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煤矿用自动化钻机远程控制系统的研制

煤田地质与勘探 2024年第5期52卷 151-159页

作者：董洪波姚宁平王天龙马斌彭光宇中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077

针对钻机在复杂施工环境下所面临的劳动强度大以及安全风险高等问题,采用电子电路技术、测量传感技术、远程控制技术、视频监测技术以及大数据技术,研制出一套适用于煤矿自动化钻机的远程监控系统。该系统以ZDY4500LFK型煤矿用钻机为主... 详细信息

针对钻机在复杂施工环境下所面临的劳动强度大以及安全风险高等问题,采用电子电路技术、测量传感技术、远程控制技术、视频监测技术以及大数据技术,研制出一套适用于煤矿自动化钻机的远程监控系统。该系统以ZDY4500LFK型煤矿用钻机为主体,实现了视距内控制、井下集控以及地面远程监控3种控制模式,并构建了云端自动化钻机管控平台。具体而言,视距内监控模式通过遥控器、控制器及配套传感器,实现了对井下视觉范围内钻机的精确操作;井下集控模式则集成了集控舱、隔爆兼本安型计算机、本安显示器、隔爆兼本安型交换机、本安摄像头以及本安操控箱等设备,实现了对井下危险钻场的钻机远距离安全监控;地面监控模式则通过地面操控台、地面服务器、显示器、交换机以及AI智能分析盒子等设备,为自动化钻机的地面远程监控提供了有力支持。此外,云端自动化钻机管控平台则主要用于自动化钻机群运行状态和施工状态的数据统计与分析。研制的远程控制系统应用于ZDY4500LFK、ZDY6500LDK型钻机,并实现了视距内遥控、井下集控以及地面远距离控制等多种控制方式的稳定运行。现场试验和测试研究结果表明:(1)钻机视距内遥控系统遥控器按键丰富、控制器具有CAN、RS485等丰富的接口,手机升级便捷方便,可广泛应用于钻机电控化升级和改造。(2)远程集中控制系统可以实现10km距离的远程控制,控制响应时间小于200ms。视频、参数采集数据响应及时无卡滞,可以满足井下钻机远程监控的需求。(3)地面远程监控系统可以实现地面钻机远程监控并具有AI识别功能,可实现人员闯入预警和停机功能。(4)自动化钻机管控平台经过功能、压力、并行、访问测试,功能正常,响应及时,系统无崩溃,可用于自动化钻机数据和工况的统计分析。该控制系统的应用在保证钻孔施工安全的同时也为煤矿钻机实现少人化、智能化、信息化提供了借鉴。

关键词：自动化钻机遥控远程控制地面监控集控煤矿

反射槽波探测法在煤层褶曲与断层识别中的研究与应用

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煤田地质与勘探 2024年第9期52卷 154-165页

作者：吴国庆中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077

【背景】煤矿智能化转型中,精准识别地下异常体对地质透明化体系构建至关重要,褶曲异常体的精确探测是井下物探技术的难点,其准确辨识对减少掘进成本、回采难度及安全风险有重要意义。【目的和方法】基于以往的槽波勘探实践,发现褶曲对... 详细信息

【背景】煤矿智能化转型中,精准识别地下异常体对地质透明化体系构建至关重要,褶曲异常体的精确探测是井下物探技术的难点,其准确辨识对减少掘进成本、回采难度及安全风险有重要意义。【目的和方法】基于以往的槽波勘探实践,发现褶曲对槽波的传播特性具有显著影响,但传统槽波反演技术难以区分褶曲与断层。为此,构建了几何形态类似、勘探距离相等的断层与褶曲数值模型,首先运用三维波场模拟技术挖掘波场信息,明确了二者波场响应差异;其次采用绕射偏移成像方法反演处理,获取了成像结果。【结果和结论】研究结果表明:(1)褶曲异常相较于断层,其反射槽波波形更为分散且模糊,不同反射点能量分布不均。(2)褶曲异常在远偏移距处的直达槽波信噪比高于断层构造,且能减缓直达槽波的衰减速度,使得直达槽波在褶曲异常中的传播距离约为断层构造中的1.5倍。(3)断层的反射槽波与直达槽波能量差异较小,而褶曲异常则表现出较大的能量差异。(4)褶曲异常的反射槽波主频低于断层构造,并导致直达槽波与反射槽波的频带变宽;褶曲异常反射槽波频率和速度均略高于直达槽波,断层构造此特征不明显。(5)断层构造的反射面通常位于断层面中上端,而褶曲异常的反射面则倾向于褶曲面中部,且褶曲异常的绕射偏移成像反射面在连续性上较断层构造差。基于上述波场特征与频散特性的深入分析,以山西阳泉某矿15号煤层为例,通过反射槽波绕射偏移成像技术,成功实现了巷道侧帮煤层中断层与褶曲的定性识别,并清晰描绘了褶曲的发育形态。研究成果不仅为采区工作面的合理布局提供了更为精确的地质依据,也为煤矿的安全生产、高效开采提供了有力的技术支撑。

关键词：矿井安全槽波勘探反射槽波地质异常体褶曲断层数值模拟

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阳泉矿区碎软煤层深孔气动定向钻进关键技术与实践

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煤田地质与勘探 2024年第9期52卷 184-191页

作者：刘飞李泉新方俊刘建林杨伟锋褚志伟赵建国王四一中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077

【目的】针对山西阳泉矿区碎软煤层瓦斯精准、超前、区域治理需求,提出采用气动定向钻进煤层预抽钻孔的技术方案。【方法】在分析气动定向钻进成孔技术难题的基础上,开发了适用于阳泉矿区碎软煤层赋存条件的气动螺杆钻具稳定运转技术、... 详细信息

【目的】针对山西阳泉矿区碎软煤层瓦斯精准、超前、区域治理需求,提出采用气动定向钻进煤层预抽钻孔的技术方案。【方法】在分析气动定向钻进成孔技术难题的基础上,开发了适用于阳泉矿区碎软煤层赋存条件的气动螺杆钻具稳定运转技术、钻孔轨迹精确控制技术、深孔高效排渣技术、气动套铣打捞技术,优化了气动定向钻进装备配套方案,并在阳泉矿区碎软煤层中开展了现场工业性试验。【结果和结论】结果表明:(1)通过优化气动螺杆钻具结构和工艺流程、设计低风阻管路,有效解决了气动螺杆钻具的异常制动,实现了稳定高效运转。(2)通过优化钻孔设计轨迹和工艺参数、设计大角度造斜钻具组合和研制气动冲击螺杆钻具,保障了钻孔轨迹的精确调控,提高了煤层钻遇率。(3)通过复合强排渣技术和短起钻冲孔工艺的应用,有效提升了钻孔排渣效率。(4)通过采用气动套铣打捞技术,配套设计的专用可退式打捞筒,满足阳泉区矿区碎软煤层孔内复杂事故处理需要,并成功处理2起严重卡钻事故。(5)在阳泉矿区某矿施工完成孔径120 mm的10个定向钻孔,成孔深度均达到450 m以上,最大钻孔深度达到607 m,最大单班进尺76 m。碎软煤层定向孔取得了显著的瓦斯抽采效果,单孔日均抽采瓦斯纯量最大达971.96 m^(3),实现了阳泉矿区碎软煤层瓦斯长时间稳定抽采。研究成果为阳泉矿区碎软煤层瓦斯高效治理提供了新的技术途径,具有显著的应用和推广价值。

关键词：阳泉矿区碎软煤层定向钻进气动螺杆钻具瓦斯抽采钻孔轨迹控制

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基于层次分析法的智能钻机运行工序判识

煤田地质与勘探 2024年第3期52卷 184-190页

作者：朱钱祥罗鹏平王龙鹏邢望王天龙中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077

煤矿钻机智能施工过程中自动判识当前工序的难度较大,针对该问题提出了一种包含钻机运行过程层次建模、工序执行概率推理的工序判识方法。首先,以层次分析法对钻机运行过程中不同粒度对象间耦合过程进行描述和建模,揭示了钻机各工序执... 详细信息

煤矿钻机智能施工过程中自动判识当前工序的难度较大,针对该问题提出了一种包含钻机运行过程层次建模、工序执行概率推理的工序判识方法。首先,以层次分析法对钻机运行过程中不同粒度对象间耦合过程进行描述和建模,揭示了钻机各工序执行过程中设备、功能与系统间的交互特征。其次,在上述研究基础上引入贝叶斯概率推理方法,建立工序执行概率推理模型,分析了钻机运行过程中不同粒度对象属性与各工序状态间的因果关系。随后,将采集到的传感数据进行处理并作为实时证据提供给工序判识模型,推理获得各工序的当前执行概率。最后,以ZDY23000LDK钻机运行过程中液压压力值、动力头转速及移动速度作为输入信息,利用提出的工序判识方法,推理出当前执行工序编号,实验结果显示针对上扣工序、钻进工序和起拔工序的识别准确率分别达到85.3%、81.2%和87.1%,从而证明所提工序判识方法是切实可行的。上述研究工作提供了钻机运行过程的层次解耦方法及钻机不同粒度对象间交互过程的分析方法,为后续钻机智能控制方法研究及先进智能地质装备研发提供了技术支撑。

关键词：智能钻机工序判识传感数据层次分析法贝叶斯理论煤矿

煤矿井下碎软煤层气动定向钻进技术与装备研究

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煤田地质与勘探 2024年第6期52卷 154-165页

作者：田宏亮张金宝王力方俊王建强中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077

【目的】我国煤层赋存地质条件复杂,碎软煤层分布广泛,高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井众多,目前采用钻孔瓦斯抽采是防治瓦斯灾害的有效措施。碎软煤层常规回转钻进存在轨迹不可控、成孔深度浅、抽采盲区大,常规定向钻进卡埋钻事故多、成孔困... 详细信息

【目的】我国煤层赋存地质条件复杂,碎软煤层分布广泛,高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井众多,目前采用钻孔瓦斯抽采是防治瓦斯灾害的有效措施。碎软煤层常规回转钻进存在轨迹不可控、成孔深度浅、抽采盲区大,常规定向钻进卡埋钻事故多、成孔困难、钻进效率低等问题。【方法】系统阐述了煤矿井下碎软煤层钻进技术的发展历程与应用现状,研制了气动螺杆钻具、定向钻机、随钻测量系统、除尘泵车、空压机或制氮机、油雾润滑装置等组成的煤矿井下气动定向钻进装备,并配套开发了气动定向钻进工艺和筛管完孔技术等关键技术,解决碎软煤层定向钻进成孔难题,保障瓦斯抽采效果。利用该成套技术与装备在两淮、山西、贵州等地区煤矿进行的碎软煤层定向钻孔试验。【结果和结论】研究表明:(1)气动定向钻进技术是碎软煤层钻孔瓦斯治理的有效技术手段,其钻进深度普遍达到200 m以上,最大钻孔深度达607 m,且可有效控制钻孔轨迹在目标煤层中延伸,煤层钻遇率达90%以上。(2)现场试验表明,气动定向钻进成孔效果好、施工效率高,最大效率达到3 594 m/(台·月),有力推动气动定向钻进技术从小规模试验到大规模的工业化推广应用。结合此成套技术与装备的应用现状和煤矿安全高效生产对钻探技术装备的发展需求,提出煤矿井下气动定向钻进技术与装备的拓展应用方向以及向自动化、智能化和集约化方向发展的现实需求和必然趋势。

关键词：碎软煤层气动定向钻进钻探装备钻进工艺瓦斯抽采

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煤层瓦斯含量测定技术及装备研究进展

煤炭科学技术 2024年第4期52卷 164-176页

作者：孙四清杨帆郑玉岐张庆利煤炭科学研究总院北京100013 中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077

瓦斯含量是煤与瓦斯突出危险预测、煤层瓦斯资源量估算、矿井瓦斯治理工程设计的重要参数。围绕如何在大区域准确快速测定煤层瓦斯含量,依托国家科技重大专项、国家自然科学基金和煤炭企业联合基金等项目科技攻关,在取样、测试方面取得... 详细信息

瓦斯含量是煤与瓦斯突出危险预测、煤层瓦斯资源量估算、矿井瓦斯治理工程设计的重要参数。围绕如何在大区域准确快速测定煤层瓦斯含量,依托国家科技重大专项、国家自然科学基金和煤炭企业联合基金等项目科技攻关,在取样、测试方面取得了一定进展。主要表现在如下4个方面:①煤层瓦斯含量测定取样经历了孔口接样、岩心管定点取样、压力引射定点取样和密闭取样4个阶段,密闭取样装备保压能力达到11.5 MPa,煤心直径达到38 mm;②针对不同煤层地质条件,发展形成了顺煤层定向长钻孔密闭取样、底板穿层钻孔密闭取样和顶(底)板梳状定向长钻孔密闭取样3种取样技术;③在河南焦作和山西晋城矿区硬煤层中,顺层定向长钻孔取样深度达到516 m,密闭取样法测得煤层瓦斯含量较常规取样法分别平均提高了0.44倍和1.04倍。在安徽淮南矿区碎软煤层中,穿层钻孔密闭取样深度达到209 m,测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.26倍;在安徽淮北矿区碎软煤层中,顶(底)板梳状钻孔密闭取样深度达到484 m,测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.19倍,密闭取样法在煤层瓦斯含量测定精度、探测范围上优于常规取样法;④在瓦斯含量测试方面,除了传统解吸法测试,发展了系列煤矿井下瓦斯含量快速测试装备,可实现最快30 min内测得煤层瓦斯含量,一般用于百米孔内的瓦斯含量测试。提出了煤层瓦斯含量测定密闭取样装备需向小型化、轻量化的方向发展,并能实现随钻密闭取样。在测试上,应根据实际情况确定合理的解吸终止限,并将测试装备和密闭取样装备进一步结合,以实现深孔瓦斯含量快速准确测定。密闭取样技术已成为煤层瓦斯含量大区域精准勘查、预测的主要手段,是煤炭安全高效开采的重要技术保障。

关键词：煤层瓦斯含量定点取样密闭取样碎软煤层硬煤

煤矿隐伏地质异常体地孔瞬变电磁法三分量探测技术

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煤炭科学技术 2024年

作者：高小伟中煤科工西安研究院(集团)有限公司

为了满足煤矿隐伏地质异常体精细探查的地质需求，实现钻孔周围隐伏水害的精细刻画与解释，提出了煤矿地孔瞬变电磁法三分量孔旁地质异常体定位技术，该方法通过地面大功率发射异常场信号、地面垂直钻孔中接收关断后的二次场三分量信号... 详细信息

为了满足煤矿隐伏地质异常体精细探查的地质需求，实现钻孔周围隐伏水害的精细刻画与解释，提出了煤矿地孔瞬变电磁法三分量孔旁地质异常体定位技术，该方法通过地面大功率发射异常场信号、地面垂直钻孔中接收关断后的二次场三分量信号，来探测钻孔周围地质异常体。首先采用Maxwell软件分别计算了钻孔不同方位异常体的三分量响应，发现地孔瞬变电磁法接收探头离异常体近，三分量异常响应明显，且组合形态不同，可依此定性判断异常体所在钻孔的方位；进一步对煤矿上常见的含导水陷落柱、含水断层和积水采空区模型的异常三分量响应进行数值模拟，发现不同异常体由于规模、异常体姿态不同，其产生的三分量异常响应曲线幅值形态不同，依此可以定性推断异常体类型；然后采用了电流环反演技术对理论含导水陷落柱、含水断层和积水采空区模型进行了异常体空间定位，结果表明利用地孔瞬变电磁三分量异常响应能实现钻孔周围含导水异常体的空间定位，并能获得异常体的空间位置、规模和姿态等参数；最后在内蒙某矿针对三维地震圈定的疑似陷落柱开展了地孔瞬变电磁探测，试验采用两个方位的发射源进行了激发，并对采集的数据进行了异常三分量反演，成功实现了疑似陷落柱的空间定位，并获得了疑似陷落柱的规模和姿态，探测结果在后期巷道掘进过程中得到了超前探测钻孔的验证。理论模型与试验数据表明地孔瞬变电磁法三分量异常定位技术可作为煤矿地面垂直钻孔中探查钻孔周围地质异常体的有效手段。

关键词：地孔瞬变电磁法陷落柱断层采空区三分量异常定位

松软煤层空气螺杆泡沫钻进用泡沫冲洗液体系实验研究

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煤炭科学技术 2024年

作者：金新中煤科工西安研究院(集团)有限公司

空气螺杆钻进技术是解决碎软煤层孔壁易垮塌问题的有效途径，但长期实践过程中，其粉尘污染严重、钻头寿命短、钻孔净化困难等问题也日益凸显。采用泡沫冲洗液代替空气作为循环介质形成空气螺杆泡沫钻进工艺成为了解决问题的新思路。因... 详细信息

空气螺杆钻进技术是解决碎软煤层孔壁易垮塌问题的有效途径，但长期实践过程中，其粉尘污染严重、钻头寿命短、钻孔净化困难等问题也日益凸显。采用泡沫冲洗液代替空气作为循环介质形成空气螺杆泡沫钻进工艺成为了解决问题的新思路。因此，论文采用Waring-Blender实验，根据松软煤层空气螺杆泡沫钻进对泡沫冲洗液体系性能指标及抗压性能要求，分别对发泡剂、稳泡剂、抗污染剂及抗压剂进行优选，并通过正交实验分析确定各处理剂的最优加量。在此基础上，对构建的泡沫冲洗液体系发泡量、半衰期、流变性能、抗污染性能、抗压性能以及携岩性能进行综合评价。结果表明：泡沫冲洗液体系的最优配方为：水+1.3%AMS +0.5%CMC+ 1%MP+0.3%HS植物胶，起泡体积达到5.3倍，泡沫半衰期为160min，发泡量大且泡沫稳定；动塑比达到0.91，剪切稀释性及携岩性能好能力强，煤粉沉降速度较清水降低了96.9%。抗污染实验结果表明，该体系抗地下水污染及抗煤粉污染强，卤水加量为30%时，其泡沫综合指数（FCI）仍能达到10642.5；煤粉加量为30%时，其FCI达到22050。论文研究成果为松软煤层瓦斯抽采孔采用空气螺杆泡沫钻进工艺提供了坚实的技术支撑。

关键词：松软煤层空气螺杆泡沫钻进泡沫冲洗液体系抗压抗污染

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井巷煤岩层精细对比技术

地质论评 2024年第S1期70卷 263-265页

作者：王海军王相业吴艳刘善德马良吴敏杰朱玉英中煤科工西安研究院(集团)有限公司西安710077

煤岩层对比技术作为地质调查、煤田地质勘探、矿井生产中重要的技术手段,该技术贯穿整个煤田地质勘查与矿井生产阶段的全过程,是煤炭资源储量计算、矿井地质构造分析的基础。煤岩层对比技术经过多年的发展已经形成了较成熟的煤岩层对比... 详细信息

煤岩层对比技术作为地质调查、煤田地质勘探、矿井生产中重要的技术手段,该技术贯穿整个煤田地质勘查与矿井生产阶段的全过程,是煤炭资源储量计算、矿井地质构造分析的基础。煤岩层对比技术经过多年的发展已经形成了较成熟的煤岩层对比理论和方法,可以满足煤炭地质勘查阶段的地质勘查设计、矿井设计及资源储量的计算等.

关键词：煤岩层对比地质透明化地质保障技术