摘要：针对碎软煤层瓦斯含量测定取样时存在的取样深度浅、取样位置不可精准测控、瓦斯气体损失量大等不足,提出了基于梳状定向钻孔的碎软薄煤层瓦斯含量测定取样方法,介绍了其技术原理、工艺流程和技术优势,研究选配了矿用密闭取心装置、定向钻机、泥浆泵车等钻进与取样装备,开发了主孔双动力复合排渣定向钻进、探查分支孔随钻煤层探查、取样分支孔密闭取心等关键技术。在祁东煤矿94采区碎软煤层开展了现场试验,完成梳状定向钻孔2个,进行密闭取心3次,取样成功率67%,最大取样深度达484 m,查明了目标煤层赋存情况和瓦斯含量。

摘要：设计了全断面电控钻机加杆装置及控制系统。装置的机械臂装置,实现钻杆的自动输送与辅助上扣功能,解决人工加杆及辅助上扣时的安全问题;装置的钻杆仓,具备钻杆储存、队列式运动及便捷补杆功能,解决了人工频繁搬运钻杆,劳动强度大且及安全性低的问题;装置控制系统的防误操作逻辑控制回路,消除了误操作可能引起的机械碰撞问题;装置控制系统的单工况限压回路,解决了上扣时最大需求负载依靠经验难以判断的难题;装置控制系统的加杆电控既实现了加杆全流程的顺序逻辑控制,又实现了加杆与钻进动作互锁,进一步提高电控操作安全性。全断面电控钻机加杆装置,可实现一键加杆与自动上扣功能,填补钻杆便捷,与人工加装钻杆相比效率提高,安全性显著提升,工人劳动强度明显降低,消除了误操隐患。

摘要：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ø120 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。

摘要：针对钻探施工过程中因钻杆公接头断裂导致的掉钻问题,基于仿生学原理,以动物“骨筋”结构为仿生原形,提出了“骨筋”特性仿生公接头技术,在公接头(骨)内孔设置自锁连杆(筋),形成骨筋复合双连接单元,满足了公接头螺纹部位正常施钻时承受载荷与断裂后保持轴向连接的双重要求,实现了“打断骨头连着筋”的效果;阐述了仿生公接头的工作原理,介绍了自锁连杆设计方法,对研制的ϕ73 mm仿生钻杆进行了接头螺纹及内筋性能试验。结果表明:“骨筋”特性ϕ73 mm仿生钻杆抗扭能力达到20.12 kN·m,抗拉能力达到1444 kN,断裂位置均位于公接头螺纹大端,接头断裂后自锁连杆仍能保持钻杆轴向连接,实现了断裂防掉功能,抗拉能力达到384 kN,满足了提钻强度需求。

摘要：煤矿井下施工瓦斯抽采孔作业过程中,钻孔机器人给进系统用于钻进过程加压、减压和给进。针对复杂地层不确定性扰动影响钻孔机器人工作性能和钻孔施工质量及效率的问题,首先分析钻孔机器人的结构组成和钻进施工工艺,根据其给进系统的工作原理,建立了减压阀控制数学模型,获得了控制输入量电磁铁电流与控制输出量减压阀出口压力的映射关系,并在明确给进力驱动方式的基础上对整个给进系统进行控制建模。随后设计了钻孔机器人给进力跟踪控制系统,使用Luenburger全维状态观测器重构被控对象状态,建立基于等价输入干扰估计(EID)与补偿的控制结构,设计了状态反馈控制器、状态观测器和干扰估计器增益矩阵,实现给进力闭环控制系统稳定的同时具有满意的跟踪与扰动抑制性能。最后利用Matlab软件搭建数值仿真模型,以某煤矿井下实际钻进施工时给进系统的实测钻进数据信号为例进行仿真研究,以给进力为控制目标,实测减压阀输出压力波动为依据设计外部扰动信号,分别采用所提EID控制方法和PID控制方法进行了对比仿真。结果表明:所提方法获得了比PID方法更小的稳态跟踪误差峰峰值,且跟踪误差更小,保证了给进系统稳定运行,具有较好的跟踪与扰动抑制性能。研究结果对提高钻孔机器人适应复杂煤层负载变化,保证其工作性能和安全高效施工提供了控制理论基础。

摘要：为了研究适宜于季节性水质波动条件下矿井水处理的最优实验条件,提出面向生态灌溉的矿井水处理方法,进一步实现露天矿区矿井水资源化利用。以内蒙古某露天煤矿冬、夏两季矿井水为研究对象,选取新型成核剂硅藻土与传统助凝剂阳离子型聚丙烯酰胺(CPAM)、混凝剂聚合氯化铝(PAC)联合投加,对其进行强化混凝处理。结果表明:PAC单独投加条件下,随着PAC投加量的增加,出水TDS逐渐升高,HCO_(3)^(-)浓度逐渐降低;200 mg/L PAC+CPAM联合投加方式下,投加4 mg/L CPAM时冬、夏两季矿井水出水浊度取得最低值0.46、1.04 NTU,浊度去除率高达99.51%、99.71%。CPAM投加量的增加对总溶解固体(TDS)没有显著的影响,对HCO~-浓度影响很小或没有影响,去除效果不明显。矾花形成快速,时间明显短于PAC单独投加与200 mg/L PAC+硅藻土联合投加,此外,随着CPAM投加量的递增,矾花形成时间呈现依次变短的趋势;200 mg/L PAC+硅藻土联合投加方式下,投加400 mg/L硅藻土时冬、夏两季矿井水浊度分别为6.01、8.25 NTU,达到《城市污水再生利用绿地灌溉水质》(GB/T 25499—2010)限制性绿地的限值要求,浊度去除率达93.58%、97.67%,TDS、HCO~-浓度变化基本不受硅藻土投加量的影响。

摘要：为了实现地面瓦斯抽采直井快速、安全钻穿采空区,根据“上三带”中的垮落带、断裂带以及“下三带”中的底板导水破坏带高度计算公式,得到易发生钻井液漏失井段的深度,提出了优化后的四开井身结构和对应井段所采用的循环介质。在此基础上,结合沁水盆地寺河矿区地质条件,进行井身结构设计和循环介质选择,成功施工了一口穿采空区瓦斯抽采直井。结果表明:一开、二开及四开井段采用水基钻井液体系以较小漏失量钻进,三开井段采用氮气循环介质钻进,能够实现一次性高效顺利穿越采空区,达到快速、安全完井的目的。

摘要：针对复合坚硬顶板联动效应引发的冲击地压灾害,基于复合坚硬顶板的赋存特征,结合弹性力学理论,分析了高-低位坚硬顶板矿压显现特征,建立复合坚硬顶板破断形态和断块铰接形态判识的力学模型,分析了复合坚硬顶板岩层破断形态,研究了复合坚硬顶板协同破断机制,揭示了协同破断易释放巨大的冲击动能,形成冲击灾害的原理。依托坚硬顶板分区降能的弱化防治理念,提出了煤矿井下定向长钻孔裸眼分段水力压裂“高-低”位协同超前区域防治冲击地压灾害技术模式,并设计了错步式分段压裂段工程布置。工程试验得出:复合坚硬顶板高、低位定向钻裸眼分段压裂协同弱化后,顶板微震事件频次、总能量、顶板来压步距及来压范围分别降低42.17%、31.07%、33.69%、57.14%,合理有效防治了复合坚硬顶板冲击地压灾害。通过顶板分段水力压裂实施,顶板岩体被压裂成若干小块时,大幅降低了蓄积能量,并伴随压裂成缝过程的能量损耗,实现了复合坚硬顶板的分区分段可控破断距的垮落,实现顶板应力的转移、消散及动力灾害有效控制,为同类地质条件下冲击地压灾害区域弱化治理提供技术借鉴。

摘要：为解决切顶卸压无煤柱开采技术顶板预裂钻孔成孔效率低、钻孔角度调节偏差大、钻孔保直率差等问题,研制了ZDY2-300LM型切缝钻机,研究了切缝钻机的结构布局、车体平台、调角装置、施工钻具、水路系统和液压系统的关键技术和设计要点。进行了空载试验和负载试验,型式试验结果表明钻机各项指标满足设计要求。进行了3个煤矿井下试验,钻孔累计进尺近50000 m,井下试验结果表明:钻机满足切顶卸压无煤柱开采技术顶板预裂钻孔施工要求,并取得了良好的切顶卸压效果,有效解决了顶板预裂钻孔施工缺乏专用、可靠设备难题;且钻机具备施工作业高效、钻孔间距调节范围广、钻孔角度参数调节多,机身窄小及较好的钻孔保直率等显著特点。

摘要：煤层底板高承压奥灰水治理中,地面定向井设计与施工优化,主要依托二维AutoCAD地质图件开展。为避免复杂地质条件下目标靶区钻遇率低甚至脱靶等问题的产生,提高精准靶向水害治理的效果,提出基于三维地震动态地质建模开展水害防治定向井优化的技术。通过对比分析钻井优化技术方法的现状与问题,以地面防治水钻探工程的特定需求为出发点,指出地质模型导向适用于靶向水害防治定向井优化。在建模理论分析基础上,研究以地震数据为中心的体模型建模方法,分析定向井轨道设计相关的地质模型关键要素,探讨模型动态更新与井轨迹调整策略。以唐家会煤矿6煤底板奥灰水治理地面钻探工程为例,定向井设计阶段,基于地震数据,应用体模型建模方法构建包含地层、断层、异常体的三维地质模型,在异常体三维几何形态和地层裂缝属性的控制下,拾取关键靶点,提供多分支水平井轨道设计;定向井施工阶段,跟踪随钻数据及时修正地质模型,提供靶向倾角调整建议,提高井轨迹目标地层着陆精度和异常体钻遇率。实践表明,基于地震动态地质建模的定向井轨道设计与轨迹优化,有利于提高钻探工效、创造良好的注浆条件,达到提高异常靶区治理效果的目标,为奥灰水害防治的智能化决策奠定基础。