本煤层钻孔瓦斯抽采失效机制及高效密封技术研究

摘要

钻孔瓦斯抽采是矿井瓦斯防治的重要技术手段,抽出的瓦斯在作为清洁能源利用的同时,又可以减少环境温室效应污染。虽然我国瓦斯产量大,但是抽采浓度波动大的现状造成了瓦斯利用率低的现实难题,其中封孔质量的好坏直接影响了瓦斯的抽采效果,因此煤层钻孔瓦斯抽采失效机制及高效密封技术的研究迫在眉睫。
　　本文在广泛调研国内外钻孔瓦斯抽采现状及封孔工艺和材料的基础上,首先基于机械行业流体密封理论分析了钻孔的密封机理,从煤的孔隙、裂隙双重结构性质和采动应力分布造成裂隙、渗透率变化两个方面阐述了钻孔密封的影响因素及封孔难度。
　　其次,指出钻孔瓦斯抽采失效的主要原因是巷道空气的渗入,钻孔漏风不但影响抽采浓度,造成抽采负压损失,还可能引发煤层自燃。论文分析了本煤层瓦斯抽采钻孔的漏气途径及原因,主要包括巷道一侧煤壁漏风和钻孔封孔段漏风。同时着重总结分析了钻孔变形对瓦斯抽采的影响,分析指出:钻孔失稳变形使抽采有效作用面积减小,瓦斯流动阻力变大,增加了钻孔密封难度,严重影响抽采的效率。
　　第三,提出了固液混合流体密封技术,从液体水锁效应、固体颗粒群粒封堵效应两个方面论述了固液混合封孔机理,在对其基本特性研究基础上,确定了材料配比,通过物理模拟实验和现场工业试验考察了固液混合方法的密封性能,证明了固液混合材料是一种理想密封介质,该技术能够实现简便、有效封孔的同时,保证长时间高效瓦斯抽采。
　　第四,针对巷道一侧煤壁漏风问题,通过FLUENT软件模拟了未喷涂巷道和喷涂巷道两种情况下的瓦斯抽采过程,得出了在实际瓦斯抽采工作中,壁面喷涂能够有效减少负压损耗,需尽可能进行壁面喷涂的结论;
　　第五,针对钻孔失稳变形对瓦斯抽采的不利影响,提出松软煤层充填护孔瓦斯抽采方法,该方法采用“钻进打孔,退钻充填,封孔抽采”的工艺流程,经过对多孔材料的性能分析,最终选择现浇泡沫轻质土作为最佳充填材料。
　　最后,把壁面喷涂、固液混合钻孔密封、充填护孔三种技术提炼组合成了“隔封撑”三位一体高效钻孔瓦斯抽采技术,论述了新技术全面阻隔漏气通道、高效瓦斯抽采的优越性和可靠性。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义（Research Background and Significance）

1.2 国内外研究现状（Research Status at Home and Abroad） 1.2.1 国内外瓦斯抽采现状

1.3 论文研究内容及完成情况（ Main Research Work and Completion Situation）

2 本煤层钻孔瓦斯抽采失效机制研究

2.1 封孔机理及影响因素分析（Analysis on Mechanism of Drilling Sealing and Influencing Factors ）

2.2 钻孔瓦斯抽采漏气机理研究( Study on The Mechanism of Air Leakage of Gas Drainage Boreholes in Coal Seam )

2.3 钻孔变形对瓦斯抽采的影响(Impact of Borehole Instability and Deformation Against Gas Drainage )

2.4 本章小结（Summary）

3 固液混合流体封孔技术密封性能研究

3.1 固液混合流体密封技术（ Sealing Technology of The Solid-Liquid Mixed Fluid ）

3.2 固液混合密封机理（Sealing Mechanism of The Solid-Liquid Mixed Fluid ）

3.3 固液混合密封材料性能要求分析（ Analysis on Property Requirements of The Solid-Liquid Mixed Fluid ）

3.4 固液混合材料性能研究（Study on Property of The Solid-Liquid Mixed Fluid ）

3.5 固液混合裂隙封堵密封实验（Sealing Test of The Solid-Liquid Mixed Fluid）

4 “隔封撑”三位一体钻孔密封高效瓦斯抽采技术4 The Separating-Sealing-Strutting Trinitarian Sealing Technology of Gas Drainage by Drilling

4.1 巷道壁面喷涂对瓦斯抽采影响CFD研究（Study on Impact of Spraying on Roadway Coal Wall upon Gas Drainage Based on CFD Simulation）

4.2 松软煤层充填护孔瓦斯抽采方法研究（Study on Gas Drainage by Filling Materials to Support Boreholes in Soft Coal Seam）

4.3“隔封撑”三位一体封孔瓦斯抽采技术（The Separating-Sealing-Supporting Trinitarian Sealing Technology of Gas Drainage through Drilling)

4.4 本章小结（Summary）

5 主要结论、创新点及展望

5.1 主要结论（Conclusions）

5.2 创新点（Innovations）

5.3 本文研究的前景展望（Prospects）

参考文献

作者简历

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