瓦斯抽采上行钻孔钻屑自封孔性能实验研究

摘要

保护层开采是煤层群开采条件下区域性防治煤与瓦斯突出最有效的技术手段。被保护层卸压不明显时，通常需要由底抽巷向上方煤层打穿层钻孔进行瓦斯抽放，此类上行钻孔数量众多。上行钻孔的有效封孔是井下钻孔瓦斯抽放的技术关键，封孔材料和方法直接影响瓦斯抽采效果。本文致力于研究一种低成本、高效率的新型上行钻孔钻屑自封孔方法，取得的主要研究成果如下：
　　采用 FLAC3D软件模拟了钻孔周边应力场和塑性区分布，分析了上行钻孔密封段的泄漏方式，明确了上行钻孔封孔失效机制：上行钻孔封孔过程中存在3种漏气方式，即材料漏气、界面漏气和裂隙漏气，有效封堵这3种漏气通道是防止上行钻孔封孔失效的关键。在此基础上提出了上行钻孔钻屑自封孔方法，该方法利用打钻形成的钻屑自动封堵钻孔，实现钻孔、封孔一体化。
　　采用上行钻孔钻屑自封孔模拟实验系统研究了干钻工况下上行钻孔钻屑自封孔密封机理，包括钻屑颗粒粒度分布和运动过程观测实验。实验结果表明：大多数钻屑颗粒间空隙很小，钻屑沉降后存在压实过程，堆积致密，透气性差；钻屑颗粒会以较大的速度进入钻孔周围煤体破碎区和塑性区的裂隙群内，填充裂隙空间，阻隔巷道内的空气通过钻孔周围煤体裂隙流入钻孔内；钻屑堆积过程中，堆积角呈现增大的趋势，直至钻屑堆满钻孔的横截面，且比例高的细颗粒与钻孔壁接触的机会更多，钻屑与钻孔壁接触严密。钻屑自封孔方法能够有效封堵上行钻孔漏气通道，保证封孔效果。
　　研究了水钻工况下，水和钻屑混合颗粒运动规律对钻孔密封的促进作用：水屑耦合颗粒在喷出钻孔后在钻孔空间内的运动过程中，可以触碰到大钻孔钻孔壁横断面的各个方向，并进入钻孔周围煤岩体裂隙内；水屑混合物在钻孔壁运移的过程中，水具有向钻孔周围煤岩体裂隙渗流的趋势，从而引导钻屑进入裂隙，填充裂隙空间，封堵裂隙漏气通道。钻进过程中，水屑混合物能够在钻孔内不断的堆积，并且当两相流到达水屑堆积体时，水裹挟着钻屑从堆积体的表面斜向上运动，导致堆积体的堆积角增大，直至堆满整个钻孔横截面；封孔完成后，部分残余水填充在钻屑和钻孔壁的界面，形成固-液-固耦合的稳定状态，抑制了钻孔通过界面漏气。固液两相流携带较大的能量沿钻孔壁向下运动冲击堆积在钻孔封孔段的水屑混合物，对钻屑堆积的形态起塑造作用，促进钻屑致密堆积，从而抑制了钻屑材料自身的漏气。
　　采用NMR测试系统测试了固结的水屑混合物的透气性及其影响因素：钻屑颗粒粒度越大，水屑混合物中大孔、裂隙所占的比例越高，总孔隙度越大（其中小孔、中孔孔隙度越小），渗透率越大，致密性越低，透气性越好。水屑混合物随着固化时间的增加，孔隙度会降低，渗透能力变差，透气性也会变差，密封效果进一步增强。
　　研究了干钻和水钻工况下钻屑自封孔密封效果影响因素。干钻工况下，上行钻孔的角度越大、钻杆钻进速度越快以及上行钻孔直径越大时，密封效果越好；水钻工况下，上行钻孔角度越大、水流速度越大以及钻进速度越大时，密封效果越好。对比了相同影响因素下和不同影响因素下两种工况的密封效果：水钻工况下上行钻孔钻屑自封孔密闭气室负压大，负压衰减速度慢，密封性能比干钻工况要好。
　　研究结果对于降低钻孔封孔成本、提高瓦斯抽采效率和促进保护层开采具有一定的科学价值和实际意义。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景与意义（Research Background and Significance）

1.2 国内外研究现状（Present Research Status at Home and Abroad）

1.3 当前研究存在的问题（Current Problems）

1.4 主要研究内容与思路（Main Research Content and Ideas）

2 上行钻孔封孔失效机理

2.1 引言（Introduction）

2.2 钻孔周边应力场和塑性区分布数值模拟（ Numerical Simulation of Stress Field and PlasticZone Distribution around Drilling）

2.3 上行钻孔封孔泄漏失效方式（Leakage Way of Upward Drilling Sealing）

2.4 本章小结（Brief Summary）

3 干钻工况下钻屑自封孔机理及效果影响因素实验研究

3.1 引言（Introduction）

3.2 实验系统（Experimental System）

3.3 干钻工况下钻屑密封机理（ Mechanism of Cuttings Self Sealing under Dry Drilling Condition）

3.4 干钻工况下密封效果影响因素研究（ Study on Influencing Factors of Sealing Effect under Dry Drilling Condition）

3.5 本章小结（Brief Summary）

4 水钻工况下钻屑自封孔机理及效果影响因素实验研究

4.1 引言（Introduction）

4.2 水钻工况下钻屑自封孔机理（ Mechanism of Cuttings Self Sealing under Water Drilling Condition）

4.3 水屑混合物致密性影响因素实验研究（Experimental Study on the Influence Factors of the Water Mixture Density）

4.4 水钻工况下封孔效果影响因素研究（ Study on Influencing Factors of Sealing Effect under Water Drilling Condition）

4.5 本章小节（Brief Summary）

5 上行钻孔钻屑自封孔方法工艺设计

5.1 引言（Introduction）

5.2 水钻工况和干钻工况下密封效果比较分析（ Comparison of Sealing Effect between Water Drilling Condition and Dry Drilling Conditions）

5.3 上行钻孔钻屑自封孔方法工艺流程（Process Flow of Cutter Self-sealing Method for Upward Drilling）

5.4 本章小结（Brief Summary）

6 结论及展望

6.1 主要结论（Main Conclusions）

6.2 创新点（Innovations）

6.3 研究展望（Research Prospect）

参考文献

作者简历

学位论文数据集