构,使用过程中暴露出长工作行程制约整机通过性、定位轮系维护困难、双油缸运动同步性不强、动力头偏载引起导轨磨损、液压表显示起拔力延时等问题。研制的ZMK5550TZJF50/120型救援车载钻机采用基于油缸—钢丝绳倍速传动机构的伸缩桅杆式结构,实现了长工作行程和短运输尺寸;设计快换式轮系、钢丝绳防扭转张紧系统,解决一二级给进机身的辅助定位系统安全保护和维护困难的难题;采用给进系统油路同步补偿和先导控制技术,解决给进装置双油缸同步的难题;研发抽屉式调平体和测力销轴结构,实现动力头钻进过程中自平衡式调节及起拔力监测。经过静态、模态分析、应变测试和现场工业性应用,给进系统最大起拔力达1205 kN,能够有效处理大直径救援井施工过程中卡钻、埋钻等孔内事故,配合动力头、钻杆加卸系统,具有快速起下钻具功能,可大幅度提高倒杆效率,单根起下钻效率小于3 min/根。研究结果表明:救援车载钻机伸缩桅杆式给进装置运输尺寸短,钻机机动性强,道路通过性好;现场试验中处理了多次孔内卡钻、埋钻事故隐患,稳定和可靠性较高、可维护性好、起拔力监测准确、倒杆效率高,可以满足600 m深度救援井施工需求。给进装置轻量化,以及执行系统、传动系统、动力系统之间的响应匹配优化研究是今后的重点方向。

隧道抢险救援大口径水平钻机应用研究

国家隧道应急救援队伍多次采用大口径水平钻机救生通道成功营救隧道坍塌事故被困人员,发挥了专业救援装备的实效。通过研究我国陆续采购的4台FS-120CZ大口径水平钻机的优缺点,劣势分析,在国家行业监管层面、救援队伍层面从科研攻关、整合资源、完善方案、战训演练等方面,提出了提升和改进的措施。

地面救援车载钻机的研制

矿山发生事故导致人员被困井下时,通过地面钻孔进行救援是一种有效的手段。救援车载钻机可适应多种钻进工艺,具有地层适应性广、机动性高、事故处理能力强等优点,是矿山事故救援的理想机型。鉴于国产车载钻机在生命保障孔及大直径救援井施工中存在的不足,研制了ZMK5550TZJF50/120型车载钻机,开发了适应多种工艺的大能力动力头,采用大通孔主轴、大通径冲管、气举反循环气管安设接口等设计,转速转矩调节范围宽,可满足多种钻进工艺,实测最大转矩51350 N·m,具备施工大直径钻孔和处理事故能力;设计了油缸-钢丝绳伸缩式桅杆给进装置,实现长工作行程14 m,短运输尺寸13.6 m,实测最大起拔力1205 kN,具备孔内事故强力解卡的能力。将动力及电液控制系统集成至动力泵站,为车载钻机、钻杆输送系统、井口平台提供动力源和控制源,分体式布局解决了钻进能力提升与整机质量尺寸间的矛盾,满足道路运输要求,能充分发挥钻机的高机动性。为提高起下钻效率、机械化程度,减少工人数量并降低劳动强度,研制了钻具自动加卸系统,通过HG2-01型换杆装置、液压提引装置、自动拧卸装置协同作业,实现起下钻具效率小于3 min/根。钻机在宁夏梅花井矿完成了直径830 mm、深度624.1 m救援井的施工,平均机械钻速3.1 m/h,透巷井深654.1 m,具备600 m深度的钻孔救援能力,为我国矿山灾害救援提供了装备保障。

基于ABAQUS的救援车载钻机动力头设计与优化

从地面施工大口径救援孔是井工矿发生矿难进行应急救援的重要手段。以救援车载钻机执行机构中的核心部件动力头为研究对象,针对车载钻机动力头主机回转扭矩与提升力较大、可靠性要求高的特点,设计了由回转器、旋转头以及拖板三大主要部件组成的动力头,旋转头可相对回转器独立旋转,满足钻机起下钻要求。设计完成后,采用数值模拟软件ABAQUS按照实际工况对钻机关键部件进行了有限元分析,并根据分析结果对部件结构进行了有针对性的优化,优化后的结果满足使用需求。

煤层气车载钻机动力头的研制及应用

为满足地面煤层气抽采孔、电缆孔和矿山地面救援孔的施工需要,研制了一款适用于煤层气车载钻机的多功能动力头。该动力头采用双速液压马达一级齿轮减速驱动主轴回转,结构紧凑、传动效率高、主轴通径大、转速扭矩调节范围广且具有主轴制动功能,可适用于空气潜孔锤、气举反循环和定向钻进等多种钻探工艺。现场试验表明,该动力头能力大,效率高,功能全且易操作,为高效安全钻井施工提供设备保障。