可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井关键技术与装备

我国西部煤矿资源开发是保障煤炭资源供给的战略性任务,少人、安全、绿色、机械化、智能化矿井建设是现阶段煤炭智能化发展的必然趋势和重要方向。首先梳理了我国煤矿斜井和竖井全断面机械破岩掘进技术和装备现状,分析了适用煤矿井筒掘进的不同类型装备机械破岩掘进工作面临的共性难题;针对可可盖煤矿典型的西部富水弱胶结地层条件,确定了可可盖煤矿斜井和竖井联合开拓方案,并从地层条件、装备性能、围岩控制和经济合理性等方面,研判了采用斜井TBM掘进和竖井钻机钻井的可行性,提出了智能化建井建智能矿井的理念,构建了可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井模式;针对可可盖煤矿地层岩石强度低、扰动敏感的特性,突破了斜井敞开式TBM掘进高效破岩与围岩控制、连续排渣、装备推进与支撑协同控制等技术,实现了TBM姿态大幅度调整,一次掘进断面面积40 m2,形成了“探-破-支-运”一体化连续掘进技术体系,单月最高掘进进尺523.8 m;首次在西部富水弱胶结地层中采用竖井钻机钻井,提出了全岩地层竖井“一钻完井”工艺,形成了适用我国西部煤系地层钻井法凿井的大型竖井钻机及其配套装备体系,包括大直径全断面钻头结构、稳定钻杆、大型门式起重机以及竖井钻机高效集中控制系统,攻克了竖井钻机配套大型门式起重机安装、起下钻智能控制、竖井钻机高效钻进等关键技术与智能监控难题,实现了西部富水弱胶结岩石地层8.5 m大直径井筒高效钻进,单日最高钻进进尺10.8 m。     

西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩影响因素分析

竖井钻机钻井法凿井是现阶段我国盲竖井机械化、无人化、智能化建设的重要工艺技术之一。西部矿区厚基岩地层以胶结程度低、遇水易泥化、强度低的弱胶结岩石为主,与我国中东部竖井钻机钻进的深厚表土地层力学特性不同。针对西部富水弱胶结厚基岩地层条件,简述了竖井钻机钻井技术的发展历程、竖井钻机装备及旋转破岩方式,探讨了竖井钻机机械破岩钻进面临的厚基岩地层高效破岩、钻进技术参数随钻实时控制、地层自稳性差导致井帮失稳风险、泥包钻头或砂包钻头、泥浆性能参数随钻调配设计等难题,并从工程条件、地质特性、破岩刀具、钻头结构、刀具布置、钻进参数、泥浆排渣等方面分析了竖井钻机机械破岩的影响因素及其相互关联和制约关系,梳理了西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩技术发展方向,以期为西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩钻进技术发展提供参考。     

智能化建井理论技术研究与工程实践

基于煤矿建井阶段的智能化发展需求,提出了“智能化建井,建智能矿井”的定义与科学内涵,阐述了智能化建井在煤矿智能化建设中的重要作用;分析了西部地区建井面临地质条件复杂、基础理论研究薄弱、智能化建井装备研发滞后及工程技术突破难等问题;构建了由感知层、传输层、边缘层、平台层和执行与应用层组成的智能化建井系统总体架构,研发了由斜井掘进控制、竖井钻进控制及综合保障系统构成的智能化建井协同控制系统;总结了煤矿智能化建井通过基础理论研究、工艺设计、智能装备研制、控制系统研发、现场工程示范的一体化研究思路,解决煤矿建井过程中全断面机械破岩效率低、掘进复杂地层难、地下水防治及井筒稳定性与支护困难的技术难题。通过延长石油集团可可盖煤矿的智能化建井工程实践,形成了斜井敞开式全断面智能掘进工法,实现了斜井掘进“探-掘-支-锚-运”一体化作业;形成了竖井“一钻完井”智能化钻井工法,实现了竖井钻进“井下无人施工”本质安全作业,打造了行业智能化建井的工程与技术示范,形成了煤矿智能化建井的“延长模式”。最后结合煤矿智能化发展趋势,提出煤炭行业建井应共同遵循的原则与目标、当前工作和发展方向,并号召全行业聚焦智能化建井技...     

千米级竖井全断面科学钻进装备与关键技术分析

千米级竖井全断面钻进技术是我国深地开发的重要技术支撑。围绕机械高效破岩与智能安全钻进这一主题,阐述了机械破岩钻井装备和无人化钻井的研究进展,梳理得出以竖井钻机、竖井掘进机和反井钻机3种钻机构成的机械破岩科学钻井技术、工艺及装备体系,并凝练出竖井全断面科学钻进过程中破岩、排渣、智能监控、支护和辅助钻进5项核心技术及其涵盖的12项关键技术;提出千米级竖井全断面机械破岩钻井需要攻克的关键技术问题与科学问题。针对深部高应力、高岩温和高水压条件下岩石强流变、强扰动等特点,以破岩与围岩控制技术、高效排渣技术、装备钻进与支撑技术的"三位一体"协同控制为核心,将重点攻克:(1)深部破岩机理和井帮围岩控制理论研究,以及辅助机械破岩的高效破岩技术;(2)多相流流动理论研究,优化多相比、提升高度、多相流速等参数,建立低能耗高效循环排渣模式;(3)围岩智能感知、判识与精准钻进轨迹的智能化控制理论研究,开发深部地层钻进多信息融合的钻机自适应钻进技术。为解决机械破岩、多相流循环排渣、钻井智能推进3者之间的协调性和匹配性问题,从基础理论分析、装备性能、工艺研究3个方面,构建了机械破岩科学钻井参数动态优化设计体系,基...     

煤矿矿井建设技术与装备70余年创新发展及推广实践

比较全面地总结了新中国成立70余年来,我国煤矿矿井建设技术从引进吸收、自主发展到再创新的历程,以及在基础研究、工艺创新、技术突破、装备研制和成果转化方面取得的重要成果,涉及钻爆法、冻结法、注浆法、钻井法、沉井法等凿井技术以及煤矿岩巷掘进技术。目前,以钻爆破岩为主的凿井配套装备机械化、自动化水平显著提高,煤矿千米级深井短段掘砌综合凿井技术趋于成熟,竖井凿井最大深度达到1 341.6 m。冻结法、注浆法等凿井地质保障技术水平显著提升,逐步代替了帷幕法、板桩法和降水法等凿井技术,竖井最大冻结深度达990 m,斜井最大冻结段斜长达681 m,采用工作面注浆建成煤矿最长斜井为5 875 m,竖井地面预注浆加固深度达1 355 m。机械破岩井巷掘进技术取得突破性进展,反井钻机最大钻井直径达6 m,最大钻井深度达562 m;竖井钻机钻井法实现了最大钻井直径10.8 m,最大钻井深度660 m,且应用范围逐步扩大;竖井掘进机钻井法实现了零的突破,为煤矿竖井智能化凿井奠定了基础;煤矿岩巷机掘法作业线已经形成,岩巷全断面掘进机平均成巷速度超400 m/月。综上,70余年来我国煤矿矿井建设技术与装备创新发展...     

厚基岩地层竖井钻机钻井法钻进技术参数及其速度分析

竖井钻机钻井法具有施工安全性好、机械化程度高、井壁质量好等优点,可实现打井不下井,本质安全的目标。分析了我国西部与中东部钻井地层的差异性,中东部地层基岩占比不超过20%,而西部地层基岩占比超过80%;针对西部煤系地层厚基岩特性、井筒设计和钻机能力等条件,分析并计算了厚基岩地层竖井钻机钻井直径、深度和钻进分级,提出了进风立井“一钻成井”和回风立井“一扩成井”的钻井工艺;分析了不同地层条件下机械破岩钻进的钻压、转速等技术参数及对应的钻进速度,一次全断面钻进φ8.5 m井筒,钻头的破岩面积近56.8m²,宜采用低钻压和低转速的方式钻进,而φ4.2 m钻头超前钻孔和φ8.5 m钻头扩孔钻进时,可适当提高钻压以达到体积破岩的目的;根据钻井工程数据实测统计,进风井φ8.5 m全断面一次钻进深度达到491.0 m,最高月进尺62.3 m,回风井φ4.2 m钻头超前钻进深度513.1 m,最高月进尺110.4 m,φ8.5 m钻头扩孔钻进深度为511.0 m,最高月进尺171.3 m。陕北可可盖煤矿中央进、回风竖井是竖井钻机钻井法在西部煤系地层的首次成功应用,可为西部厚基岩地层竖...     

复杂地层条件智能化建井关键技术及发展趋势

井筒智能化建设是地下矿物资源开采、地下空间开发利用等领域高质量发展的重要技术支撑,也是井筒建设发展的必然趋势。在分析我国深厚冲积地层、硬岩地层、岩溶地层、富水弱胶结地层4种典型地层条件下现有建井技术的基础上,以西部富水弱胶结地层煤矿盲竖井建设为典型代表,从地质探查、地层改性、掘进装备、支护结构等方面梳理了智能化建井面临的挑战;深入剖析了复杂地层条件下智能化建井需要继续解决的问题及技术发展趋势,包括建井地层全信息探识与重构技术、智能化冻结控制技术、掘进装备破岩-排渣及智能化控制技术、掘-支协同智能化控制技术、仿真决策与智能化管理系统平台;提出了智能建井的发展建议,以期为推动智能化建井技术发展提供参考。     

我国反井钻机钻井技术与装备发展历程及现状

反井钻机钻井技术是煤矿、金属矿山、水利水电、隧道等地下工程中井孔钻凿的根本性变革技术。介绍了近40 a来我国反井钻机钻井技术与装备的发展历程、反井钻机钻井理论与技术以及反井钻进工艺与应用的发展与现状;梳理了反井钻机钻井领域获批科研项目,以及围绕反井钻机钻井发表的论文和专利、出版的论著与标准;进一步介绍了反井钻机钻井围岩预加固和支护等稳定性控制技术,反井钻井机械破岩机理与破岩技术,反井钻机钻架稳定控制技术与动力驱动控制技术,反井钻机导孔钻具、导孔钻进排渣技术、导孔钻进偏斜控制技术以及导孔钻进风险分析与防控技术;反井钻机扩孔钻进钻头滚刀布置形制、扩孔排渣技术、扩孔钻进偏斜控制技术以及扩孔钻进风险分析与防控技术;反井钻机钻井降温除尘技术;给出了反井钻机在矿下溜矸孔、深大斜井、立井井筒延伸、双风井井筒和一次钻成大直径风井等工程中的应用,以及富水冲积层、冻结地层、注浆加固地层和瓦斯地层中反井钻井的应用。经过40 a的研究与实践表明,我国在反井钻机钻井领域已经形成以机械破岩理论和钻进技术为基础的反井钻机钻井成套技术与装备体系,为地下工程中井筒的安全、高效、绿色钻进提供技术保障,为我国无人化、机械化和自动化全断面钻井技术与装备的进步做出了重大贡献。     

TBM在煤矿巷道掘进中的技术应用和研究进展

TBM工法经济技术优势显著,正成为煤矿巷道快速掘进的一种新方法。但由于煤矿特殊的施工环境和复杂地质条件,TBM在煤矿巷道掘进中面临以下技术挑战：(1)煤矿特殊施工环境下TBM装备和矿井系统适应性设计难;(2)煤系软硬复合地层破岩机理不清,高效破岩控制难度大;(3)软弱地层挤压变形卡机灾害风险大,灾害预测和安全控制难度大;(4)掘进空间狭小和粉尘水雾干扰严重,TBM掘进过程监测难度大,难以进行掘进参数决策控制和灾害预警。对此,针对TBM装备适应性设计技术,深部复合地层TBM高效破岩理论,挤压变形卡机灾害预测控制方法,掘进过程智能化决策控制技术等开展了系统研究,在TBM安全高效掘进技术方面取得了以下研究进展：(1)论述了针对煤矿特殊施工环境的TBM装备和施工工艺适应性设计技术;(2)开展了TBM滚刀贯入和线性切割试验,揭示了复合地层地应力水平、岩石强度及岩性变化、掘进控制模式、滚刀安装半径等对TBM破岩效率和破岩模式的影响机理,提出了深部复合地层TBM掘进性能评价预测方法和岩体可掘性评价方法;(3)揭示了深部煤系软弱地层TBM掘进挤压大变形卡机灾害孕育发生机理,发展了挤压变形卡机灾害孕育演...     

可可盖煤矿主副斜井TBM选型实践

世界上采用盾构机施工地铁、隧道等工程实例较多,但施工煤矿斜井实例相对较少。针对陕西榆横矿区北区可可盖煤矿大坡度、长距离、大埋深、含水复杂地层主副斜井井筒工程施工,结合可可盖煤矿井筒设计、矿井工程地质和水文地质条件,分析了TBM掘进性能、支护速度、掘进速度、安全性、应急处理的灵活性等在可可盖煤矿井筒工程中的适应性。结果表明:TBM施工主副斜井施工工艺技术可行,并确定选用带EPB模式的双模单护盾TBM,确保井筒施工过程的安全和质量,对推动煤矿建井技术升级、促进我国西部地区中深部煤炭资源开发具有重大意义。     

我国煤矿坑道钻探装备技术进展与展望

煤矿坑道钻探装备技术在发展过程中受到诸多不利条件的限制,导致新技术发展滞后,随着我国煤矿大力推进智能化建设,给煤矿坑道钻探装备技术带来了革命性的发展机遇。通过分析国外坑道钻探装备的技术特点和发展状况,以及国内坑道钻探装备技术的3个阶段发展,包括初级阶段的分体式钻机与稳定组合钻具轨迹控制方法,蓬勃发展阶段的履带式钻机、定向钻进装备技术及松软煤层钻进技术,新发展阶段的自动化和智能化装备技术,提出了今后我国煤矿智能化发展阶段钻探装备技术需要解决的关键问题,为推进钻探装备技术智能化水平的提高提供支撑。     

国家能源集团智能矿山建设实践与探索

介绍了国家能源集团智能矿山建设历程,并从智能矿山的规划研究、煤矿业务标准化、管控系统智能化、综采工作面智能化、掘进工作面智能化、主运系统智能化、辅助运输系统智能化等方面,详细阐述了国家能源集团在榆家梁煤矿、大柳塔煤矿、上湾煤矿、锦界煤矿和准能集团露天煤矿进行智能矿山建设的实践以及良好的应用效果;针对智能矿山建设实践中存在的问题,提出智能化工作面建设、煤矿机器人研发、智能选煤厂、露天煤矿用智能卡车等集团智能矿山建设的目标任务。     

新铁煤矿矸石立井凿井机械化装备与技术应用

介绍七煤集团公司矿井建设公司在新铁煤矿新矸石立井的施工中,采用了先进的凿井机械化配套装备及技术。使煤矿凿井装备实现了一次飞跃。     

麻地梁煤矿智能化装备应用与生产管理变革的思考

随着互联网技术、5G、智能装备等高新技术的快速发展，以智能感知、智能决策和智能控制为代表的的智能化开采越来越成为煤炭安全高效开采的发展方向。本文首先从检修班、生产班、设备库存、生产管理等方面对传统煤矿装备及生产管理现状进行阐述，分析现有煤矿装备及管理模式存在的问题。然后，以内蒙古智能煤炭有限责任公司麻地梁煤矿智慧矿山智能化工作面建设为工程背景，从智能化装备的组建、功能、库存管理、生产管理、运行优势和成功实践等角度介绍智能化装备的应用与生产管理，构建了以煤矿大数据库为基础的管理体系，提出了 “管设备，就是管生产、管安全”的新的管理理念。该体系的建立及理念的提出，可为突破传统生产管理模式、进行新型智能化煤矿建设提供借鉴和参考。     

基于PLC的矿井钻机控制系统设计

为了适应煤矿装备的智能化、自动化潮流,以某型矿井钻机为研究对象,对矿井钻机主要结构进行分析,基于CAN总线、PLC及PID设计了矿井钻机控制系统,并对控制程序进行研究。结果表明,该系统能较好地实现对矿井钻机自动化和智能化控制,为矿井钻机及其他煤矿装备控制系统设计及智能化升级提供理论依据及技术参考。     

煤矿井下钻探装备和钻探施工技术发展与探索

我国井下钻探装备经历了机械立轴钻机、全液压钻机和智能化钻机3个发展阶段,提高了井下特定环境下钻探安全可控程度和施工效率,但仍面临软岩钻进难题。开滦矿区结合自身大水、高瓦斯等矿井地质特点和矿井发展定位,引进国内外先进钻探装备和技术,探索实践综合配套钻探技术方法。     

我国深井快速建井综合技术

我国煤炭垣藏深度在1000—2000m的约占总储量的53．2％，深井建设的平均深度有加速增长的趋势。结合深井快速建井的几个代表性工程介绍钻井法和冻结法凿井技术在深井建设中的应用。探讨了深井建设中支护技术、通风降温技术、防治水技术、施工工艺与装备技术等问题。     

全断面竖井掘进机凿井技术

目前,我国煤矿井筒建设方法,以普通凿井法为主、特殊凿井法为辅。介绍了特殊凿井法中使用机械破岩的竖井钻机钻井技术、反井钻机钻井技术发展历程与应用现状。井筒掘进施工安全与效率是深井建设的基石,发展机械化凿井技术装备是深井建设少人化、无人化的保障。分析了部分断面掘进机凿井技术与装备的研究现状,提出了需要研制全断面竖井掘进机。对全断面竖井掘进机的井帮稳定、凿井工序、掘进参数等关键技术的特点和适用性进行了探讨。针对施工过程下部掘进、排渣与上部支护平行作业,指出滚刀破岩、上排渣和定向钻进将成为技术攻关的方向和工程应用的难点。尽快开发全断面竖井掘进机凿井技术是综合机械化凿井的发展方向和趋势,对于建井技术发展和地下工程建设具有重大意义。     

深部矿产资源开采矿井建设模式及其关键技术

深部矿产资源开采是我国资源持续供给和保障经济高速发展的重要物质支撑,井巷工程作为进入深部开采的安全通道是进入深部开采的咽喉,因此,深部矿井建设关键技术是实现深部矿产资源开采的重要技术支撑。基于深部矿产开采矿井工程设计与装备制造先行的理念,深部矿井建设模式、优化设计与理论、矿井建设技术与智能装备、智能监控技术体系、矿井建设与生态环境互馈等方面亟待取得突破。系统分析了矿井赋存地质条件探查、数据融合反演与透明化重构技术及其亟待攻克的科学问题;梳理了深部矿井井巷优化设计方法、建设模式、建井提运装备的发展现状和面临的难题;基于深部井巷围岩"应力调控-改性-支护"理念,提出了围岩应力调控技术,地面预注浆加固、抗渗、降-隔-保温技术等围岩改性技术,以及矿井工程支护结构等围岩控制理论与及其关键技术;提出了深井智能掘进装备与智能控制系统研发体系,梳理了机械破岩掘进装备制造与发展趋势,从高效破岩与排渣、装备构成与空间优化、精确智能钻井控制3个方面分析了上排渣竖井掘进机设计与制造亟需攻克的科学问题与技术难题;围绕破岩掘进复杂工序智能监控、围岩与井壁结构稳定智能监控、井筒内运行设备智能监控,提出了深部矿井全生...