瓦斯抽采钻孔钻屑运移机理与成孔技术研究

摘要

瓦斯抽采是防治瓦斯灾害、保证煤矿安全开采的根本举措，而成孔技术决定瓦斯抽采范围和抽采效率。突出煤层深孔钻进是井下瓦斯抽采公认难题，如何提高钻进深度和效率已成为煤矿瓦斯抽采的重要研究内容之一。“排渣”是成孔的关键技术，即钻屑及时排出孔外，避免在孔内堆积造成钻孔堵塞。本文针对气力输送排渣钻进工艺方式，围绕钻进排渣问题，对影响钻进排渣主要因素，钻屑运移发生堵塞机理，以及钻孔发生堵塞的时间效应开展理论研究，对于新型钻具研制及指导工程应用具有重要的科学意义。
　　排渣空间、孔内风速和供风压力是影响钻屑运移的三个主要因素。钻孔收缩和“钻穴”使排渣空间缩小或堵塞，提出钻孔收缩比概念，基于弹塑性变形理论分析了钻孔收缩比Dc求解方法，分析了钻孔孔壁失稳破坏形成钻穴的原理、频发位置，以及钻穴充填钻孔排渣空间方式；基于气力输送原理，分析了钻屑颗粒群最小启动风速、钻屑输送临界风速和钻进系统风压损耗求解方法。结果表明，松软突出煤层钻进过程中孔内裂隙发育、破碎带分布面积大、孔壁膨胀变形大、局部存在钻穴，致使孔壁摩擦系数增大，排渣空间减小，钻屑在孔内运移阻力和风压损耗增大。
　　建立了常态钻孔堵塞段力学模型，分析了钻孔倾角θ、侧压系数K、摩擦因数f、钻孔直径D及堆积密度?b变化对钻孔发生堵塞的影响规律；建立了钻穴区堵塞段力学模型，分析了钻穴截面Sa、钻孔倾角θ、滑移面FH摩擦因数f对钻穴区发生堵塞的影响规律；引入钻屑运移堆积时间参数 t和钻屑量附加系数kD，建立常态钻孔、钻孔收缩及钻穴区发生堵塞的时间效应P-t方程。根据现场施工地点的地质条件和钻孔施工工艺参数，建立相应P-L、P-t方程，通过计算绝对安全时间TA、相对安全时间TR及危险时间TD，来评价突出煤层对钻孔发生堵塞的影响，判断施工地点钻孔工艺存在的问题并提出相应的改进方案。
　　结合钻屑运移和发生堵塞机理，提出了FM钻进排渣原理，该原理涵盖五个准则：增大排渣空间、降低排渣阻力、降低钻杆旋转阻力、增加钻杆辅助排渣能力、提高钻杆整体强度。提出F-Ma降阻增排方法，并研制了熔涂螺旋钻杆；提出F-Mr压差涡流排渣方法，研制了多棱熔涂耐磨钻杆、非对称异型截面钻杆和异型棱状刻槽钻杆。基于实验室试验和数值模拟两种方法，分析对比了常规钻杆和新型钻杆在钻穴区的排渣状态，试验和数值模拟结果表明，利用研制的新型钻具，钻进时能够在旋转钻杆周围形成辅助排渣通道，同时降低堵塞区的煤渣运移阻力，有利于疏通钻孔堵塞区，有效地克服钻穴对钻进的影响。
　　针对试验煤矿数个施工地点煤层地质条件和钻孔施工工艺参数，建立了具体的P-L、P-t方程，对煤矿现行钻进工艺存在的问题，进行较详尽的工程理论分析，基于FM钻进排渣原理提出相应改进措施。应用以后，钻孔内排渣空间增大，排渣顺畅，卡钻现象降低，未出现断钻现象，钻孔深度提高34.6～73.4％，钻进效率提高17～97.5％。

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1 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状及分析

1.3成孔技术存在的问题

1.4研究内容

1.5研究方法与路线

2 影响钻屑运移主要因素分析

2.1孔内排渣空间

2.2孔内钻屑颗粒群启动速度

2.3钻进系统风压损耗

2.4本章小结

3 孔内钻屑运移发生堵塞机理研究

3.1常态钻孔堵塞段力学分析

3.2钻穴区钻孔堵塞段力学分析

3.3孔内发生堵塞时间效应分析

3.4本章小结

4 FM钻进排渣原理及其配套钻具研究

4.1 FM钻进排渣原理

4.2 FM钻进排渣法新型钻具研制

4.3本章小结

5 新型钻杆克服钻穴排渣试验和数值模拟分析

5.1新型钻杆克服钻穴排渣试验

5.2孔内钻屑运动流固耦合数值分析

5.3本章小结

6 成孔工艺理论工程应用分析

6.1成孔工艺理论应用方法

6.2焦煤九里山矿成孔试验

6.3郑煤白坪矿成孔试验

6.4本章小结

7 结论与展望

7.1结论

7.2创新点

7.3展望

参考文献

作者简历

附录I

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