Numerical simulation and analysis of drill rods vibration during roof bolt hole drilling in underground mines

Structural deterioration in the roof in an underground mine can easily cause roof fall, and deterioration is difficult to detect. When drilling holes for roof bolts, there is a relationship between the vibration of the drill rod and the properties of the rock being drilled. This paper analyzes transverse, longitudinal, and torsional vibrations in the drill rod by using vibration theory. Characteristic indexes for three kinds of vibration are determined. Using the finite element analysis software ABAQUS, a model for drill rod vibration during the drilling of roof bolt holes was established based on the geological and mining conditions in the Guyuan Coal Mine, northern China. Results from the model determined that the transverse and the longitudinal vibration decrease as the rock hardness decreases. In descending order, sandstone,sandy mudstone, mudstone, and weak interbeds cause progressively less vibration when being drilled.The ranking for strata that cause decreasing torsional vibration is slightly different, being, in descending order, mudstone, sandstone, sandy mudstone, and weak interbeds. These results provide a theoretical basis for predicting dangerous roof conditions and the presence of weak interbeds to allow for adjusting bolt support schemes.

松软煤层钻进钻杆减重降阻机制及应用研究

施工瓦斯抽采钻孔是治理瓦斯危害的必要手段,针对松软煤层钻进因钻杆自重大引起的钻进阻力大、钻进效率低及劳动强度高等问题,提出了优化钻杆结构以减少自重并降低钻进阻力的研究思路,通过设置四翼内凹结构达到减小钻杆自重及降低钻进阻力的目的,并依此设计了四翼内凹刻槽钻杆,兼顾钻杆推进阻力和旋转扭矩损失,建立了钻杆钻进阻力模型,结合ANSYS数值模拟方法对四翼内凹刻槽钻杆进行强度校核分析与参数优化,研制了四翼内凹刻槽钻杆,并进行了现场工业性试验。研究表明:(1)对于100m钻孔深度,四翼内凹刻槽钻杆相对于圆状刻槽钻杆质量减轻了21.88%,在正常钻进时,四翼内凹刻槽钻杆与圆钻杆相比旋转扭矩损失降低了25.10%;与圆状刻槽钻杆相比降低了20.90%。在塌孔10m的情况下,四翼内凹刻槽钻杆钻进阻力相对于圆钻杆降低了51.44%,相对于圆状刻槽钻杆降低了43.65%。(2)对四翼内凹刻槽钻杆进行强度分析与参数优化,结果显示,在常规坑道钻机作用下,钻杆最大应力与内凹深度呈正相关,与壁厚呈负相关,壁厚对于应力的影响大于内凹深度的影响,且在内凹宽度为33mm、深度为4mm、壁厚为11.5mm时,安全系数为1.59。(3)现场工业性试验表明,四翼内凹刻槽钻杆排渣顺畅,强度可靠,钻进深度提高了18.18%,钻进效率提高了17.80%。在保证钻杆强度的前提下、通过钻杆结构创新有效降低钻杆质量,对于降低工人劳动强度、提高钻进效率和成孔率具有显著的效果,为推动复杂地层钻探技术发展提供了新的方法。

锚杆钻车运行中支护承载结构及围岩受力变形分析

目的针对单轨液压锚杆钻车运行过程中支护承载结构及围岩受力变形难以观测分析的问题。方法利用研发的CMMD4-35煤矿用单轨液压锚杆钻车,结合长城五矿1902S回风巷巷道现场情况综合分析钻车在大断面大倾角巷道动态运行的支护、承载及围岩协同受力变形特征。结果研究表明,钻车运行过程中吊挂板的受力变形在悬吊点处均达到峰值,工字钢在悬吊点的部分位移最小,与钻车直接接触的部分受力最大;锚索中部主要受到拉应力,靠近巷道一侧主要受到剪应力,而巷道两帮的锚杆拉应力主要分布在靠近巷道内部一侧;巷道顶板悬吊点处位移最大,两帮靠近顶板位移高于底板处,而巷道偏向低帮处底板的位移大于高帮处;以单轨液压锚杆钻车为核心的新型配套工艺可以有效控制围岩变形,支护效果良好,比传统以掘锚一体机为中心的机器化工艺掘进效率更高。结论研究明确了CMMD4-35煤矿用单轨液压锚杆钻车在实际应用的可行性,解决了现有掘锚一体机难以在复杂地质条件下大断面煤巷自动化掘进支护的问题,提升了煤巷支护效果掘进效率,为CMMD4-35煤矿用单轨液压锚杆钻车的现场应用提供了理论依据。

89钻杆自动排放机械手设计与研究

为了解决目前人工辅助完成陆地钻台立柱存取存在排放工作劳动强度大、安全性低等问题,以KV3000钻井平台为大环境、89钻杆组成的立柱为研究对象,设计了钻杆自动排杆机械手。首先,对钻井过程中存取立柱的动作及时序过程进行分析;其次,采用动力学仿真分析方法对自动排放机械手进行干涉检查和行程检验,并针对核心零部件进行有限元分析。结果表明:研究装置可顺利完成钻杆存取工作,实现立柱在立柱盒与井口之间的位置转换,加速度均为线性,变化比较平稳,整体无较大波动;核心零部件最大变形为0.15167 mm,最大应力为59.875 MPa,均在允许范围。设备结构合理、运动轨迹规划合理、核心受力部件满足使用要求,提高了钻井作业过程中的自动化程度和安全性,为钻井作业钻杆自动排放提供了解决方案。

四翼内凹刻槽钻杆高效排渣钻进技术研究

为解决松软煤层钻进钻孔排渣通道堵塞这一制约钻孔施工效果的关键难题,基于优化钻杆截面形状以增大排渣空间、预防钻孔堵塞这一理念,提出四翼内凹刻槽钻杆几何设计构想,通过孔内排渣阻力力学方程计算验证、钻杆排渣效果数值模拟,分析钻杆结构参数对排渣性能的影响,研制四翼内凹刻槽钻杆并在某矿进行工业性试验。研究结果表明:相较于传统圆状刻槽钻杆,四翼内凹刻槽钻杆在施工过程中具有更大的排渣空间,通过孔内沿程阻力计算对比,四翼内凹刻槽钻杆孔内沿程阻力较圆状刻槽钻杆低13%;数值模拟计算结果表明,当弧形内凹切槽对钻杆的圆心角α=35°、切入深度|EF|=4 mm时,渣体运移距离最大,平均运移速度最大,排渣性能最优;工业性试验表明,使用四翼内凹刻槽钻杆施工钻孔,班进尺长度和终孔深度得到显著提升。研究结果可为煤矿瓦斯抽采钻孔钻具设计提供参考。

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。

基于ADAMS的深孔钻机柔性钻杆动力学仿真分析

在救援钻机等深孔钻探装备中,长直钻杆表现出明显的柔性特征,研究其在钻进过程中运动学与动力学特性对提高钻进效率和成孔质量具有重要意义。选取总长度为100 m的长直钻杆为研究对象,建立动力头、钻杆、钻头及孔壁三维模型,采用ANSYS对钻杆进行柔性化建模,使用ADAMS对钻杆进行刚柔替换并建立柔性钻杆的动力学仿真模型,对钻头未接触孔底及接触孔底建立钻压两阶段进行动力学仿真,分析柔性钻杆运动学及动力学特性。研究结果表明:深孔长直钻杆表现出较为明显的柔性特征,两阶段状态下均会产生弯曲变形并与孔壁发生间歇碰撞接触,且越靠近钻杆下端,碰撞接触程度越剧烈。

基于EBZ260M改进的平动式锚杆钻机的模态分析

平动式锚杆钻机是在EBZ260M型锚杆钻机的基础上改进而成,其采用双摆动油缸的设计不仅提高了操作的效率还降低了操作难度。该钻机在工作中工况多变、受力复杂,其动力学性能直接影响设备工作效率和稳定性。通过在典型工况下使用SolidWorks和ANSYS软件进行模态分析,结果表明:力臂长度对锚杆钻机的影响较大,最低的固有频率约为20 Hz,高于其断续工作的最大频率11.983 Hz,不会发生共振。

TGQ-200RC型多工艺自动化钻机的研制与应用

新一轮找矿突破战略行动对钻探技术提出更高要求,利用浅钻技术在浅覆盖区进行快速查证是重要的技术手段。多工艺钻探可以为复杂地层钻探施工提供绿色高效的钻探技术支撑。围绕这一需求研制了TGQ-200RC型多工艺自动化钻机,制定了钻机的总体方案,研制了多工艺动力头、夹持拧卸装置、6自由度移摆管机构、车装集成式液压储杆库、电液控制及参数监测系统等钻机主要部件,规划了自动加减钻杆过程中多机构协同动作控制流程。实钻试验表明,TGQ-200RC型钻机钻进效率高,取样质量好,具有多工艺、机动化、自动化、数字化等特点,单次自动加减钻杆平均用时约90 s,配合无线遥控可实现孔口无人操作,有效降低劳动强度,提高施工安全性。TGQ-200RC型多工艺自动化钻机可以为构建绿色、高效、经济的快速查证钻探技术体系提供坚实支撑,为推动国内浅层钻探装备自动化升级提供有益借鉴。

掘锚机用可升降帮锚杆钻机

介绍了一种可升降的帮锚杆钻机,该钻机包括联接底座、主架体、升降滑块、帮钻机主体、油缸等,主架体设于联接底座上,并与联接底座滑动联接;升降滑块与主架体滑动联接,钻机主体与升降滑块相联。该钻机回转间隙小,摆动精度高,且整体机构更紧凑、占用空间小,灵活性和效率更高。

大型立辊深孔加工工艺的优化

深孔加工的特点是工艺复杂、难度大。本文从工艺中的难点切入,结合现有深孔加工的案例,提出在卧式镗床上加工,改进普通麻花钻的结构,优化加工工艺参数,细化操作手段,为高效稳定的深孔加工提供借鉴作用。

CMM2-28Y型煤矿用液压锚杆钻车在伯方煤矿中的应用

传统采用气动锚杆钻机进行井下锚网支护的安全性能差、支护效率低、劳动强度大,且其最大扭矩力不能满足顶板锚杆扭矩力要求。为提高掘进工作面锚网支护质量,伯方煤矿在3306回风顺槽成功引进CMM2-28Y型煤矿用液压锚杆钻车,该钻车具有钻进功能全面、安全性好、工作效率高、工人劳动强度低等优点,应用前景广阔。

高强度柔性钻杆研制及试验

随着超短半径钻井水平距离逐步延伸,对其中重要工具柔性钻杆的力学与密封性能不断提出更高的强度要求。针对现阶段柔性钻杆结构强度要求高、寿命短、密封难的问题,研制了一种高强度柔性钻杆,采用球铰结构连接钻杆短节,使节与节既可以弯曲一定角度,又可以传递扭矩和钻压。利用有限元软件建立了该柔性钻杆单节三维有限元模型,采用应力分类法对柔性钻杆结构强度进行校核。开展了三节柔性钻杆的抗拉、抗压、抗扭结构强度以及承载后的密封性能的室内试验。试验结果表明:所研制的高强度柔性钻杆单独受载时,在承受31 kN·m极限扭矩,1 120 kN拉伸载荷,270 kN压缩载荷时仍能满足强度要求。所得结论可为油田高强度柔性钻杆的研制提供理论依据。

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。

煤矿用电动锚杆钻车研制

针对煤矿巷道局部支护失效、使用单体锚杆钻机进行人工补打作业且工人劳动强度大、施工环境差、人力施工侧帮高位锚杆钻孔较为困难的问题,研制了适用于煤矿巷道补打锚杆的轮式电动锚杆钻车。从煤矿井下补打锚杆支护作业需求及电动锚杆钻车技术要求出发,介绍了钻车总体方案设计思路,设计了零污染新能源电驱胶轮式底盘、锚固施工作业全流程自动化工作装置、相关液压动力及电控变压系统。该钻车实现了安全高效自动化锚固施工,为煤矿井下巷道局部支护失效锚杆补打作业科学高效施工提供了装备保障。

42CrMoA冲击式凿岩钎杆用钢淬火开裂缺陷分析与研究

冲击式凿岩钎杆用钢因用于破碎岩体,故对材料的化学成分及热处理工艺有较严格的要求,在淬火时往往先进行650℃左右的正火以均匀其化学成分和组织,以满足对强塑积的要求。文章就某批42CrMoA冲击式凿岩钎杆用钢生产过程中淬火开裂问题进行分析,依据3种不同缺陷试样及正火后待淬火的正常钎杆试样进行宏观分析,以及化学成分、低倍、金相和硬度检验,确定缺陷发生的原因为热处理不当导致的应力裂纹,并提出了防止淬火开裂的改进措施。

矿用高强度钻杆接头性能提升研究

钻杆作为煤矿钻进施工中的重要工具,起着传递扭矩和输送钻井液的重要作用。施工过程中接头螺纹处应力集中是整根钻杆的薄弱环节,故接头的质量决定了钻杆的使用寿命。以高韧性高强度钻杆接头为研究目标,从化学成分、微观组织、断口扫描和力学性能方面对其提升前后调质态性能进行对比研究,并进行了现场试验。结果表明,现场试验结果与性能分析结果吻合,高韧性高强度钻杆更适合煤层顶板高位大直径定向瓦斯抽采钻进。

煤矿井下钻孔施工用常闭式防喷系统及方法

针对煤矿井下瓦斯抽采钻孔施工中,瓦斯超限、煤与瓦斯突出事故易发的难题,分析了传统简易孔口装置与常开式自动孔口防喷系统存在的问题,提出采用常闭式防喷系统及方法。常闭式防喷系统可与钻机本体集成,满足各种异形巷道孔口密封、排渣及抽气使用需求;同时控制系统可与钻机电液控系统联动,实现孔口防喷系统泄压自动关闭,防止孔内瓦斯泄露。该防喷系统与传统及现有孔口防喷系统相比系统简洁明了,与钻机适配性更强,钻孔防喷治理效果显著提升,工人劳动强度明显降低,可为煤矿井下瓦斯抽采钻孔施工的安全性提供有力保障。

煤矿井下钻杆装卸机械臂设计与应用

针对液驱钻杆装卸机械臂控制精度低,动作连贯性差,不利于实现钻机智能化的问题。以防爆伺服控制技术为切入点,结合钻探施工工艺技术,设计六自由度电驱防爆机械臂,用于煤矿井下钻杆自动装卸,打造新一代智能化钻杆装卸平台。首先分析了钻杆装卸机械臂主要参数,根据参数要求设计机械臂结构方案,再进行机械臂驱动部件选型计算,最后通过运动学仿真与分析,验证机械臂满足钻杆装卸要求。现场试验表明,设计的钻杆装卸机械臂运行稳定,智能化程度高,适用于煤矿井下恶劣环境。

基于扰动观测器的液压锚杆钻臂自适应神经网络跟踪控制

在井下复杂工况条件下,液压锚杆钻机的一些物理变量往往难以测得,且会随周围环境发生变化,这些时变参数会对控制性能产生影响。针对复杂多样的液压锚杆钻臂,首先通过状态变换得到锚杆钻臂位移系统模型空间表达式;然后采用神经网络径向基函数对未知不确定项进行逼近,并采用动态曲面技术解决计算复杂问题;最后设计了一种新型扰动观测器来估计由外部扰动和神经网络误差,结合反步法递推出控制器。根据Lyapunov函数证明系统是半全局稳定的,跟踪误差收敛至零点附近。通过与传统PID控制仿真对比,该控制器的控制精度、稳定性和鲁棒性均有显著提升。