矿用肋骨钻杆排渣机理与钻杆优化研究

摘要

瓦斯突出一直是威胁煤矿正常生产的重大安全问题，在松软突出煤层的开采过程中尤为多见，目前普遍采用肋骨钻杆在煤壁的特定位置区域钻孔排瓦斯以解决瓦斯突出问题。由于现有排渣技术的限制，卡钻事故时常发生并导致钻孔深度和成孔率极低，从而极大降低了瓦斯治理的效率和效果。为解决以上问题，本文对肋骨钻杆的排渣机理进行研究，并提出钻杆优化方案。　　针对松软突出煤层钻孔施工复杂工况，采用钻孔理论分析、排渣数值模拟及实验室实验的综合研究方法，展开肋骨钻杆排渣机理的深入研究。建立了排渣过程煤渣颗粒的力学模型，并推导得到流体排渣与机械排渣单位时间排渣速率的计算公式，进而找出可进行优化的排渣效率影响因素。基于钻孔施工排渣工艺，采用计算流体动力学理论将排渣过程简化为气固两相流耦合过程，并采用两种专用数值模拟工具EDEM与FLUENT建立了钻孔排渣气固耦合模型，通过设置模拟实际钻孔工况参数进行耦合数值模拟，由数值模拟结果得到了肋骨钻杆待优化参数指标。基于耦合数值模拟结果，采用正交试验L25(55)正交表设计了25种模型，对肋骨钻杆参数进行优化，采用极差分析法得到参数最优组合，在参数最优组合钻杆基础之上，对叶片形状进行优化。优化结果表明：排渣效率提高了15.77%。基于钻孔施工实际工况，设计并搭建了肋骨钻杆排渣测试实验台。根据耦合数值模拟优化结果加工了新结构肋骨钻杆，对每根钻杆分别进行了15次模拟排渣实验，并对其排渣通道内残留的煤渣质量进行统计。实验结果表明：新结构肋骨钻杆为原肋骨钻杆的9.40%，煤渣的堆积速度下降明显，极大地降低了由于煤渣阻塞引起卡钻的可能性。

目录

声明

变量注释表

1 绪 论

1.1 课题的研究目的和意义

1.2.1 松软突出煤层钻进技术的研究现状

1.2.2 松软突出煤层钻进排渣技术的研究现状

1.3 典型煤矿钻杆结构及工作原理

1.4 肋骨钻杆排渣存在的问题

1.5.1 研究内容

1.5.2 技术路线

2 肋骨钻杆钻孔机理分析

2.1 肋骨钻杆排渣机理

2.1.1 煤渣的流体排渣输送模型分析

2.1.2 流体排渣时煤渣运动速度与输送量分析

2.1.3 煤渣的机械排渣输送模型分析

2.2 煤渣阻塞分析

2.2.1 地质因素

2.2.2 钻进速度因素

2.3 本章小结

3 肋骨钻杆排渣EDEM-FLUENT耦合数值模拟方法

3.1 气固两相流模型分析

3.2 EDEM-FLUENT 耦合数值模拟理论

3.2.1 耦合方法

3.2.2 气固耦合流动控制方程

3.2.3 颗粒相在流体相中的受力分析

3.2.4 接触模型

3.2.5 时间步长

3.3 EDEM-FLUENT耦合计算方法

3.4 本章小节

4 肋骨钻杆排渣气固耦合数值模拟

4.1.1 肋骨钻杆的排渣过程

4.1.2 肋骨钻杆排渣过程模型建立

4.1.3 煤渣颗粒模型

4.2 网格划分

4.3 数值模拟参数设置

4.3.1 FLUENT求解参数

4.3.2 EDEM求解参数

4.3.3 模拟计算时间长度的设定

4.4 耦合数值模拟结果分析

4.4.1 气相数值模拟结果分析

4.4.2 颗粒相数值模拟结果分析

4.5 本章小结

5 肋骨钻杆结构优化

5.1 肋骨钻杆结构参数

5.2 正交试验优化设计

5.2.1 正交试验设计

5.2.2 正交试验数据分析

5.2.3 最优参数组合的肋骨钻杆数值模拟

5.3 肋骨钻杆叶片形状优化

5.3.1 优化方法

5.3.2 优化结果分析

5.4 新结构肋骨钻杆强度校核

5.5 本章小节

6 肋骨钻杆实验室模拟排渣实验

6.1.1 实验钻杆加工

6.1.2 实验装置

6.2.1 实验步骤

6.2.2 实验方案

6.3 实验结果及分析

6.4 本章小节

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

作者简历

致谢

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