气动潜孔锤技术在矿山事故钻孔救援中的应用

气动潜孔锤作为一种高效冲击破岩工具,在国内外矿山事故钻孔救援中发挥了重要作用。笔者从破岩机理、结构型式、钻井方法与规程等方面阐述了气动潜孔锤的技术特点,着重分析了气动潜孔锤反循环类型及其特征。结合山西王家岭煤矿透水事故、山东平邑石膏矿坍塌事故、山东笏山金矿坍塌事故等成功救援案例,阐述了气动潜孔锤正循环钻进、气动潜孔锤与泥浆螺杆组合纠偏钻进在小直径钻孔中应用情况,以及气动潜孔锤随钻测量技术的研究进展。对于较浅小直径钻孔,气动潜孔锤采用保直钻进工艺可直接命中井下巷道;对于较深小直径钻孔,采用气动潜孔锤与泥浆螺杆纠偏组合钻进,方可命中井下巷道。结合国内外地面大直径救援钻孔成功案例,以及矿山大直径工程钻孔典型案例,介绍了气动潜孔锤正循环、下排渣、反循环等推广应用情况,气动潜孔锤下排渣最大钻深达688 m,气动潜孔锤反循环最大钻深达654.1 m。针对我国矿山开采逐渐向深部发展,矿山分布散、区域广,地质类型多、差异大的特点,面向复杂地层深孔救援,分析了小直径钻孔气动潜孔锤技术存在的不足之处,重点分析了大直径救援孔气动潜孔锤正循环、下排渣、反循环等技术面临的主要问题,明确其复杂地层钻进时技术缺陷实质,建议进一步开展气动冲击定向钻进技术、大直径钻孔气液双循环钻进技术的研究。      

钻探技术在矿山灾害事故应急救援中的应用

钻探作为一种有效的应急救援手段在矿山灾害事故应急救援工作中得到了应用。本文根据应用目标不同将应急救援钻孔分为生命保障孔、救生孔、排水孔、灭火孔、瓦斯抽放孔等。生命保障孔钻探技术、排水孔钻探技术、大口径救生孔钻探技术等3种典型的矿山灾害事故应急救援钻探技术在矿山灾害应急救援工作中得到成功应用,取得了不错的效果。加强矿山灾害事故应急救援钻探技术配套设备的研发和相关钻探工艺研究将有力促进矿山灾害事故应急救援的发展。     

矿山钻探应急救援中生命通道的钻井技术以山东栖霞笏山金矿事故救援1号孔为例

矿山事故发生后,首先救人。如果井筒或巷道遭到破坏,救援人员要想到达井下事故现场,必须清理井筒、巷道,如清理所需时间长,危险性高,则必须果断采取地面钻井救人的方法。先钻小眼井,贯通巷道,保障被困矿工生命,包括送风、送给养、送药品、通讯等,称为生命通道;然后,钻进大眼井,实施地面钻井垂直救援,称为救生通道。以栖霞笏山金矿救援1号孔为例,介绍生命通道的钻井工艺技术。     

钻孔雷达反射成像在岩溶发育场地探测中的应用

我国岩溶区分布广泛,且复杂的岩溶现象对建筑安全、地基稳定以及场地勘察有较大影响。钻孔雷达作为一种井中地球物理方法,可以利用地下介质的物性差异查明岩溶发育的情况,弥补常规勘察手段在探测岩溶发育场地中存在的不足。依据钻孔雷达单孔反射信号的同相轴特征、反射波首波走时和反射波的衰减等特征,可判断钻孔周边未揭露溶洞和裂隙的分布,确定钻探揭露溶洞的水平方向直径以及岩石完整性,从而达到查明各种岩溶形态的规模、空间密度及其分布规律的目的,为工民建各项工程建设的设计和施工提供准确详尽的地质资料,确保工程的稳定性。      

地面与空中地球物理探测在矿山中的环境应用

某些环境问题可大大地改变近地表层的物理性质。对比，地球物理探测方法可在钻控或取样这前用于勘测地下污染和掩埋的废料的分布。例如由酸、碱、盐或金属离子造成的无机污染可用测量地下电导率的仪器探测；又如掩埋的铁桶、管道等金属体可用磁测定位；矿山的放射性尾矿可用放射性探测圈定，地球物理探测还可用于表征现场地质情况。如果在地区开发之前进行地球物理探测，就能够帮助查明高、低渗透性地段和天然污染源。这些方法还可用     

气动潜孔锤技术在矿山事故钻孔救援中的应用

为解决矿山应急救援钻孔作业过程中井涌井漏事故预警预测困难等问题,建立了基于机器学习的钻进过程井涌井漏事故预警预测模型。首先对井涌井漏事故发生初期时的钻进参数进行事故表征参数分析;其次对事故表征参数进行数据清洗处理,在此基础上,通过XGBoost事故诊断预警模型对井涌井漏事故进行早期诊断识别;随后建立PSO-LSTM事故发展预测模型,对事故发生后的孔底压力参数发展趋势进行预测,提前掌握钻进事故发展状态;最后通过实际钻进数据对预警预测模型的有效性进行验证。结果表明：XGBoost事故诊断预警模型能根据总池体积、立管压力、出入口流量差和动力头负荷这4种钻进参数的异常变化,快速准确诊断钻进过程中的井涌井漏事故;PSO-LSTM事故发展状态预测模型能充分学习孔底压力参数发展规律,综合相似文献   

钻孔救援连续缆管储放设备研制

双钻头仿生自平衡连续钻进技术具有无需钻机、钻进速度快和对井壁扰动小等优点,是构建矿山灾害保障救援通道的潜在关键技术之一。该技术中的连续缆管由于内置有电源、信号和排屑等通道,要求在储放过程中不能出现像现有滚筒式绞车储存连续管时存在的互咬、挤压和设置动静导电滑环等情况,故需研制与之匹配的专用连续缆管地面储放设备。依据双钻头自平衡钻进技术的需求和连续管滚筒式绞车储存技术存在的不足,提出了连续缆管套筒式储存和夹持式输送原理,构建了连续缆管套筒式储存和输送模型,并应用有限元分析软件对连续缆管的夹持输送过程进行模拟分析。依据双钻头仿生自平衡钻进系统对连续缆管的性能要求,确定了整机尺寸参数,并对整机的运行参数进行了计算,建立了适用于连续缆管外径为50.8 mm、井眼深度小于1 016.8 m、场地面积小于50 m2钻井工况的钻孔救援连续缆管储放设备三维模型。最后,研发了与本设备匹配的电控系统,并对加工组装好的整机进行了连续缆管夹持输送、储放设备运行、连续缆管储放等机电一体化联调与试验。结果表明：连续缆管储放设备运行平稳,在连续缆管存储和输送过程中,无互咬和锁死现象,没有动静导电滑环,能够满足双钻头仿...     

多源降雨信息质量评估技术

多源降雨信息质量评估遇到的基本问题是各类降雨信息的空间特征不同,信息采集传输的时间频次不同和降雨真值不明。本文在地面站雨量为点降雨真值、经地面雨量站校正后的雷达观测产品反映了降雨真值的空间分布等假定基础上,提出了单点雨量、区域点雨量、面雨量、降雨空间分布和洪水预报系统产品等5个层次的多源降雨信息质量评估体系和技术。     

基于多频钻孔声呐的溶洞探测方法研究

地下溶洞的形态及大小特征对该区域地质结构的稳定性计算和评价具有重要意义,而目前所使用的钻孔声呐法通用性低,很难同时满足探测精度和探测广度的需求。为此,在传统钻孔声呐法的基础上,提出了一种基于多频钻孔声呐的溶洞探测方法。该方法在考虑了不同频率对实际探测对象贡献大小的基础上,合成了多种频率的探测数据,有效解决了探测尺度和探测精度之间对立的问题。首先,推导了探测系统的最佳频率表达式,为优先和更大程度上体现不同频率对探测结果分析的影响提供基本参数,并构建了频率影响因子参数来描述固有频率与最佳频率之间的偏离程度;然后,在叠加了频率影响因子的基础上,综合合成了多种探测频率的探测数据,采用改进的频谱测距法完成了探测对象的精确测定;最后,在附加深度以及方位信息之后,实现了溶洞腔体形态的立体重建;并将该方法应用到了实际工程中,验证了方法的可行性和准确性。     

矿山灾害应急救援生命保障孔钻井工艺研究

近年来国内外开展的救援钻孔实践推动了矿山和地下工程应急救援技术的发展,探索出的“小直径生命保障孔+大直径救生孔”模式是进行矿山和地下工程灾害救援的一种有效途径。本文以矿山灾害救援地面生命保障孔钻井工艺为主线,分析了小直径生命保障孔井身结构设计和套管选用方法;分别介绍了泥浆正循环钻进工艺和空气潜孔锤正循环钻进工艺,并以山东栖霞笏山金矿生命救援孔钻进实例分析了当前生命保障孔钻井工艺难点。依据轨迹设计理论,针对笏山金矿救援3号生命保障孔出现的偏斜问题,创新提出了超短距离螺旋纠偏技术,并取得了良好的应用效果,为后续生命保障孔施工积累了宝贵经验。     

矿井事故垂直救援孔快速钻进技术研究

近些年来,在矿井事故应急救援中,钻探垂直救援井是重要手段之一。当矿井事故发生后,人员被困井下,地面救护人员无法通过井巷进行快速救援的情况下,在被困井下人员生命尚存的“黄金救援”时限内,运用先进的钻探工程技术方法,可安全、快速、精准地打通地面直通井下巷道的钻孔,从而达到维持生命、营救井下被困人员的预期目的。本文根据宁东煤田羊场湾煤矿地质条件,进行矿山钻探垂直应急救援小口径钻孔孔身结构设计、钻井方法选择、钻具结构设计、钻井液设计及钻井参数设计等快速钻井技术研究,旨在为宁夏矿山钻探垂直救援孔提供支持,促进矿山事故救援成功率的提升。     

煤矿大直径救援钻孔顶管钻进装备关键技术研究

为解决煤矿坍塌巷道的救援难题,提高坍塌巷道大直径救援孔的钻进速度,提出了采用顶管工艺进行大直径钻孔施工。通过布置在硐室内的主顶装置,推动可以接续的管节及刀盘,对坍塌岩体完成破岩及排渣作业,最终形成由顶管管节组成的救援通道。研发了坍塌岩体条件下的大开口复合刀盘,由10把切刀、10把滚刀及2把刮刀组成,开口率为40%,能够满足大粒径渣石快速破碎的需求。研发了小直径顶管救援装备驱动系统及外周驱动、破排一体的新型排渣系统,主要结构包括出渣管、行星减速器、大齿轮、刀盘、电机等,电机带动刀盘及出渣管转动,出渣管内部焊接有螺旋的排渣条,煤岩破碎后进入刀盘,再由排渣管连接刮板机进行连续出渣,最大排渣粒径为300 mm,能够解决大流量大颗粒排渣需求和排渣系统小空间布置困难的问题。搭建了坍塌巷道的堆积体试验环境,完成煤矿顶管救援装备的工业性试验,顶进距离为102.5 m,折合日进尺为43.92 m,形成内径1 575 mm的救援通道,并实测得出顶进过程中的刀盘转矩和推进力的变化趋势。研究成果对提升我国应急处置与救援装备技术水平,对灾变条件下最大程度减少人员伤亡和财产损失具有重要意义。      

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1 205 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。      

煤矿井下碎软煤层泡沫钻进技术及应用

针对煤矿井下碎软煤层瓦斯抽采中风压空气钻进施工中排粉能力有限,易造成粉尘污染问题,提出采用煤矿井下泡沫灌注系统及宽翼螺旋钻杆进行高效泡沫钻进的技术方案。通过对钻孔环空间隙流场的数值模拟,研究宽翼螺旋钻杆结构对泡沫钻进高效排粉的影响,确定头数3、槽宽26 mm、螺距110 mm为宽翼螺旋钻杆的优化结构参数。在淮北某矿3204工作面碎软煤层中进行了深度达195 m的本煤层钻孔试验,结果表明,相对于中风压空气钻进工艺,钻进回转阻力降低了42%~48%,表现出高效的排粉效果,可提高煤矿井下碎软煤层钻孔深度和成孔率。该工艺可为类似煤矿井下深钻孔施工提供借鉴。     

地质钻探废弃冲洗液固化处理技术研究及应用

在地质钻探废弃冲洗液无害化处理过程中,经固液分离后的废弃固相主要由大量磨细的岩粉和细砂构成,但含水率较高,还含有大量的有机物和重金属离子等有害物质。针对地质岩心钻探废弃固相的固化问题,首先从P.O42.5普通硅酸盐水泥、粉煤灰和石灰3种固化主剂中优选了水泥作为主剂,而后通过正交实验确定了固化剂基础配方为：25% P.O42.5普通硅酸盐水泥+2% PF-3型促凝剂+3% RES-1型复合早强剂,并通过极差分析进行了验证,然后进行了支撑剂加量的确定,7%支撑剂加量既能有效增加固化强度,又不会增加搅拌难度。最后将固化剂配方应用于YK11-2井废弃冲洗液处理野外试验中,固化后的固化体抗压强度达1.41 MPa,各项污染指标和重金属离子符合国家二级排放标准,取得了较好的处理效果。     

煤矿井下坑道钻机电控自动化技术研究

为顺应煤矿井下钻探装备自动化、智能化发展方向,根据煤矿井下坑道钻机特点,研制了一套钻机电控系统,实现了钻机远程控制、参数监测、工况判断和安全互锁等功能,并在钻机单动控制基础上进行了钻机自动钻进和自动起钻技术研究,大大提高了煤矿井下钻机自动化程度。地面功能性试验与现场工业性试验表明：设计的电控系统功能性、实时性和可靠性满足使用要求。研制的钻机电控系统配套在钻机上,可提高钻机自动化水平,更好地保障了施工人员和设备的安全,对推动煤矿井下钻机智能化发展有积极作用。