煤矿井下水力压裂技术与装备及工程应用

• 煤矿井下长钻孔分段水力压裂技术研究进展及发展趋势

  孙四清;李文博;张俭;陈冬冬;赵继展;郑凯歌;龙威成;王晨阳;贾秉义;杜天林;刘乐;杨欢;戴楠;

  “十三五”以来，围绕“我国煤矿井下煤层区域增透瓦斯高效抽采和坚硬顶板岩层弱化区域治理”两大难题，将定向长钻孔与分段压裂技术结合，通过技术攻关与装备研发及工程试验，在煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂技术和装备研发及工程示范应用等方面均取得了明显进展。主要表现在如下4个方面：(1)开发了适合于煤矿井下煤岩层裸眼定向长钻孔不动管柱和动管柱两种分段水力压裂工艺技术与工具，不动管柱分段压裂工程应用钻孔长度突破了500 m，单孔压裂实现了5段；动管柱分段压裂钻孔长度工程应用突破了800 m，单孔压裂实现了17段。(2)研发了煤矿井下低压端加砂压裂泵组和高压端加砂压裂装置，低压端加砂泵组压力达到了70 MPa，排量达到90 m~3/h，携砂比达到20%；高压端加砂压裂装备耐压能力达到55 MPa，一次连续加砂压裂的砂量达到750 kg；低压端和高压端加砂装备均在现场进行了工程应用，应用结果表明装备均具有较好携砂压裂能力。(3)建立了碎软煤层围岩分段压裂和硬煤顺层钻孔分段压裂区域增透瓦斯高效抽采技术模式，前者在山西阳泉矿区和陕西韩城矿区应用钻孔瓦斯抽采纯量均值分别达到了2 811 m~3/d和1 559 m~3/d，后者在陕西彬长矿区应用钻孔瓦斯抽采纯量达到了2 491 m~3/d。(4)探索出了坚硬顶板强矿压煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂主动超前区域弱化治理的新模式，工程应用钻孔长度突破了800 m，坚硬顶板分段水力压裂治理后，顶板来压步距、动载系数和最高压力值较未压裂区分别下降了18.9%～70.6%,5.8%～7.9%,13.7%～19.4%，有效治理了工作面坚硬顶板引起的强矿压灾害。随着煤矿井下分段水力压裂技术改进和煤矿智能开采发展的实际需要，提出了煤矿井下大排量高压力智能压裂泵组、井下长钻孔裸眼分段压裂智能工具等装备和煤矿井-地联合分段水力压裂技术研发方向，以更好地推动煤矿井下水力压裂技术与装备发展，为煤矿安全高效绿色智能开采提供技术和装备支撑。

  2022年08期 v.50;No.296 1-15页 [查看摘要][在线阅读][下载 3956K]
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• 水力压裂模拟用煤岩体相似材料基础力学特性实验研究

  翟成;郑仰峰;余旭;徐吉钊;孙勇;丛钰洲;唐伟;李宇杰;朱薪宇;陈爱坤;

  煤层水力压裂模拟实验是研究煤矿井下水力压裂煤岩体致裂增透、弱化机理的有效手段。然而，大尺寸煤岩体原位保真取样技术不成熟，已有大尺寸煤样块多取自卸压区，其在运输和制备过程中会发生二次破坏，导致实验结果失真。因此，使用煤岩体相似材料代替大尺寸原煤执行室内水力压裂模拟实验成为一种可行的选择。煤岩体相似材料试样的力学特性是影响水力压裂效果最重要因素。为精确表征煤岩体相似材料的基础力学特征，选择煤粉、水泥、石膏、砂子为相似材料，设计制作7种配比试样，进行超声波与力学特性耦合响应规律研究。结果表明：煤岩体相似材料试样超声波波速(P波和S波)和强度(单轴抗压和抗拉强度)随着密度的增大而增大，随着孔隙率的增大而减小；相似材料对于超声波波速、强度和密度增大幅度的影响为水泥>砂子>石膏，孔隙率正相反；相似材料水泥和石膏分别在调节试样强度和变形特性方面起主要作用；根据超声波P波波速与强度之间的二次多项式数学模型，通过测定超声波P波波速可提前预测试样的强度；试样力学参数可调整范围大，通过改变相似材料配比可以调整试样的力学性质，精确模拟煤岩体，且试样制作方法简单。此研究可为煤层水力压裂模拟用煤岩体相似材料力学特征相似设计提供依据，促进矿井瓦斯防治技术的发展，具有广泛的应用价值。

  2022年08期 v.50;No.296 16-28页 [查看摘要][在线阅读][下载 1782K]
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• 碎软煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯高效抽采模式

  陈冬冬;王建利;贾秉义;席杰;

  瓦斯区域超前治理是实现煤矿安全、高效及智能化开采的重要保障，针对碎软煤层区域瓦斯高效抽采难题，以陕西韩城矿区3号煤层为研究对象，提出井下煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯抽采模式。采用理论分析、数值模拟和现场试验等多手段相结合的方法，验证模式适用性，阐明紧邻煤层顶板梳状钻孔压裂裂缝延展规律、抽采机理和压裂曲线特征，进而建立适用于500 m孔深的集地质条件动态分析、分段水力压裂、封隔器遇阻解卡和压裂范围连续探查于一体的顶板梳状长钻孔裸眼分段水力压裂关键技术体系，实现煤层顶板梳状钻孔主孔轨迹距离煤层5 m左右、多段均匀压裂、压裂范围全孔监测和孔内事故高效处理。以此为基础，在韩城桑树坪二号井开展2孔次的工程实践：压裂主孔深度588 m、距3号煤层2 m左右，单孔压裂6段，压裂范围探查深度381 m、压裂影响半径20 m以上；压裂后，钻孔抽采瓦斯平均体积分数40%以上、瓦斯抽采量1 m3/min以上，抽采效果是常规钻孔的4倍，120 d瓦斯抽采有效半径可达9 m，实现了碎软煤层瓦斯区域高效抽采。并提出了适用于碎软煤层大区域瓦斯抽采以及高瓦斯压力碎软强突煤层远程区域抽采卸压等规模化应用技术思路。

  2022年08期 v.50;No.296 29-36页 [查看摘要][在线阅读][下载 2460K]
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• 煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂技术与装备

  张俭;刘乐;赵继展;孙四清;王晨阳;

  针对碎软煤层渗透率低、瓦斯抽采衰减快、压裂不均匀、裂缝易闭合、瓦斯抽采效果差、无法实现区域瓦斯超前预抽的问题，提出了煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂强化瓦斯抽采的技术思路，研发适合煤矿井下煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂煤层增透技术，研制了成套的煤矿井下水力加砂压裂泵组装备、定向喷砂射孔装置及工具组合、防砂封隔器及工具组合。水力压裂泵组装备最大排量90 m~3/h，最大泵注压力70 MPa，最大携砂能力20%，支撑剂粒径小于等于1 mm；定向喷砂射孔装置通过水压驱动喷射器定向，最大旋转角度180°；防砂封隔器最大承压70 MPa，最大膨胀系数为2。研发的定向长钻孔连续定向喷砂射孔工艺技术和定向长钻孔拖动式水力加砂分段压裂工艺技术，在山西阳泉新景煤矿井下开展工程试验，完成2个压裂钻孔(孔深均为609 m)共计16段水力加砂分段压裂施工，累计实施80次定向喷砂射孔作业，石英砂的体积分数2%～3%，定向喷砂射孔压力22.6～28.6 MPa，共计使用石英砂19.8 t；水力加砂分段压裂单段注入压裂液153.8～235.1 m~3、核桃壳砂的体积分数2.02%～2.56%，累计注入压裂液2 808.57 m~3，注入核桃壳砂36.47 t；综合评价本次水力加砂分段压裂影响半径为20～38 m，统计分析压裂后2个钻场100 d瓦斯抽采数据，1号钻场、2号钻场日均瓦斯抽采纯量分别为1 025、2 811m~3。试验结果表明：压裂装备加砂量大，施工排量大，能够实现连续作业，压裂后煤层透气性显著增加，极大地提高瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采纯量。研究成果对碎软煤层区域瓦斯增透提供新思路，为我国类似矿区区域瓦斯超前治理提供技术借鉴。

  2022年08期 v.50;No.296 37-44页 [查看摘要][在线阅读][下载 2616K]
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• 含结构面相似材料水力裂缝演化的实验研究

  李全贵;武晓斌;胡千庭;刘乐;石佳林;宋明洋;

  结构面广泛赋存于煤系中，是影响煤岩水力压裂效果的关键因素之一。调节结构面制作时间和充填材料类型，制作不同结构面类型的煤岩试件，并开展水力压裂物理实验，探究结构面类型与注入流量对水力裂缝延伸的影响及作用机制。结果表明：当注入流量为50 mL/min时，纯样试件(无结构面)的破裂压力高于含结构面试件的破裂压力，延时结构面制备间隔时间对试件破裂压力的影响很弱，调整结构面的充填材料后试件破裂压力最大降低28.79%；随着注入流量的提高，充填材料为云母，水泥试件破裂压力、声发射振铃计数峰值增大，压力上升阶段的持续时间显著缩短，水力裂缝在结构面处的延伸模式由沿结构面延伸逐渐转向沿最大主应力方向延伸。结构面类型与注入流量对水力裂缝在结构面处延伸模式的影响，主要是由于改变了水力裂缝延伸至结构面时结构面上的应力状况，可以通过理论分析预测水力裂缝与结构面的交叉延伸模式，根据结构面上应力状况，通过调节注入流量调整水力裂缝的延伸方向。

  2022年08期 v.50;No.296 45-53页 [查看摘要][在线阅读][下载 2666K]
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• 煤矿井下高压端连续水力加砂压裂增透技术与装备研究

  贾秉义;李树刚;陈冬冬;林海飞;郑凯歌;孙四清;赵继展;

  针对煤矿井下作业空间小，供电供水能力有限，地面加砂压裂装备无法直接应用于煤矿井下的现状，提出了高压端加砂压裂的技术思路。基于液动冲击混携砂原理，研发了高压端连续水力加砂压裂装备。该装备不需要外部动力源进行混砂，而是通过压裂液流态和流场的变化形成旋流冲击实现混砂和携砂。理论分析、数值模拟和室内仿真试验均表明，该装备在原理上是可行性的，能够有效混砂和携砂。研发的装备整体耐压达到55 MPa，一次可装石英砂750 kg，可实现单个或者多个穿层钻孔的连续加砂压裂。配套设计了三通道并联的煤矿井下高压端连续水力加砂压裂控制系统，该系统通过矿用压风实现开关的开合，与压裂泵的控制系统协同对加砂过程实现远程集中控制，确保加砂过程安全可靠。运用该装备在安徽淮南矿区潘三煤矿进行了5个底板穿层钻孔的现场试验。结果表明：该装备携砂能力较强，仅需开启通道二即可实现有效加砂，最大连续加砂量150 kg，最大注水量316 m~3，加砂压裂钻孔瓦斯抽采纯量、百孔瓦斯抽采量分别是清水压裂钻孔的2.38和2.03倍，增透效果明显。研发的装备可应用于煤矿井下高压水射流、水力切割以及水力加砂压裂等领域。

  2022年08期 v.50;No.296 54-61页 [查看摘要][在线阅读][下载 1755K]
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• 坚硬顶板强矿压动力灾害演化机理与超前区域防治技术

  郑凯歌;王林涛;李彬刚;李延军;杨欢;杨森;戴楠;王豪杰;王泽阳;席杰;

  工作面上覆坚硬顶板往往不易垮落，破断后易形成动压灾害。以神东矿区布尔台煤矿为背景，针对典型坚硬顶板造成的强矿压动力灾害问题，采用数值模拟、理论分析的方法分析并揭示坚硬顶板弱化前后的应力演化特征及顶板破断机理，提出超前区域防治技术并应用于现场实践。结果表明：坚硬顶板破断演化特征分为3个阶段，即“长悬臂梁”阶段—“砌体梁滑落失稳”阶段—重新压实阶段，其中“长悬臂梁”阶段支架上方顶板应力显著增大至6.8 MPa，破断前支架上方顶板应力为破断后的2倍，其临界破断产生的应力释放是引起强矿压的根本原因，这也是弱化改造控制的主要阶段。基于坚硬顶板灾害发生机理，提出“广域大空间”超前区域防治技术，阐述了绿色、精准、广域的防治优势，以及钻孔轨迹控制、封孔质量控制、多孔联动效应的关键技术及治理评价体系。结合数值模拟进一步验证防治技术的可靠性，当“长悬臂梁”结构弱化后，其破断前支架上方顶板应力为4.6 MPa，降幅32.4%，顶板破断演化特征3个阶段演变为来压前阶段—“砌体梁滑落失稳”阶段—重新压实阶段，弱化后顶板各阶段支架上方顶板应力降幅达到32.4%～79.4%，表明预成裂隙弱面和降低坚硬层完整性能够有效改变顶板破断结构，显著降低来压强度。实践表明：压裂过程产生多次压降，降幅均达到3 MPa以上，探测裂缝发育长度达到30 m以上，压裂前后工作面周期来压步距降幅44.9%，支架来压载荷降幅18.1%，治理效果良好。研究结果可为类似矿区动力灾害治理提供借鉴。

  2022年08期 v.50;No.296 62-71页 [查看摘要][在线阅读][下载 2390K]
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• 煤矿井下硬煤层顺层长钻孔分段压裂强化瓦斯抽采技术及应用

  王晨阳;李树刚;张永涛;郭毅;孙四清;陈冬冬;窦成义;

  针对硬煤层瓦斯抽采衰减快，抽采周期长、效率低等问题，提出了中硬煤层顺层长钻孔分段压裂增加煤层透气性瓦斯强化抽采技术。以陕西彬长矿区4号煤层为研究对象，在实验室采用SEM高分辨率电子显微镜对比分析了水力压裂前后煤体微观孔隙结构变化特征；利用Abaqus软件模拟了封隔器受力特征及钻孔的稳定性；在彬长矿区大佛寺煤矿井下4号煤层进行水力压裂工业性试验。结果表明：煤层在加载压力15 MPa，保压48 h，煤体的孔隙、裂隙数量增多，孔径尺寸增大，且连通性增强，裂隙间的连通性明显提升。压裂过程中，封隔器同时受到内压和外压载荷产生膨胀变形，内压15 MPa、外压10 MPa时，可保持硬煤钻孔结构完整同时，产生最大的封隔摩擦力。工程试验完成3个顺煤层定向长钻孔分段压裂施工，孔深540～568 m，每孔分8段压裂，单孔注液量910～1 154 m~3，累计注液量3 011 m3；压裂后，利用孔内瞬变电磁测试确定压裂影响半径34～46 m。压裂钻孔平均瓦斯抽采纯量0.72～1.73 m~3/min，平均抽采瓦斯体积分数42.60%～67.48%；对比试验区常规钻孔，瓦斯抽采体积分数提高1.20～2.49倍，百米钻孔瓦斯抽采纯量是3.93～10.03倍，实现了试验区域瓦斯超前增透和预抽，该工艺技术为类似地质条件大区域瓦斯超前治理提供技术借鉴。

  2022年08期 v.50;No.296 72-81页 [查看摘要][在线阅读][下载 3973K]
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煤炭地质 矿井地质

• 我国煤矿瓦斯灾害超前大区域精准防控技术体系及展望

  刘程;孙东玲;武文宾;李良伟;孙中光;

  为满足煤矿自动化、智能化生产的快速发展及区域防突的迫切需求，推动煤矿大区域瓦斯灾害治理技术体系发展，针对传统煤层钻孔瓦斯抽采技术“钻不深、抽不出、检不了”等技术难题，系统分析近年来定向钻进、地面井、分段水力压裂、深孔取样、随钻探测等技术与装备在各大矿区不同地质条件下的应用效果。结果表明：目前已形成了基于大区域超前随钻地质勘探及预测、大区域地面及井下瓦斯抽采、非接触式连续在线动态预测等关键技术组成的煤矿瓦斯大区域治理技术体系，为推动煤层瓦斯治理技术的升级变革，实现不用或少用专用瓦斯治理巷道综合治理煤矿大区域瓦斯的目的奠定了基础。最后指出未来将发展核磁探测、伽马、雷达、深孔光纤等探测技术，以实现煤岩及地质异常体识别、瓦斯参数精确测定；发展地面水平井体积压裂高效开发及井上下联合增渗等技术，以提升井上下联合预抽效果；发展区域化超大流量压裂泵组或压裂工厂、连续油管压裂等技术与装备，以提升煤矿井下区域化增渗效果；发展风险信息融合感知、突出前兆特征智能识别、瓦斯超限预警等技术，以实现区域连续精准预测及智能预报警。

  2022年08期 v.50;No.296 82-92页 [查看摘要][在线阅读][下载 2803K]
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• 碎软煤层井下长距离定点密闭取心技术研究

  龙威成;孙四清;陈建;

  随着矿井采掘、钻探等技术的快速发展和矿井提能增效的需求日增，区域超前探测煤层瓦斯含量的需求越来越迫切。近年来研发的井下长钻孔高压水密闭取心瓦斯含量测定技术已应用于中硬煤层矿区，效果显著，但在碎软煤层中应用存在局限性。针对采用现有定向钻孔高压水密闭取心技术进行碎软煤层取心时，存在煤心易冲散、孔壁易坍塌、喷孔、取心率低、安全风险大的问题，并结合矿井钻取含原始水分煤样的需求，提出采用“气体取心钻进+气体输送封堵球+高压水与气体联合密闭煤心”的双循环介质碎软煤层井下长距离定点密闭取心技术工艺，研发了基于井下压风取样钻进的长距离干式密闭取心系统，以压风代替压水用于钻孔排渣、取心钻头冷却和封堵球输送；以风和水两种介质组合打压驱动密闭取心装置在孔内关闭。选取淮南矿区某矿同一区域的主采煤层进行试验，碎软煤层井下长距离定点密闭取心瓦斯含量测值为6.65～7.82 m3/t，常规取心瓦斯含量测值为5.11～6.45 m3/t。工程试验表明，碎软煤层井下长距离定点密闭取心技术为碎软煤层井下长距离测定瓦斯含量提供了一种新途径，实现碎软煤层井下精准定点、长距离瓦斯含量精确测定，可解决碎软煤层井下大区域探测瓦斯赋存信息需求，保障矿井安全高效生产。

  2022年08期 v.50;No.296 93-98页 [查看摘要][在线阅读][下载 1381K]
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水文地质 工程地质 环境地质

• 钱营孜煤矿深部地下水水化学特征及来源解析

  陈凯;刘启蒙;刘瑜;彭位华;汪子涛;赵祥;

  我国浅部煤炭资源已逐渐枯竭，在煤炭进入深部开采的条件下，来自煤层底板高承压灰岩水的威胁也越来越大，深入理解矿区含水层中水化学组成控制机制是针对性地开展水害防治工作的重要科学前提。为了查明安徽钱营孜煤矿深部地下水中常规离子的定性与定量来源，通过多种数理统计方法(包括相关性分析和R型聚类分析)、离子比值法和Unmix模型对22个灰岩水中常规离子浓度进行了分析。结果表明，地下水呈中至弱碱性，溶解性总固体(TDS)变化范围为1945～5292mg/L，阳离子平均质量浓度由大到小排序为：Na~+(718mg/L)、Ca~(2+)(270mg/L)、Mg2+(153mg/L)，阴离子平均质量浓度由大到小排序为：SO_4~(2-)(2305mg/L)、HCO_3~-(239mg/L)、Cl~-(186mg/L),95%样品的水化学类型为SO_4~-Na型。相关性分析、聚类分析和离子比值分析表明，含水层中水化学组成控制因素主要为硫酸盐和碳酸盐矿物的溶解(源1)以及盐岩的溶解和硅酸盐矿物的风化(源2)。Unmix模型显示源1和源2对地下水中常规离子浓度的平均贡献率分别为56%和44%，其中，源1对Ca~(2+)、Mg~(2+)、Na~+和SO_4~(2-)浓度贡献率依次为73%、68%、63%和73%，源2对Cl~-和HCO_3~-浓度的贡献率分别为75%和66%。研究成果可为相似条件煤矿突水水源的精准识别提供理论支持。

  2022年08期 v.50;No.296 99-106页 [查看摘要][在线阅读][下载 1632K]
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• 综放开采特厚煤层采场底板破坏规律研究

  郭国强;

  高承压水体上采煤将引起底板扰动破坏，从而使有效隔水层厚度变薄，增大了底板突水风险系数，对目标层位注浆改造是行之有效的治理措施，但在底板破坏范围内注浆将造成浆液的大量浪费且影响治理效果。因此，开展煤层底板破坏深度及规律研究显得尤为重要。基于此，以山西榆树坡煤矿5105工作面为研究对象，采用钻孔应力–应变技术在进风巷道布置7条测线、91台传感器开展采前、采中和采后4个月的连续监测，获得三位一体“空间-时间”全方位底板扰动破坏数据并分析规律，为底板注浆治理方案制定提供了重要的技术参数。结果表明：底板破坏深度起始点距工作面24.2 m，最大破坏深度距工作面垂距28 m、平距21.3 m，底板破坏深度拟合形态符合塑性滑移规律，研究成果为类似工况下底板破坏深度规律研究提供科学依据。

  2022年08期 v.50;No.296 107-115页 [查看摘要][在线阅读][下载 3167K]
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• 基于Weibull分布的冻结砂岩损伤本构模型研究

  伊明;赵涛;马飞飞;王磊;袁超;

  冻结岩石的变形破坏特性是冻结法施工过程中的基础力学问题，在荷载作用下不同冻结温度岩石的力学特性和变形特征差异性较大，严重影响冻结壁的安全与稳定。因此，研究冻结岩石的损伤本构关系，对指导冻结法设计与施工具有重要意义。为分析荷载作用下冻结岩石变形破坏的全过程，采用Weibull分布描述岩石材料的非均质性，基于Drucker-Prager破坏准则，建立三轴应力状态下岩石损伤本构模型，结合冻结砂岩三轴压缩试验，重点分析本构关系中均质度系数m、平均强度F_0与冻结温度和围压的变化关系，对损伤本构方程进行修正，并基于此模型研究冻结砂岩的损伤演化规律。结果表明：在相同围压下，随着冻结温度的降低，砂岩峰值强度显著增大，峰值应变减小，压密阶段逐渐减弱，弹性变形阶段斜率增加，岩石脆性破坏特征明显。在相同冻结温度下，均质度系数m和平均强度F_0随围压升高无显著变化，而随着冻结温度的降低，m和F_0分别呈现指数增长和线性增长，说明随着冻结温度的降低，砂岩冻结越充分，内部自由水冻结成冰占比及冰体强度增长幅度越大，尤其在0～–10℃内提升效果显著，冻结作用提高了砂岩的均质性和平均强度。基于不同冻结温度砂岩的力学特性和变形规律，对不同冻结温度砂岩的损伤本构方程进行了修正。依据修正本构模型研究发现，损伤演化曲线能够很好地反映冻结砂岩压缩试验的压密、线弹性、屈服变形及应变软化各阶段的变形特征，验证了模型的合理性。研究结果为低温环境下岩石力学特性研究及地下冻结工程设计施工提供有益的参考。

  2022年08期 v.50;No.296 116-124页 [查看摘要][在线阅读][下载 2234K]
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• 祁南矿东风井冻结温度场时空演化规律分析

  黄诗清;荣传新;龙伟;马昊辰;何骏珍;

  以安徽祁南矿东风井冻结法凿井为工程背景，以多圈管冻结的不同土性表土层为研究对象，基于冻结孔实际成孔位置，应用有限元软件COMSOL Multiphysics分别建立埋深218 m钙质黏土层位、埋深225 m细砂层位和埋深259 m砂质黏土层位3个不同土性、不同埋深的冻结温度场数值计算模型，并结合现场实测数据，分层计算分析了其冻结壁温度场时空演化规律，结果表明：在相同冻结条件下，埋深225 m细砂层位冻结壁有效平均温度比埋深259 m砂质黏土层位和埋深218 m钙质黏土层位分别低0.09～0.72℃和0.44～1.95℃，埋深225 m细砂层位平均有效厚度比埋深259 m砂质黏土层位和埋深218 m钙质黏土层位分别厚0.17～0.38 m和0.29～0.47 m；现场实测与数值计算均表明，各个层位冻结壁开挖时，其平均温度均低于–15℃，有效厚度均大于6.2 m,200 m以下深部表土层井帮温度低于–4℃，满足施工要求，冻结壁强度和稳定性均处于安全状态；冻结孔沿径向将冻结温度场划分为3个区域(A区、B区、C区)，B区在冻结孔冷量叠加的影响下降温速度最快，A区降温速度适中，C区距离冻结管较远，且外部土体源源不断向其输入热源，降温速度最慢。该研究可为冻结法凿井中冻结壁的施工提供一定的理论参考。

  2022年08期 v.50;No.296 125-133页 [查看摘要][在线阅读][下载 2364K]
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煤田物探 矿井物探

• 矿井孔中瞬变电磁探测异常响应特征模拟

  张军;

  为了解决常规矿井瞬变电磁超前探测方法受矿井外界干扰影响较大，异常体探测定位不精确的问题，提出一种在井下钻孔中测量瞬变电磁场三分量信号的超前探测方法，对接收线圈所处水平面不同位置、异常体不同方位的异常响应特征进行数值模拟。分析钻孔瞬变电磁探测原理，进行钻孔发射线圈与接收线圈的试验设计以及施工设计，对均匀全空间模型、均匀全空间异常体模型、异常体位于钻孔不同方位的三分量异常场响应特征进行系统分析。在低阻异常体与线圈垂直时，X分量、Y分量、Z分量异常响应最大，随着低阻异常体逐渐平行于接收线圈法向，异常响应逐渐减小，当低阻异常体完全平行于接收线圈法向时，X分量、Y分量、Z分量异常响应最小。通过以上认识，可以根据钻孔径向不同象限位置的异常场三分量组合形态不同，判断异常体所在钻孔的方位。在以钻孔钻进方向为Z轴正方向，以孔口所在平面右向为X轴正方向，下向为Y轴正方向的坐标系下，钻孔瞬变电磁水平分量异常响应形态均为“近似正弦曲线”或“近似反向正弦曲线”形态，通过形态组合判定出孔旁异常体所在象限。通过这样的规律，可分析三维空间条件下异常体的空间位置及赋存状态。通过钻孔瞬变电磁超前探测异常响应特征的分析，可为钻孔瞬变电磁超前探测提供理论数据支持。

  2022年08期 v.50;No.296 134-141页 [查看摘要][在线阅读][下载 1660K]
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• 封闭不良钻孔矿井瞬变电磁法超前精细探测研究

  黄忠正;姜国庆;王军;程久龙;马智;田楚霄;辛成涛;

  封闭不良钻孔不同程度地连通含水层，形成隐蔽性较强的导水通道，对巷道掘进和工作面回采构成水害威胁。基于全空间瞬变电磁理论，构建掘进工作面前方封闭不良钻孔三维地质-地球物理模型，模拟研究封闭不良钻孔影响区模型的全空间瞬变电磁场响应特征，进而探讨矿井瞬变电磁法用于封闭不良钻孔超前探测的有效性。数值模拟结果表明，封闭不良钻孔附近含水体在感应电动势多测道图上表现为幅值增强，异常特征明显。结合宁夏双马煤矿I0104_108工作面运输巷掘进工作面前方封闭不良钻孔超前探测工程开展应用研究，探测结果显示，在钻孔位置的煤层顶板出现局部低阻，表明该钻孔具有一定的导水性，引起顶板局部相对富水性增强。研究结果表明，封闭不良钻孔导致的局部富水性增强可以引起典型且易于识别的瞬变电磁场响应。采用矿井瞬变电磁法进行超前探测，并结合精细化处理解释可以有效查明钻孔附近岩层的相对富水特征，进而对封闭不良钻孔的导水性进行评价，为封闭不良钻孔的治理提供依据，保障矿井安全生产。

  2022年08期 v.50;No.296 142-148页 [查看摘要][在线阅读][下载 2351K]
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• 抽水蓄能电站锚索无损检测试验研究

  严良平;周黎明;崔博涛;王柏林;芦建刚;

  为了评价弹性波反射法应用于锚索无损检测对锚固质量的影响，在新疆阜康抽水蓄能电站库岸边坡进行了锚索无损检测试验。基于弹性波反射法的基本理论以及预埋锚索传感器，对锚索无损检测的数据采集、信号激发部位、锚固体波速等方面进行系统地研究。研究结果表明：接收传感器位置固定，激发部位为安装接收传感器的钢绞线时，接收信号振幅最大；激发部位为锚索托盘时，接收信号振幅其次，但干扰信号较大；锚索锚固体波速随着注浆龄期和张拉荷载的增加呈降低趋势。基于弹性波反射法可以对锚索长度进行检测并定量分析，但目前弹性波反射法对锚索锚固体的注浆密实度只能进行定性评价，未达到定量评价的精度，试验结果对研究锚索无损检测技术的同行有一定参考和指导作用。

  2022年08期 v.50;No.296 149-156页 [查看摘要][在线阅读][下载 2231K]
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钻掘工程

• 硬岩PDC定向钻头优化设计及其表面增材技术研究

  王传留;金新;高晓亮;张朋;

  定向长钻孔是煤矿瓦斯、水害治理的主要技术手段，PDC定向钻头性能是影响坚硬地层钻进效率的重要因素。针对煤层顶底板岩层定向长钻孔施工中出现因PDC钻头体断翼、PDC崩齿等问题导致的频繁起下钻、施工效率低等现象，采用等切削布齿原则对刀翼布齿进行优化，有效降低切削齿冲击破坏；通过流体力学仿真分析，优化钻头水力参数，保证岩屑及时排出孔底，防止切削齿因重复破碎岩石导致过早损坏；通过仿真分析，优选大直径PDC异型齿，提高切削齿耐磨和抗冲击性能；引入表面增材制造技术，通过优化等离子(PTA)增材制造工艺参数，实现了兼具胎体耐磨耐冲蚀和钢体强韧性的WC基复合钻头体加工工艺。新研制的PDC定向钻头，在淮南顾桥煤矿北区底板探放水钻孔中进行了现场试验。结果表明：钻进致密、坚硬灰岩地层时，2只钻头寿命分别达到827、810 m，相对于以前的?120 mm胎体式定向钻头平均寿命300 m有较大幅度的提高，并降低了上下钻等辅助作业时间，提高了施工效率，达到了硬岩定向长钻孔提速增效的目标，为硬岩定向长钻孔用PDC钻头设计和制造工艺开发提供了新的解决方案。

  2022年08期 v.50;No.296 157-164页 [查看摘要][在线阅读][下载 2461K]
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• 煤矿井下可退式卡瓦打捞筒的研制及应用

  伍涛;

  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。

  2022年08期 v.50;No.296 165-170页 [查看摘要][在线阅读][下载 1774K]
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• 坑道钻机模块化双泵站功率匹配实验研究

  鲁飞飞;凡东;田宏亮;

  为解决坑道钻机动力泵站重量大、搬迁运输难题，提出通过模块设计，将泵站进行拆分，采用小排量双动力双泵合流解决方案。化整为零，可有效减小单个泵站的运输尺寸及重量，并可根据工况需求选择单泵站或双泵合流提高钻机使用的灵活性，同时降低能耗。负载敏感系统具有节能、负载适应性好、调速方便等优点，然而双负载敏感泵系统合流时，2个泵的输出功率不平衡，钻机输出参数不符合设计要求是亟需解决的难题。理论分析指出，两个负载敏感泵与负载敏感阀之间的反馈管路差异影响2个泵的功率平衡，然后建立双动力双泵负载敏感系统动态模型。基于该模型，动态分析双负载敏感泵系统压力流量特性，重点分析反馈管路以及压力补偿器对双泵站功率平衡的影响，并提出双负载敏感泵系统功率匹配方法。通过台架实验对理论分析结果进行验证，结果表明,管路差异对双泵双动力负载敏感泵合流系统输出特性有较大的影响。在反馈管路中设置阻尼并根据管路匹配阻尼参数，可实现双泵输出参数的基本平衡。通过微调压力补偿器弹簧预压缩量，可使系统达到较好平衡，消除管路差异影响。该方法解决了2个泵站输出功率不平衡问题，该方法有较强的普适性和应用价值，对坑道钻机液压泵站的模块化设计具有重要的参考意义。

  2022年08期 v.50;No.296 171-178页 [查看摘要][在线阅读][下载 2676K]
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• 《煤田地质与勘探》征稿简则

  <正>《煤田地质与勘探》于1973年创刊,月刊(2022年1月起变更),中煤科工西安研究院(集团)有限公司主办,是煤炭地质行业学术与实用技术并重的综合性期刊。主要刊载煤炭地质,矿井地质,煤系气,煤伴生矿产,水文地质,工程地质,环境地质,煤田物探,矿井物探,钻掘工程等方面,具有较高学术、技术水平和实用价值的基础理论、先进技术与方法、先进经验等科研或工程实践成果。本刊发表的文章在国内外具有较广泛的影响,欢迎煤炭地质及相关领域的广大科技工作者踊跃投稿。

  2022年08期 v.50;No.296 179页 [查看摘要][在线阅读][下载 523K]
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