钻杆内下套管防治软煤层钻孔塌孔技术

为了防止软煤层钻孔在瓦斯抽采过程中短时间内塌孔堵死,提高钻孔瓦斯抽放效率,对软煤层钻孔钻杆内下套管设备和工艺方法进行了分析和研究。通过对比分析常规下套管方式、原有钻杆内下套管方式和改进后钻杆内下套管方式的在软煤层试验,得出以下结论:采用钻杆内下套管设备下套管的长度远大于采用常规钻进方式下套管的长度;钻杆内下套管设备的钻头和钻杆设计对钻进和下套管长度影响较大,设计时钻头直径大小应适中,钻杆应尽量采取内平丝扣连接;采用钻杆内下套管方式的百米钻孔瓦斯抽放量要远大于普通钻进下套管钻孔的百米钻孔瓦斯抽放量。     

松软煤层钻进高温闭锁及预警装置研究与应用

针对高瓦斯松软煤层钻孔施工存在孔内瓦斯燃烧的安全隐患问题，提出钻进高温闭锁及压力预警系统，开展钻头与闭锁装置之间的温度传导规律实验、储液密封仓液体介质实验，并进行现场工业性试验。研究结果表明:钻头与储液密封仓之间的温度传输平均差值约为251.52 ℃；储液密封仓选取水为充填介质时，能够保障钻头温度在380~424 ℃范围时蒸汽活塞发生动作；通过现场工业性试验，高温闭锁装置可实现钻头高温下的风水通路闭锁，及时切断氧气来源，避免钻进过程中瓦斯燃烧事故；压力预警装置可将钻进风水通路闭锁转化为声音信号，根据预警时长对钻进过程中的高温、渣堵钻头、瓦斯大等现象进行识别，并及时调整钻进速度及压力，从而降低钻进过程中事故发生的概率。     

基于GSI原理瓦斯抽采钻孔收缩比评估方法及其应用

瓦斯抽采钻孔收缩是致使排渣阻力增大、钻孔发生堵塞的主要因素。基于地质强度指标(GSI)法,分析了评估煤体力学参数的方法,探讨了Mohr-Coulomb与Hoek-Brown准则内在关系,从而能够应用较为广泛的方法验证和求解不同煤层条件下钻孔的变形量;提出了钻孔收缩比概念和计算方法,应用GSI原理对不同强度煤的钻孔收缩比进行定性分析。分析结果表明,钻孔收缩比受煤体强度变化的影响非常敏感,对于强度较低的煤体,钻孔变形量大,钻孔收缩严重,其结果缩小了钻孔的排渣空间,间接增大了钻屑运移、钻杆旋转及退钻阻力,使钻孔施工更加困难。结合工程案例,根据施工地点地质条件,科学评估钻孔收缩比并提出钻孔施工改进方案,通过工业性试验,钻进深度提高40%,钻进效率提高97.5%。     

瓦斯抽采钻孔棱状钻杆排渣原理数值模拟

为分析棱状类钻杆应用于松软突出煤层钻进存在优势的原因,基于流体力学理论,建立了棱状钻杆排渣模型,采用有限元方法,应用标准κ-ε模型方程进行计算,对钻杆旋转与周边流体相互作用的流场特征进行分析.结果表明,在钻杆棱角处形成“低压高速区”,棱边处形成“高压低速区”,钻杆棱边壁面流体产生速度、压力波动差,从而在“高压低速区”钻杆壁面形成强烈的“压差涡流”现象,减少了钻屑在孔底堆积致使钻孔堵塞的概率.应用棱状钻杆在松软突出煤层中施工钻孔,钻进深度提高34.6％,钻进效率提高21.1％,钻孔达标率由9.8％提高到48.3％,试验期间,钻杆强度可靠,未出现丢钻、断钻现象.     

松软突出煤层水平钻孔反循环气力排屑机理

为了解决顺层钻进瓦斯抽放钻孔成孔难的问题,提出了松软突出煤层瓦斯抽放钻孔钻杆内孔反循环气力排屑新技术,建立煤屑颗粒在钻杆内孔的反循环气力输送数学模型,经仿真求解,分析了输送压力损失及固相速度的变化规律。结果表明,在顺层水平钻孔钻进过程中,煤屑在反循环气力作用下,气流速度在钻杆内孔中上部比较稳定,而在钻杆内孔下部靠近内壁处的气流速度明显下降且小于中心区域;在同一位置输送浓度越大,气流速度也越大;在输送浓度不同的情况下,随着输送气流速度的增加,钻杆内孔的压力损失先降低再增高,在钻杆内孔反循环气力排屑时存在最佳经济速度。     

多级破煤水力冲孔强化松软低透煤层瓦斯抽采技术研究

在松软低透煤层中应用水力冲孔强化瓦斯抽采时,经常出现堵孔、卡钻等现象。针对这一问题,提出多级破煤水力冲孔技术。在分析堵孔发生原因的基础上,研制了多级破煤系统装置:一级破煤装置对原始煤体进行初始破碎;二级破煤装置对包裹在钻头及钻杆周边的煤渣、煤泥进行破碎、清除;三级破煤装置对小块煤体再次研磨。基于淹没射流速度场分布特征,分析了二级破煤装置射流轴向流速衰减规律,确定了二级破煤装置与一级破煤装置的最佳距离。在此基础上研发了多级破煤水力冲孔工艺,并应用于鹤煤八矿-655轨道石门揭煤瓦斯预抽,应用结果表明采用多级破煤水力冲孔工艺能够实现排渣顺畅,避免堵孔等现象的发生,单孔出煤量为3~8吨,冲孔后瓦斯抽采浓度及抽采流量均提高了3~15倍,石门预抽达标时间缩短至三个月以内,为安全快速揭煤提供了良好基础。     

自进式高压水射流超短半径水平钻进技术研究

高压水射流径向水平孔钻进技术是水平孔施工技术之一,它是在垂直瓦斯抽放或煤层气勘探钻孔布置机械或水力扩孔装置,对准选定的煤层部位进行扩孔.扩孔后下入特制的转向工具在300mm的曲率半径内实现由垂直转向水平.自进式钻头由旋转喷嘴、钻屑整和装置、推力提供装置等组成.自进式钻头带动为其提供高压水动力供应的特制胶管向前连续钻进.高压水通过高压胶管为自进式钻头提供动力进行钻进、推力及排渣.该技术可以使用同一垂直钻孔,在不同煤层内完成多个水平钻孔.这些径向水平钻孔的形成沟通了新的瓦斯流动通道,从而大幅度提高瓦斯抽放效率.     

深部煤层钻屑粒度随钻进深度分布规律

为了研究煤层钻屑粒度随钻进深度分布规律，选取具有冲击危险性的平煤八矿己15煤作为研究对象，采取钻屑量测试和孔口瓦斯浓度监测，通过筛分实验煤样并应用Rosin Rammler分布模型，探究了钻屑粒度和钻屑量大小随孔深变化关系，分析不同点钻屑粒度分布特征。结果表明:小于0.075 mm钻屑粒度分布随孔深变化与钻屑量变化规律相吻合；不同钻孔随深度变化分别对应不同Rosin Rammler分布函数，随着应力过渡越平缓，粒径分布宽度系数n值越小，煤体应力越大粒径相关系数D越大；不同范围钻屑粒度占比大小也会影响钻屑量大小；在钻屑量较大时，孔口瓦斯体积分数会出现增高现象。通过对钻屑粒度分布规律分析，更好地了解深部煤体应力分布，有助于冲击危险的预警。     

自进式旋转钻头钻孔修复理论及关键参数研究

瓦斯预抽钻孔在抽放过程中经常出现塌孔、堵孔等现象。针对这一问题,提出采用自进式旋转钻头修复失效钻孔的新方法。其利用自进式旋转钻头后置喷嘴的喷射反冲力作为动力,自行至钻孔堵塞段处,前置喷嘴形成的高压水射流对堵孔煤渣进行破碎,将其与水混合返出孔外,实现清孔排渣、钻孔修复的目的。对自进式旋转钻头钻孔破煤清渣的临界射流压力及流量进行分析,基于摩擦动力学计算钻头自驱的临界射流压力,在此基础上设计钻头结构及优化喷嘴布置,数值分析不同喷嘴组合情况下射流速度分布,得出最优喷嘴布置方式。并应用于鹤煤八矿-655轨道石门揭煤瓦斯预抽,实验结果表明:该方法能够实现失效钻孔的修复,并有效的提高了瓦斯抽采效果,缩短了瓦斯抽放时间。     

煤与瓦斯突出热动力学过程试验研究

为进一步加强煤与瓦斯(甲烷)突出等矿山重大灾害预测预报的工作,开展煤与瓦斯突出全过程热动力现象研究。将煤样破碎后在煤与瓦斯突出相似模拟试验台内加压成型,开展不同粒径煤样的吸附、解吸及突出试验,获取试验过程中的煤体温度变化数据。结果表明:煤与瓦斯突出过程中煤体温度随时间的演化关系近似符合自然对数函数;煤样粒径对煤体温度变化有显著影响,煤样粒径越小,在吸附解吸瓦斯时温度变化量就越大、变化速度也更迅速。通过分析煤与瓦斯突出试验结果及能量关系得出,煤的粒径很大程度上决定了瓦斯吸附能力及瓦斯内能,瓦斯内能又很大程度上决定了煤与瓦斯突出强度。     

基于钻杆推力法结合钻杆位移预测围岩应力的研究

为准确预测矿井冲击地压的发生规律,基于钻杆推力法结合钻杆位移理论,建立钻杆力学模型,利用新型钻削设备,结合钻削采集测试试验。根据试验数据绘出在不同围压轴压下推力、位移随时间的变化曲线,对应力变化进行预测。根据建立动力学模型及公式推导进而得出预测冲击地压的规律,通过测试钻杆推力估算煤体应力的大小,进而预测冲击地压的危险性。研究结果为煤矿动力灾害预测预报提供一定的理论与实验基础。     

取芯过程中煤芯温度分布特征模拟研究*

针对取芯过程瓦斯解吸受煤芯的温度影响不明,造成煤层瓦斯含量测不准的问题,开展对取芯过程煤芯温度分布特征研究。采用自主研制的取芯管自动测温装置在赵固二矿原生结构煤层（f=1.71）进行深度20 m的取芯试验,获得取芯管管壁温升变化规律,变化曲线分为4个阶段:缓慢上升、加速上升、减速上升、缓慢下降阶段;应用COMSOL建立含瓦斯煤传热模型,将管壁的温度变化设置为边界条件,模拟取芯过程煤芯与管壁之间的热交换。结果表明:在取芯时间30 min内,煤芯平均温度快速上升,之后上升速度趋于平稳;在煤芯内,相同时刻,等间距的轴向与径向距离,径向较轴向的温度梯度较大,径向传导快于轴向传导;取芯过程煤芯径向温度Ta与径向距离d、时间t满足指数函数关系。研究结果可为测定取芯过程煤芯的瓦斯损失量提供参考依据。     

瓦斯抽采钻孔反循环气力排屑数值模拟

反循环气力排屑是顺层钻孔的新技术，可以提高瓦斯抽采钻孔的成孔深度与成孔率，采用CFD-DEM耦合方法对瓦斯抽采钻孔反循环气力排屑过程进行数值模拟，研究了排屑气速、煤屑生成量对气力排屑性能和气力排屑系统压降的影响。研究结果表明:排屑气速较低时，煤屑在重力的作用下在钻杆内堆积，易导致钻杆堵塞，为保证顺利排屑，需要较大的排屑气速；随着煤屑生成量的增大，对气力排屑性能影响不大，但钻杆内煤屑的体积分数增大，煤屑-煤屑，煤屑-钻杆之间的碰撞加剧；气力排屑系统的压降与排屑气速、煤屑生成量均呈正相关，综合考虑能耗因素，在保证顺利排屑的前提下，应选择合适的排屑气速。     

基于响应面法的煤矿钻孔随钻超声成像仪器受力部件优化设计*

摘要:为研制适用于煤矿瓦斯抽采钻孔、满足施工强度要求的小尺寸随钻超声成像仪器，对随钻超声成像仪器的关键受力部位——超声探头安装孔进行优化设计，分析煤矿瓦斯抽采钻孔的一般规格，建立超声探头安装孔的三维模型，确定关键参数类型及其取值范围，采用极差分析法找到对受力部件强度影响较大的参数，基于响应面法开展有限元数值模拟，运用Box-Behnken设计方法得到超声探头安装孔关键参数与仪器受力部件性能指标的关系，优化受力部件关键参数的数值。结果表明:优化前最大的等效应力为138.6 MPa，优化后受力部件最大等效应力较优化前降低9.05%。结论验证了设计方法的有效性，为煤矿抽采钻孔随钻测井仪器的研制提供思路。     

应急封井装置与深水井喷喷流井口对接模拟研究*

为研究井喷高速喷流对应急封井装置与井口对接时的冲击影响规律,应用CFD数值模拟方法研究应急封井装置下放距离、对接偏距、井喷喷速对流场分布、冲击力的影响规律。结果表明:装置下放对接过程中短轴方向所受冲击力增加幅度较大;水平方向对接时,随着偏距的减小,装置所受冲击力降低,且降低速率增加;应急封井装置处于相同高度时井喷流体的喷速越小海底压力的压缩作用越明显,封井装置所受的冲击力越小。研究结果对应急封井装置的下放对接具有指导意义。     

煤体初始瓦斯涌出规律预测煤巷突出危险性研究*

为提高煤巷突出危险性预测的准确性,基于摩尔库伦准则,建立煤巷突出平衡方程,探究煤巷突出发生条件;通过COMSOL Multiphysics模拟软件探究钻孔瓦斯涌出量和瓦斯压力的关系;利用ZTL20/1000-Z型矿用隔爆型连续流量法煤层巷道突出预测装置,以薛湖煤矿二煤层为试验对象,进行煤巷突出危险性预测试验研究。结果表明:钻孔瓦斯涌出量与瓦斯压力呈线性关系,钻孔初始瓦斯流量可以作为预测煤巷突出危险性的敏感指标;最大流量峰面积、钻屑量和钻孔瓦斯涌出初速度变化趋势基本相同,且最大流量峰面积取值范围较广;最大流量峰面积突出临界值取值为59.30 (L·m2)/min。     

不同穿越角度对采空区埋地管道力学行为的影响

为解决采空区煤矿工作面逐渐开采引起的埋地管道力学行为变化问题，以实际地质参数为基础，运用有限元软件建立管-土三维有限元模型，模拟水平煤层工作面推进方向与管道走向之间不同夹角以及不同煤层倾角时工作面逐步开采引起的埋地管道力学行为变化，得出在2种情况下埋地管道的力学行为时变性规律。结果表明:水平煤层不同夹角开采时，在开采中后期，随着开采时间的不断增加，大夹角工况下的管道最大应力位移增长速度比小夹角工况快；开采完成后，水平夹角越大管道越危险；不同煤层倾角时，埋地管道最大位移变化随开采时间的增加基本呈线性趋势，且煤层倾角越大，管道的最大位移越小，管道越安全。