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1 200 kN、最大转矩50 000 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1 630 mm,最大顶推力8 541.2 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 m3,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。      

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。      

旋挖钻机在平邑石膏矿坍塌事故大直径救生孔钻进中的应用

2015年12月25日,山东省平邑县一石膏矿发生坍塌事故,多人被埋井下。由于救援人员通往井下的通道被堵死,利用巷道进行救援很难实施。为避免次生事故,决定采用大口径钻机打孔救援方案。救援过程中,多台钻机相互配合, BG26、BG38型旋挖钻机钻进上部孔段, RB-T90、T200XD型多功能钻机钻进下部孔段。钻达最终深度220 m后,成功将被困人员救出,创造了中国矿山救援史上第一个通过地面打孔救援的案例。主要介绍旋挖钻机在大直径救生孔成孔过程中关键技术点的控制,从钻头选择、护筒埋设、成孔钻进方面对钻孔垂直度进行控制;采用下入护筒、熟练人员精心操作、干成孔工艺等避免钻孔坍塌。     

地面大直径应急救援钻孔成孔工艺设计与分析

地面大直径钻孔可作为井下被困人员的逃生通道,是矿山事故造成人员被困井下时重要的应急救援方案之一。而常规大直径工程孔以泥浆正循环、多级扩孔工艺为主成孔,无法满足救援要求。着眼于大直径孔救援逃生目的,阐明包括精准透巷、优化孔身结构、高效成孔和安全透巷等四项成孔工艺设计原则;以此为指导,针对覆盖层钻进、二开基岩层钻进、下套管及固井具体施工情况,分析了全套管钻进、导向孔下导管钻进及集束式潜孔锤扩孔钻进、浮力法下套管及内插法固井等技术;借用巷道围岩松动圈及塑性区成熟理论,视透巷钻进所破坏的塑性区岩体为潜在垮落体,进行顶板稳定校核,提出了安全透巷距离及位置等关键参数设计选取方法,为地面大直径应急救援钻孔施工提供技术支持。      

大直径单人救援钻孔在某煤矿避难硐室应急逃生系统中的应用

目前,大直径钻孔救援技术多用在矿井发生事故后的快速紧急救援,属于“事后”被动等待救援,为实现传统的被动等待救援向积极自主逃生转变,将大直径救援钻孔与矿井避难硐室结合,提前构建灾害应急逃生系统。结合大直径单人救援钻孔在某煤矿避难硐室应急逃生系统中应用实例,分析了救援钻孔的布置、结构设计原则,重点研究了救援钻孔的成孔方法选择、分级扩孔工序、钻进参数、钻井液工艺、成井设备等钻探技术,并对大直径救援钻孔的适用条件进行了研究,研究成果可为类似矿山实施大直径单人救援钻孔提供借鉴和参考。     

大直径钻孔救援提升装备研究进展

大直径钻孔救援是一种高效的矿井应急救援方法,大直径钻孔救援提升装备的作用是将被困人员通过大直径救援井安全可靠地提升至地面,是大直径钻孔救援体系的关键设备之一。随着大直径钻孔救援技术逐渐被行业认可,大直径钻孔救援提升装备也取得了长足发展,形成了固定式和移动式两种提升装备类型及多种技术路线,我国在移动式大直径钻孔救援提升装备领域的研究取得了重要进展。按照功能模块,将大直径钻孔救援提升装备分为救援提升平台、救援提升舱和救援提升信息化系统3部分,总结归纳了救援提升平台承载运输系统型式、提升支持系统结构、卷扬提升系统卷扬滚筒结构、制动系统、钢丝绳抗旋转技术与缺陷在线检测技术、提升舱结构、救援提升过程信息融合技术、救援井结构参数检测与三维模型重构技术领域的研究成果。指出:基于大吨位全地面起重机的大直径钻孔救援提升平台,通过能力强、场地适应能力好、提升方便、稳定,能够更好地适应救援提升过程偶发性、随机性的需求;救援提升舱的柔性可弯曲结构设计,能够显著提升通过能力;大直径救援井、提升舱和救援提升平台的信息融合是提升过程科学操作和决策的基础,救援提升过程数字孪生化是大直径钻孔救援提升装备未来的发展方向。      

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。     

山西中村煤矿抢险救援快速钻井施工技术

2016年7月2日,山西中村煤矿发生突水事故,12名矿工被困井下。采用CMD100型车载钻机、空气潜孔锤钻井技术准确钻孔至离地面114 m的巷道中心,快速建立了生命通道,给井下被困矿工送去急需的给养,为进一步抢险救援赢得了宝贵时间,最终8名被困矿工成功获救。本文介绍了该次矿山抢险救援中2号食物补给井的快速钻井施工技术,并对矿山应急救援钻井专业队伍建设和装备配套提出了建议。     

煤矿区钻探技术装备新进展与展望

我国煤层气资源非常丰富。在煤矿区,煤层气(瓦斯)开发具有增加洁净能源供给、提高煤矿安全生产保障能力、减少温室气体排放等多重效益。地面钻井开发与井下钻孔抽采是煤矿区煤层气(瓦斯)开发的基本途径,同时也是煤矿区应急救援的主要手段。本文介绍了煤矿区地面煤层气开发新技术装备,大直径钻孔施工技术与装备及井下中硬、松软煤层和岩层瓦斯抽采钻孔成孔技术与装备。在此基础上分析了在新形势下煤矿区煤层气（瓦斯）抽采钻孔成孔技术和装备发展需求,为我国煤矿区煤层气（瓦斯）钻孔成孔提供借鉴。     

煤矿瓦斯抽排井施工钻孔与巷道串通的治理及成井技术

介绍了煤矿大直径瓦斯抽排井钻孔施工过程中,施工钻孔与巷道串通事故的处理,以及扩孔钻进成孔、漂浮法安放井管、壁后充填水泥浆固井止水等工艺技术。     

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。      

拉顶结合新型矩形掘进机的研制及其应用

介绍了一种适用于微型工作井并采用拉顶式工艺施工的新型矩形掘进机的设计思路和设计方法及其主要的技术参数。新型矩形掘进机与掘进系统的拉进动力配合,解决了常规矩形顶管施工中的机头在轴线办向的倾偏及后退问题;机头采用多刀盘设计,各刀盘可以实现正反转,且转速可任意调节,有效降低了机头的偏转;而采用了辅助的纠偏装置,使新型掘进机在只有顶进动力的情况下也能实现正常的顶进施工。对在复杂环境条件下,改造、提升原有的掘进机性能具有重要的参考意义。     

冲击地压煤层大直径卸压孔快速成孔关键技术

为了提高冲击地压矿井大直径卸压钻孔的成孔率和施工效率，通过对冲击地压矿井煤岩体应力特征、卸压孔孔壁扰动动力失稳特性及施工特点的分析，探讨了大直径卸压孔快速施工的关键点在于高效排渣、快速成孔提钻。采用具有1.25 m行程轨道、大通孔动力头的ZDY4000LR型钻机，优化了大直径卸压钻孔施工操作流程，形成了水介质螺旋宽翼片双动力排渣高效成孔工艺方法，并在河南义马矿区和陕西彬长矿区进行了现场试验。结果表明:该工艺技术能够安全、高效地施工大直径卸压钻孔，施工效率较大螺旋钻进技术提高了48.9%，成孔率可达到100%。研究成果对类似冲击地压矿区施工煤层卸压孔提供借鉴。      

大直径顶管穿越沙漠深部护壁浆液体系研究与应用

大直径顶管穿越沙漠深部顶进阻力大、地层稳定性差、易垮塌、冒顶、护壁困难,砂层多夹有最大直径达4 cm的圆砾,管道最大埋深达50 m,国内外尚无顶管护壁浆液能有效稳定深部砂层降低顶进阻力。本文提出粘土-CMC聚合物浆液用作沙漠深部大直径顶管护壁,探讨浆液护壁及渗透机理,研究浆液性能随材料加量变化的关系,重点分析流变性、失水造壁性、润滑性的变化规律,得出浆液最优化配比。工程应用表明,该护壁浆液能有效稳定砂层,保护隧洞,降低顶进阻力,大直径顶管成功穿越沙漠深部,最大轴线偏差未超过50 mm,顶力未出现急速增长。     

地面防治水钻探技术在双系煤层 上覆采空区积水治理中的应用

针对双系煤层上覆采空区积水对下部煤层开采构成的威胁,提出在地面布置钻孔,穿越上部多层采空区,施工探放水孔与大直径抽水井的防治水钻探技术。采用该技术在大同矿区上覆侏罗系采空区的积水治理实践表明,地面探放水孔能够实现采空积水区与下部石炭系开采煤层巷道的贯通式放水,大直径抽水井可实现超大流量的采空区积水抽放,施工的9个地面探放水累计疏放采空区积水398.1万m3,5个大直径抽水井累计抽排采空区积水200余万立方米,取得了较好的贯通式放水和抽排效果。介绍了地面探放水孔与大直径抽水井钻探技术在同煤集团同忻矿上覆侏罗系采空区积水治理中的应用,可为其它类似开采条件的矿井上覆采空区积水治理提供参考。     

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。      

透壁通风管增强开放碎石路堤降温效果试验

通过4种不同实验条件下透壁通风管开放碎石路堤试样室内试验研究了通风情况对透壁通风管增强开放碎石路堤降温效应的影响。比较4种实验结果发现,透壁通风管开放碎石路堤存在碎石表面单纯热传导传热、外界空气通过碎石路堤开放表面与碎石层内孔隙空气直接循环产生的强迫对流传热、通风管管壁与管内空气的对流换热以及管内空气通过管壁透气小孔与附近碎石层内孔隙空气直接循环产生的强迫对流传热4种传热过程。对于仅负温通风的透壁通风管开放碎石路堤,通过开放表面及管壁透气小孔使外界冷空气与碎石层内孔隙空气形成循环,从而显著增强了路堤冬季冷空气引起的降温效应。