煤矿井下保直钻进技术现状及展望

煤矿井下钻孔轨迹偏斜易导致治理盲区的出现,严重威胁煤矿安全高效开采。通过对导致钻孔偏斜的地质因素、技术因素和工艺因素的系统分析,得到了钻孔偏斜的根本原因。对现有保直技术的原理及其适用性进行了分析总结。钻孔保直是影响钻孔施工质量的因素,但目前钻孔保直技术或多或少都存在技术上的问题,不能在煤矿大范围推广使用,故在钻孔保直方面需要不断发展,研发出适用性强、易于现场实施的保直技术。应加强偏斜因素的深层次的研究、钻孔保直机具设备的研发等工作。     

煤矿井下随采地震探测技术发展综述

煤矿井下地震勘探的炸药震源受火工品管控影响大,且无法实现煤矿开采动力地质灾害的监测预警;随采地震是以采煤机为震源的地震探测新技术。本文回顾了国内外随采地震技术的研究现状,介绍了随采地震的方法原理和独特优势,并开展了一些先导性的试验研究利用。结果表明：采煤机震源具有激发能量强、频带宽、安全绿色经济、可重复等特点,可以作为随采地震探测的被动震源;采煤机震源与炸药震源的地震炮集记录接近,后者单炮信噪比相对较高;随采地震数值模拟、大数据动态处理等关键技术急需协同攻关。尽管随采地震尚处于试验研究阶段,但是它将成为未来透明工作面三维动态地质建模、开采动力地质灾害监测预警等重要手段,代表了今后煤矿智能探测技术的发展方向。     

煤矿井下定向钻孔超长套管下放技术

针对煤矿井下定向钻孔超长套管下放成功率低、速度慢的问题,提出开孔段保直钻进、造斜段曲率控制、钻机驱动主动钻杆下放及套管导正等改进技术措施。在阳泉新景矿进行了现场试验,完成了3个满足煤矿井下水力压裂要求的定向钻孔超长套管下放,最大下深达到168 m,套管下放成功率达到100%,下套管平均工效由5.5 m/h最大提高至13.1 m/h,有效地解决了定向钻孔超长套管下放受限的难题。     

山西省煤矿采空地下空间评估与再利用研究

山西省煤炭资源丰富,年煤炭产量占全国产量的近1/4,煤炭资源开采形成大量的采空地下空间。随着碳中和目标的提出和山西风电、光伏发电的大力发展,如何合理利用煤矿采空地下空间,尤其是将地下空间与新能源结合将成为煤炭产业低碳发展的关键。本次研究运用比例系数法和采空地下空间守恒定律,测算出2022年山西省开采煤矿井巷可利用空间为1.54亿m3,“十五”到“十三五”期间关闭/退出煤矿的井巷可利用空间为1.05亿m3,估算1949至2021年山西省煤矿因工作面开采形成的采空地下空间约38.98亿m3,预测到2030年山西省煤矿工作面开采还可形成采空地下空间约19.56亿m3。根据山西省能源低碳发展需求提出了山西省煤矿采空地下空间未来可利用的四种模式：煤矿地下旅游或地下仓储、煤矿地下抽水蓄能、煤矿地下压缩空气储能和煤矿地下封存二氧化碳等。     

煤矿井下可退式卡瓦打捞筒的研制及应用

煤矿井下卡钻、埋钻导致的孔内断钻杆事故时常发生,目前常用的公母丝锥造扣的打捞方法成功率较低,不仅耗费大量的人力物力,还会影响煤矿开采生产进度。基于此,设计了井下可退式卡瓦打捞筒,通过外筒的螺旋锥面驱动卡瓦径向卡紧断裂的钻杆,实现起拔打捞井内钻杆。卡瓦抱紧钻杆的结构设计,提高了打捞筒对断裂钻具的把持力。控制环的键槽结构设计,实现了复杂工况下可退式操作。分析了打捞作业时钻机回转扭矩产生的切应力与打捞筒强度的关系、钻机起拔力产生的正应力与打捞筒强度的关系,为打捞筒壁厚参数设计提供理论支持;分析了钻机起拔力转换为卡瓦对钻杆抱紧力的公式,验证了卡瓦打捞筒打捞孔内钻具的可行性;试制的打捞筒在山西新源煤矿井下现场进行了打捞试验,试验表明其结构设计合理,打捞性能可靠。本研究为煤矿井下处理复杂钻孔断钻事故提供新型工具,为打捞工具结构设计提供了理论依据。      

MRPN technique for assessment of working risks in underground coal mines

Accidents in underground collieries, under geological and geotechnical uncertainties, cause some irrecoverable consequences for workers. Recognizing and studying the effective factors in the occurrence of such accidents have a very crucial impact on improving worker safety and reducing mining costs. This paper introduces a new and beneficial technique named “modified risk priority number (MRPN)” for recognizing and assessing those risks which may cause working accidents in Iranian underground collieries. The available qualitative data from the mines was quantified using standard tables established for risk assessment. The technique was exemplified using data from mine accidents in Kerman and East-Alborz regions. Roof-fall was found to be the most significant risk factor in the mines that were investigated.     

Sensitivity analysis of support safety factor for predicting the effects of contributing parameters on roof falls in underground coal mines

Roof falls accounted for 18.18% of all fatal accidents in Indian coal mines, contributing about 35.29% of all fatal accidents in below-ground operations in 2005. The support safety factor, always preferred in support planning and design of underground coal mines, may be an important predictor for roof falls. In this paper, geotechnical data were collected from 14 roof fall incident places in an underground coal mine, located in the Eastern India, which has bord and pillar method of workings. The mean value of probabilistic support safety factor for the case study mine was found to be 1.24. However, the probability, of the estimated support safety factor of less than or equal to one, was found to be 0.246. Sensitivity analysis was conducted to analyze the effects of the contributing parameters on support safety factor and the likelihood of the roof fall. The multi-variate regression analysis was carried out for the data generated by Monte Carlo method to correlate the contributing factors to support safety factor. It ranked gallery width as the first parameter to control the support safety factor.     

地震动在地下采场开挖边界的耦合数值分析

在具有冲击倾向性矿井的动载支护设计中,地震动对动态载荷的估算有重要作用。目前,国内外普遍采用半经验公式(scaling law)来估算质点峰值振动速度(PPV)。然而,此方法在实际估算地震动时忽略了地质和巷道开挖对地震动分布的影响。为更好地理解开挖对地震动在地下开挖边界分布的影响,基于笔者提出的适于开挖边界的非线性速度模型及FLAC/SPECFEM2D的耦合数值模拟方法,针对高质量及中等质量围岩体两种情况,对一地下采场的地震动分布进行了数值分析。研究结果表明,不同速度模型对地震动分布影响很大。考虑了围压及开挖影响的非均匀速度模型能够更好地模拟地震动在地下开挖边界附近的分布,且模拟的地震动在采场表面的放大作用与现场观测的放大现象具有很好的一致性。相比于高质量围岩体,当模拟的开挖采场围岩为中等质量围岩体时,采场开挖边界处具有更强的地震动及更广的地震响应。     

煤矿井下地震勘探资料特殊处理方法及效果

与地面地震勘探相比,煤矿井下地震勘探具有较高的分辨率,但也存在一些特殊问题,如炮间时差即为其一,需要采取特殊处理手段加以解决。针对矿用雷管引起的各炮间时差问题,采用单炮初至时间回归预测分析方法校正激发时间不一致所带来的延迟时,并引入了地表一致性振幅校正及地表一致性反褶积技术,使得煤矿井下地震信号振幅、波形不一致的问题得到了较大的改善。实际资料处理效果表明：经过以上处理后,煤矿井下地震叠加剖面效果得到明显改善,为构造解释和岩性解释创造了条件。     

煤矿井下智能化钻探装备发展现状及展望

经过近60年的发展,煤矿坑道钻探装备已经形成满足多种用途、适用于多种钻进孔深要求的多规格、多系列产品,但现有成熟钻探装备主要以全液压驱动和人工操作为主。随着我国煤矿企业在智能化方面建设的大力投入,传统全液压驱动的坑道钻探装备已无法满足当前煤矿智能化发展需要。结合坑道钻探的施工特点,分析了国外典型坑道钻探装备的技术现状和功能特点,以及存在的问题,重点针对国内坑道钻探装备不同施工需求的智能化方面的进展情况进行概述,分别介绍了常规自动化钻机、钻孔机器人、大功率自动化定向钻机、自动化防冲击钻机等方面的研究进展,提出了我国煤矿井下钻探装备智能化建设方面还需解决的关键问题,并通过分步实施方式,加快推进煤矿井下钻探装备的智能化水平。     

煤矿井下随掘地震震源特征及探测性能研究

煤矿智能化背景下,随掘地震已经成为掘进工作面安全掘进的地质保障关键技术之一,可实时、超前、精细探明掘进前方的隐蔽地质构造,如采空区、断层、陷落柱等,有效促进掘进生产安全高效。不同于广泛采用的反射槽波超前探测技术,随掘地震采用了掘进机掘进时震动信号作为激发源,替代了常规地震勘探中的炸药震源,具有震源绿色、安全、成本低、可重复、探掘同步等优点。由于掘进机震源在激发方式、能量、频率、带宽等方面与炸药震源差别较大,因此其探测性能受到很多关注。从随掘地震的震源机制、波场特征、传播距离、成像准确率等方面进行研究,详细分析其探测性能,认为随掘地震波场中槽波和横波发育,可利用槽波或横波进行超前探测;Y分量具有更好的信噪比优势,但在实际应用时考虑到反射面的走向,相同设备量情况下,Z分量更有优势;随掘地震的直达横波传播距离可达700 m以上,横波超前探测距离可达到300 m以上;随掘地震的直达槽波传播距离可达400 m 以上,槽波超前探测距离可达到170 m以上;常规掘进速度下,反射波叠加次数可达到16次,相比常规的一次探测,信噪比可提升4倍,有效提高了探测精度和准确度。后续将通过大量的随掘应用数据进一步修正随掘地震技术的性能参数。      

煤矿井下钻孔内瓦斯浓度监测传感器研制

当前,煤矿井下钻孔作业时,瓦斯监测系统只能反映钻孔孔口处瓦斯抽采量,无法获得钻孔内某个区段的瓦斯抽采效果, 随着煤矿井下瓦斯抽采钻孔孔深增加,沿钻孔长度方向瓦斯抽采效果出现明显分区,不同孔深处有效抽采半径出现较大差异,导致煤矿井下瓦斯抽采钻孔布置难度较大,不确定性增加。针对此问题,设计一种煤矿井下钻孔内瓦斯浓度监测传感器,该传感器基于可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)原理,可实现钻孔内多点同时在线监测,保证了孔内无源,实现了本质安全。首先,分析TDLAS瓦斯测量基本原理,从气体分子吸收光谱原理出发,介绍了激光光源的选择,并根据比尔?朗伯定律推算瓦斯气体浓度解算公式。然后,在此基础上进行瓦斯浓度监测传感器设计,包括光程设计、结构设计、保护工艺设计和孔中操作流程4方面。最后,从性能和可靠性2方面出发,进行相对误差测试、稳定性测试、响应时间测试、与非色散红外传感器性能对比和防水防尘测试。设计的瓦斯浓度监测传感器直径40 mm,长度80 mm,传感器本质安全,结构上能够很好地适用于煤矿井下钻孔内应用。性能测试中,传感器全量程最大相对误差2.8%,小于孔内瓦斯浓度±6%的监测标准;稳定性测试中,传感器数据的波动范围在0.015%,稳定性为0.28%,满足稳定性小于1%的要求;传感器的响应时间约为8 s,满足响应时间小于10 s的要求;与非色散红外传感器对比测试中,设计的TDLAS瓦斯浓度监测传感器的相对误差和响应时间都明显优于非色散红外传感器。可靠性测试中,传感器长时间处于高湿度环境中,其测量精度并未受到影响,保护工艺可有效防水。性能测试和可靠性测试结果表明,瓦斯浓度监测传感器能够很好地满足孔内瓦斯浓度监测需求,在煤矿井下孔中监测方面具有很好的应用前景。      

Responses of roof and pillars of underground coal mines to vibration induced by adjacent open-pit blasting

Investigations were carried out at seven underground coal mines in India to characterise the responses of roof and pillars of underground workings to the vibrations induced by adjacent open-pit blasting. The roof rocks of the selected underground instrumented panels were having RMR between 36.7 to 57. Monitoring of strata behaviour was carried out before and after blasts. Arrangements were made to mount the transducers of seismographs in roof and pillars to monitor the vibration. Attempts were made to monitor the vibration simultaneously, for a blast, in the pillar and at the junction of the roof or away from the junction in the gallery. 102 sets of such vibration data were recorded in the underground mines. It was observed that the roof of underground roadways vibrated with higher peak particle velocity (PPV) compared to pillars. The amplification of vibration in the roof compared to pillars, away from the junction, was 1.02 to 2.58 times whereas at the junctions, it was 2.04 to 5.57 times.     

井下碎软煤层双管双动空气定向钻进工艺研究

碎软煤层钻进过程中易发生喷孔、塌孔,造成钻孔深度浅、成孔率低,严重制约碎软煤层瓦斯高效治理。随着“以孔代巷”、递进式抽采等瓦斯治理模式的兴起,煤矿对碎软煤层瓦斯抽采钻孔成孔提出了更高的要求,为了进一步提高碎软煤层钻孔深度、钻孔精度和成孔率,以满足煤矿安全、高效、精准瓦斯治理的需要,提出煤矿井下碎软煤层双管双动空气定向钻进工艺方法。针对该钻进方法涉及的关键钻具和钻进工艺,根据煤矿井下空气螺杆钻具规格和通过性试验,分析确定外管套管、内管螺杆钻具、领眼钻头以及扩眼器等钻具级配;通过理论分析螺旋钻进煤粉颗粒运动速度,优化套管螺旋叶片螺距、头数等参数;根据钻进排粉需求、空气螺杆钻具用风要求,计算双管钻进用风量、风压;采用数值模拟方法,研究排粉规律和最佳钻进工艺参数,最后通过现场钻进试验,验证双管双动钻具级配和钻进工艺的合理性。结果表明:增加风量比增加转速提高排粉效果更明显;钻进时套管转速40 r/min时,对应风量应最小达到500 m3/h,内管钻具滑动定向造斜完成后,应尽快复合钻进排粉,当风量低于400 m3/h时,应当充分回转扫孔排渣;采用?90 mm领眼钻头+?120 mm扩眼器+?73 mm空气螺杆钻具+?73/35 mm宽叶片螺旋钻杆的内管钻具+?140 mm套管钻头+?120/96 mm反螺旋套管的外管钻具组合,采用风量1 000 m3/h、风压1.25 MPa以上的风源、转速40~120 r/min的工艺参数,钻孔深度达到350 m以上、套管护孔深度168 m以上,钻孔轨迹可控制在煤层内,有效提高了钻孔深度和精度,为碎软煤层随钻护孔精确钻进提供新工艺方法。      

我国煤矿井下智能化钻探技术装备发展与展望

煤矿井下智能化钻探技术装备是煤矿智能化建设的重要组成部分,也是当前煤矿企业深入推进减人增效工作所急需的先进技术装备。系统总结了“十三五”期间我国煤矿井下智能化钻探技术装备所取得的阶段性成果,重点介绍了自动化钻机、随钻参数监测系统和旋转导向系统等关键技术装备的发展现状。全面分析了制约井下智能化钻探技术装备研发与应用的关键因素:钻机智能化水平较低、随钻探测数据类型少、多系统集成控制难。在此基础上提出深入推进数字化、网络化、智能化技术与传统坑道钻探技术结合,强化多学科融合和协同创新能力;并不断加强智能化钻探技术装备研发与应用人才的培养力度,以技术装备为支撑、以数字化平台为保障、以人才队伍建设为基础;在智能化钻机、高精度数据获取与传输技术、钻孔轨迹智能优化与控制技术、辅助关联设备集成控制技术、数字化钻进平台开展攻关,以实现煤矿井下钻孔全流程智能化施工作业。      

煤矿井下水力压裂钻孔封孔力学模型及试验研究

针对目前煤矿井下水力压裂钻孔封孔理论缺乏,封孔材料密封效果差、成本高,封孔长度不合理等问题,建立了水力压裂钻孔封孔力学模型,得出封孔材料能够承受的最大水压与封孔材料性质、封孔长度等参数之间的关系。综合分析了密封条件、抽采条件以及施工条件下压裂孔的合理封孔长度,并进行现场试验验证。结果表明：封孔材料性质和封孔长度是影响封孔材料能够承受最大水压的主要因素,封孔材料能够承受的最大水压随封孔材料强度、弹性模量以及封孔长度的增大而增大;当封孔长度达到某一定值后,封孔材料能够承受的最大水压随封孔长度的增大而趋于定值。以重庆松藻矿区为例,确定出穿层压裂孔的合理封孔长度为10 m,本煤层压裂孔的合理封孔长度为13 m,现场试验结果与理论分析基本一致。     

煤矿井下大盘区瓦斯抽采定向钻进技术与装备

以顺煤层超长定向钻孔组覆盖整个工作面,对矿井大盘区瓦斯进行采前预抽是区域瓦斯治理的新模式。从大盘区瓦斯抽采顺煤层超长定向钻孔施工工艺出发,介绍了顺煤层超长定向钻孔成孔的几大关键技术,包括钻孔递进式轨迹延伸技术、复合钻进轨迹控制技术、水力加压减阻钻进技术、正反扭转减阻钻进技术及复合侧钻分支技术等。还介绍了顺煤层超长定向钻孔施工的主要配套装备,包括ZDY15000LD大功率定向钻机、BLY460/13泥浆泵车、YHD3-3000泥浆脉冲测量系统、无缆大通孔钻杆、水力加压螺杆马达等。利用该技术与装备在保德矿二盘区进行了工程示范应用,应用结果表明,该套工艺技术与装备具备施工长度超过3 300 m顺煤层超长定向钻孔能力。最后对瓦斯抽采效果进行了分析,结果显示超长定向钻孔抽采周期长,抽采量高,可以对大盘区瓦斯进行超前综合治理。      

我国煤矿井下复杂地质条件下钻探技术与装备进展

钻杆长期服役会不可避免地发生断裂并导致掉钻,严重影响了钻孔施工效率和成孔率,还会给煤矿带来重大经济损失。针对施钻过程中钻杆随机断裂导致的掉钻问题,指出了丝锥打捞技术存在的不足,通过分析钻杆断裂特点,得出解决掉钻难题的关键是研究公接头断裂后的轴向连接技术。提出具有断裂自锁功能的主动防掉技术,阐述了其技术原理,介绍了防掉钻杆设计原则,设计并研制了ø73 mm防掉钻杆。室内实验结果表明,钻杆抗扭能力20 120 N·m,抗拉能力1 444 kN,公接头断裂后的二次抗拉能力384 kN。并在山西焦煤西山煤电(集团)有限公司进行工业性试验,200根钻杆累计进尺43 757 m,发生的5次断裂事故均位于公接头螺纹根部区域,其中4次直接将断点以深的钻杆全部提出,另1次因孔内严重埋钻未能提出孔内钻杆。现场试验结果表明,该钻杆结构合理,具有良好使用寿命和可靠的主动防掉能力。研究可为钻杆设计提供新方向,为煤矿井下钻孔安全高效低成本成孔提供钻具支撑。

     

我国煤矿井下复杂地质条件下钻探技术与装备进展

针对我国煤矿井下碎软煤层、坚硬岩层、冲击地压地层、破碎带、水敏性地层等复杂地质条件下钻探技术需求和存在的问题,总结了碎软煤层本煤层钻进与筛管护孔、碎软煤层梳状钻孔定向钻进、复杂顶板高位钻孔定向钻进、全断面硬岩穿层钻进、冲击地压卸压钻进等技术与装备方面的研究和应用情况。提出了碎软煤层双管护孔定向钻进及碎软煤层旋转定向钻进技术与装备的研究思路,有助于提升碎软煤层钻进的钻孔深度、护孔筛管直径和钻进效率等,而碎软煤层定向钻进技术与配套装备的完善也将促进碎软煤层瓦斯抽采模式的变革。防冲防突钻孔机器人的研究是煤矿井下复杂地质条件下钻探技术与装备的发展趋势,可为无人化矿井建设奠定基础;除此之外,还应着力解决好局部复杂地层对钻进的影响,更好地促进智能化钻探技术装备的进步,为煤矿安全高效生产提供保障。