本文關鍵詞：地下多層空區(qū)探測鉆探技術及工藝研究

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【摘要】：地下自然形成的溶洞型空區(qū)或由于采礦活動形成的采空區(qū),對人類的安全生產和正常生活秩序造成危害,對地下空區(qū)進行探測以了解空區(qū)的詳細位置和空區(qū)形態(tài),并根據(jù)探測獲取的情況采取相應的處理措施是有效避免空區(qū)塌陷產生次生災害的重要手段。目前主要采用物探手段進行空區(qū)探測,由于地下不同地質體均可能在地球物理數(shù)據(jù)上產生相似的效果,因此其解釋結果具有不確定性,導致采用物探方法進行空區(qū)探測的精度極低,尤其是在重力方向上垂直分布多層空區(qū)的情況。采用鉆探方法結合鉆孔式3D激光探測掃描儀能夠精確獲取下覆空區(qū)的位置和空區(qū)形態(tài),是目前礦山空區(qū)探測的主要應用手段。但傳統(tǒng)正循環(huán)鉆進是依賴于孔壁形成排渣通道的鉆進工藝,采用普通正循環(huán)鉆探方法只能對單層空區(qū)進行探測,而我國大量礦山由于早期亂挖盜采等存留有大量不明地下多層采空區(qū),成為我國礦山安全生產,尤其是實現(xiàn)整合后采用露天開采礦山安全生產的主要制約因素之一。貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進技術兼具沖擊回轉鉆進的高鉆效優(yōu)點,同時具有反循環(huán)排渣不受地層影響的優(yōu)勢,已在各類鉆井勘探行業(yè)得到廣泛應用,由于其排渣不依賴于鉆孔壁與鉆具形成的環(huán)空,因此將其應用于多層空區(qū)鉆探能夠克服傳統(tǒng)鉆探方法在鉆遇第一層空區(qū)后繼續(xù)鉆進無法排渣的難題,同時由于貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進所用鉆具系統(tǒng)中心通道能夠提供直達下覆空區(qū)的暢通通道,為安全起下鉆孔式3D激光探測掃描儀提供保障,采用貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進技術結合鉆孔式3D激光探測掃描儀進行地下多層空區(qū)探測的工藝方法是解決礦山多層空區(qū)探測難題的有效技術手段。論文以太鋼嵐縣袁家村鐵礦多層空區(qū)探測項目為依托,采用貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進技術結合鉆孔式3D激光探測掃描儀開展了地下多層空區(qū)探測用鉆探技術及工藝方法的研究,為地下多層空區(qū)探測尤其是露天礦山下伏不明空區(qū)精準探測提供解決方案。論文的主要研究內容包括:一、針對袁家村鐵礦地層條件和地下多層空區(qū)分布特點及現(xiàn)場鉆機、鉆孔式3D激光探測掃描儀等的特點,專門設計了允許鉆孔式3D激光探測掃描儀從鉆具中心下入空區(qū)內的大通孔直徑貫通式潛孔錘、反循環(huán)鉆頭、雙壁鉆桿,針對現(xiàn)場鉆機的特點配套設計了適用于反循環(huán)鉆進的大直徑中心通孔主軸的鉆機動力頭,以及其它配套鉆探輔助工具,并開展了多層空區(qū)探測野外試驗工作,根據(jù)野外試驗情況制定了貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進技術結合鉆孔式3D激光探測掃描儀對多層空區(qū)探測的工藝方法。二、論文采用計算流體力學結合動網(wǎng)格技術初步對風動潛孔錘性能開展了三維數(shù)值模擬計算研究工作,初步實現(xiàn)采用有限元計算方法對風動潛孔錘的性能進行預測,該方法可用于對風動潛孔錘進行輔助設計和優(yōu)化設計。三、論文對袁家村鐵礦山地下多層空區(qū)探測的現(xiàn)場試驗中由于孔內鉆渣屑等排出不及時造成卡、埋鉆等問題,提出采用拉瓦爾噴管式內噴孔結構的反循環(huán)鉆頭替代現(xiàn)有普通直圓孔型的內噴孔反循環(huán)鉆頭以提高鉆頭的反循環(huán)能力,并通過數(shù)值模擬方法和室內試驗研究對拉瓦爾噴管式內噴孔反循環(huán)鉆頭的孔底局部流場特征和反循環(huán)抽吸能力進行了大量的研究工作,試驗結果表明,采用拉瓦爾噴管式內噴孔反循環(huán)鉆頭能夠大幅提高鉆頭的反循環(huán)能力。論文的主要創(chuàng)新點有:(1)首次提出采用貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進技術結合鉆孔式3D激光探測掃描儀對地下多層空區(qū)進行探測的工藝方法,試驗證明該方法能夠對地下多層空區(qū)進行精確的探測。(2)首次采用計算流體力學結合動網(wǎng)格技術實現(xiàn)對風動潛孔錘進行三維有限元數(shù)值模擬,該方法的實現(xiàn)對風動潛孔錘的計算機輔助設計提供了一種解決方案,能大幅提高風動潛孔錘設計的效率并降低設計成本。(3)論文提出采用拉瓦爾噴管式內噴孔結構的反循環(huán)鉆頭以提高鉆頭的反循環(huán)能力,數(shù)值模擬方法和室內試驗研究均表明,該結構能夠有效提高反循環(huán)鉆頭的抽吸能力。目前,隨著我國礦山資源整合力度的加強和采用先進露天開采技術的推廣,礦山下伏不明采空區(qū)對礦山安全生產的影響較為突出,進一步加強對礦山采空區(qū)尤其是下覆多層采空區(qū)探測技術的研究尤為重要。本文針對采用鉆探方法進行空區(qū)探測,提出了采用貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進技術結合鉆孔式3D激光探測掃描儀對地下多層空區(qū)進行探測的工藝方法,實踐表明,該鉆探工藝方法能夠有效解決礦山多層空區(qū)的探測問題,是一種具有推廣意義的礦山多層空區(qū)探測技術。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P634.5

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