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...     

救援钻孔用双钻头扭矩自平衡钻进系统理论与实验

快速安全构建应急救援通道是在矿山事故发生后解救井下被困人员的有效方法,常规救援井钻进技术主要有潜孔锤冲击钻进技术和复合钻进技术,存在钻机结构庞大、钻进工艺复杂、对地层扰动大和中靶率低等不足,尤其在破碎地层易产生二次事故,很难有效满足救援要求。为确保救援钻孔的地层适应性和孔壁稳定性,提出了双钻头扭矩自平衡钻进方法,建立了双钻头逆向驱动数学模型,通过独立逆向驱动内外2个钻头实现双钻头的同步逆向回转碎岩,上部钻具主要受简单的轴向拉压力作用,对井壁产生的扰动微弱。同时,双钻头交替给进互相扶正,可有效防止孔斜,实现精确中靶。双钻头扭矩自平衡钻进系统主要包括近钻头驱动局部扭力闭式自平衡、内外钻头钻压调节和钻具传压隔扭3大部分。依据该系统的功能需求,设计了钻具整体结构系统,并利用有限元分析软件对内钻头传扭轴、调压丝杆和传压隔扭轴承座等关键部件进行强度校核与优化,研制了一套双钻头扭矩自平衡钻进系统功能样机。对整套系统双钻头同步回转、交替给进、系统密封和自动控制等进行一系列测试和调控检测,并开展针对软、中硬和硬3种不同岩性岩石的室内钻进试验,结果表明:该系统对孔壁和岩心的扰动小、中靶率高,在不同岩性地层均具有较高的钻进速度,验证了双钻头在近钻头驱动下扭矩自平衡的可行性,为矿山灾害生命保障救援通道的快速安全构建提供了一种安全高效的方法。      

煤层顶板大直径定向钻孔用双级双速PDC钻头设计及应用

大直径定向钻进成孔技术的发展, 为“以孔代巷”技术抽采采空区上隅角瓦斯提供了技术支持。受限于井下设备条件, 常规大直径钻孔主要采用逐级扩孔工艺。然而, 逐级扩孔钻进需要多次提钻、下钻, 辅助时间长、工人劳动强度大。为提高煤层顶板大直径钻孔成孔效率, 开发了双级双速钻进工艺, 该工艺采用螺杆马达与钻机分别驱动一级、二级钻头进行单次双级扩孔钻进, 可大大提高成孔效率。通过分析双级双速钻进工艺特点、拟钻地层岩性等, 从剖面形状、切削齿排布、水路设计以及导向器设计等方面设计了双级双速钻头, 该钻头采用球头螺旋形导向器, 更容易沿既有钻孔轨迹钻进; 采用等切削布齿, 提高破岩效率、降低切削齿不均匀磨损, 进而提高钻头寿命与钻进效率。设计的双级双速钻头进行了现场试验, 试验表明双级双速钻头能够沿先导孔钻进, 较常规逐级扩孔钻头综合效率提高25%以上, 使用后钻头磨损均匀, 满足了双级双速工艺要求, 大大提高了煤层顶板大直径钻孔施工效率。      

钻头设计中的一些问题

钻机钻孔时,要取得满意的钻进效率,除了钻机本身的各项技术性能能满足要求及合理地配备附属设备外,钻头性能的优劣也是决定钻进速度快慢的一个重要因素。在旋转钻机中使用的钻头形式主要有翼性钻头、螺旋钻头和牙轮钻头。本文将着重对翼性钻     

双孕镶金刚石钻头跟套管连续钻进机构设计及模拟分析

跟管钻进技术是解决复杂地层钻进的有效方法之一,针对跟管钻进过程中内外管环空间隙卡阻、钻具受力复杂、能耗大和套管连续下入深度有限、深孔干热岩花岗岩在热应力作用下破碎卡钻等技术难题,本文创新设计了一种双孕镶金刚石钻头跟套管连续钻进机构。理论分析表明：双钻头同心回转钻进岩屑小,避免内外管卡阻,极大地改善了钻具的受力状态,降低了钻具发生断裂的风险;内钻头通过齿轮啮合方式带动外钻头独立回转,相较于常规跟套管钻进能量消耗降低29.29%;外钻头采用高胎体交替式结构,有效避免了钻井液局部循环现象的发生,从而提高了套管连续下入的深度。该机构设计为跟套管钻进技术提供了一种新思路。     

回转钻进随钻测斜仪的研制及应用

针对煤矿井下常规钻机回转钻进没有随钻轨迹测量装备的现状,研制了钻孔随钻测斜仪。该仪器主要由孔口显示控制器和轨迹记录探管两部分组成,可用于煤矿井下常规钻机回转钻进钻孔的轨迹测量,亦可测量钻孔的倾角、方位角和工具面向角等姿态参数,孔口显示控制器同步工作并记录钻孔的深度和测量时间。最终结果可通过数据处理软件计算和处理原始数据并在井下以数字和图形的方式显示出来,满足了煤矿井下常规钻机的回转钻进随钻测量需求。      

贵州省者相二金矿小直径定向分枝孔钻进技术

以贵州省贞丰县者相二金矿小直径定向分枝孔工程为依托,结合矿区地质构造及岩性特征,对以绳索取心钻杆为主钻柱的定向分枝钻进技术进行实践研究。根据地质设计优选侧钻分枝点,利用专业软件进行钻孔轨迹设计和跟踪并设计配套侧钻钻头、通缆水龙头、定向接头等器具。通过对井底动力工具、钻头、定向仪器、泥浆泵等关键器具设备的遴选,探索匹配绳索取心工艺的侧钻分枝技术、定向钻进技术、稳斜钻进技术。通过分析造斜规律,优化钻进组合和钻进参数,精细控制了钻孔轨迹。成功实施了贵州首例小直径定向分枝孔,并顺利中靶,中靶精度802 m,并验证了“定向钻进+常规绳索取心钻进”实施小直径定向分枝孔整体方案的可行性,为绿色勘查、战略性矿产精准勘查技术配套及生态文明建设提供了技术支撑。     

轻型钻机在西部山区深厚覆盖层水电勘探中的应用

在西部山区水利水电勘探中,采用轻型钻机钻进深厚覆盖层,并成功采集岩心是一项技术难题。钻进深度越大,越易产生坍塌、埋钻等事故,因而成孔极其困难。根据目前西部水利水电勘探的常用设备,采用轻型钻机,合理设计钻孔,并对泥浆护壁方法进行改进,使钻孔成功达到预定深度。应用结果表明：轻型钻机钻进深厚覆盖层时,孔身设计分为4级变径;深度70 m以浅采用硬质合金钻头,深度70 m以深采用孕镶金刚石钻头,钻进稳定;SM-KHm超低固相泥浆护壁,不仅环保而且节水,可有效保护孔壁稳定,防止塌孔;岩心采取率达到95%以上,钻孔最大钻进深度达到223.54 m,有效突破了轻型钻机的最大钻进深度,为轻型钻机钻进西部山区深厚覆盖层及取心提供重要的技术参考依据。     

仿生非光滑螺旋钻头的设计及试验

将仿生非光滑理论应用于螺旋钻头设计上,以解决粘性土钻进中螺旋钻头阻力大、粘附严重的难题。加工的仿生非光滑螺旋钻头,经实钻试验表明,与常规螺旋钻头相比,前者脱土率提高了70％ ,钻机耗油量降低了53.3%,钻进效率提高70%,具有明显的脱附和减阻效果。从而,为大口径螺旋钻施工提供了一种新型钻具。     

仿生自补偿一体式高胎体孕镶金刚石取心钻头研究

针对孕镶金刚石钻头齿间相互独立,在坚硬地层中钻进极易产生打滑和单齿受力太大导致钻头损坏的难题,引入仿生爪趾结构原理和自补偿理念,研制了仿生自补偿一体式高胎体孕镶金刚石取心钻头。钻头的一体式切削齿设计,主要在单齿的齿单元间采用加强筋方式强化单齿强度,单齿与单齿间设置齿间加强筋加强,使得钻头相邻齿单元、相邻单齿间相互连接形成一个整体,在钻进过程中,钻头齿的工作唇面会产生多个超过岩石极限破坏强度但远低于钻头胎体强度的应力集中区域,不容易出现少数几个接近或超过钻头胎体强度的应力集中区域的情况。如此,钻头的整体性更好,受力均匀,切削岩石的效率更高,寿命更长,尤其对于坚硬地层,防打滑效果更好。经现场试验表明：仿生自补偿一体式高胎体孕镶金刚石取心钻头较常规钻头具有更高的碎岩效率和更长的使用寿命。     

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。      

旋挖钻机用气动潜孔锤反循环硬岩钻进技术

为解决旋挖钻机在硬岩地层中施工困难的问题,借鉴地质钻探领域成熟的工艺方法,研制了适用于旋挖钻机用的空气潜孔锤反循环钻进工艺方法及设备。该工艺方法在不改变旋挖钻机任何结构的情况下,配套空气潜孔锤反循环钻具即可实现硬岩的快速钻进,解决了大口径钻探排渣困难的难题,且能够达到环保的要求。气动潜孔锤反循环钻具的设计全面考虑了大口径桩基施工及潜孔锤应用特点,气水龙头的双通道、大通孔设计满足进气排渣要求,反循环双壁钻杆为同心式,密封可靠,钻具的连接采用六方快速连接。通过在厦门地铁施工试验,验证了其可行性。     

锚索施工中的事故处理与注浆改进

介绍了锚索施工中埋钻的处理方法，通过改进钻头、反打、侧钻、改进钻杆、保守钻进，针对性地解决和避免了埋钻堵钻情况；还介绍了一些注浆方法的改进，旨在解决严重漏浆情况和使锚固段注浆更充分。     

XY-44AT型塔机一体钻机的研制与应用

为进一步方便XY-44A型岩心钻机进行大倾角及垂直孔钻进,在调研国产系列钻塔的基础上,设计了一种双变幅油缸起塔,带钢索斜拉、天车滑轮平移结构及液压副卷扬的塔机一体钻机。塔架底部与钻机直接相连,顶部装有天车和斜拉钢索架,操作简单、方便,进一步拓宽了立轴式岩心钻机的使用性能,提高了生产效率。     

厚层近海回填抛石填土层钻孔灌注桩施工技术

烟台港万华工业园码头工程改造项目,设计采用φ600、1000 mm的钻孔灌注桩。上部为厚层近海回填抛石填土层,钻进困难,极易塌孔,成孔难度大,采用大型旋挖钻机带护筒跟管钻进成孔,内外二层套管护壁,穿过回填层及混砂层后,采用泥浆护壁旋挖钻机继续钻进,护筒不再跟进,既可保证成孔质量又能降低施工成本。外护筒可在灌注完成后拔出,重复利用,减少工程造价。     

潜孔锤反循环钻进技术在某水电站的试验应用

水利工程中的钻孔工程具有特殊的工况,采用正循环潜孔锤钻进方法在狭窄封闭的洞室内进行钻孔施工,粉尘污染严重,施工环境恶劣,影响作业工人的身体健康。为了解决施工洞室内的粉尘污染问题,在某水电站的排水孔施工中,首次应用了潜孔锤反循环钻进技术,并在上仰孔和下行孔施工试验中获得成功,有效控制和降低了洞室内的粉尘问题,有利于维护良好的施工环境。设计的A、B两种结构类型钻头主要差别是内喷孔的位置不同,A型钻头的内喷孔设计在花键上的各个平键之间,B型钻头的内喷孔则设计在花键的平键上。CFD数值模拟计算结果显示,A型钻头对环空抽吸的空气量是0.199 987 04 kg/s,略大于B型钻头的0.177 524 64 kg/s,说明A型钻头的抽吸能力优于B型钻头。上仰孔和下行孔的钻进试验结果表明,内喷孔设计在花键上的各个平键之间且具有双排12个内喷孔的A型钻头结构更为合理,在施工中A型钻头比B型钻头的孔口粉尘少。从反循环排渣效果看,A型钻头破碎的大部分岩粉和大颗粒岩块从中心通道排出,反循环排渣效果优于B型钻头。     

易坍塌地层双管水平定向钻进工艺研究

水平定向钻进技术已被广泛地用于铺设各种管线,具有施工速度快,对地面破坏小,不会影响已有管线的正常使用等优点。但是,在砂卵石和粉细砂类易坍塌地层中,常规的单钻杆水平定向钻进常会出现导向偏差和钻孔坍塌等事故。在已有技术的基础上,开发出了一套双管水平定向钻进系统,包括双回转动力头钻机、内外钻杆、双管导向节。通过现场应用证明了该双管系统具有导向精度高、调整方向灵敏等优点,能克服易坍塌地层带来的导向精度差和钻孔坍塌等难题。