模拟煤层钻进过程中钻孔稳定性试验研究

钻孔钻进过程的实验室模拟及失稳现象捕捉,是钻孔失稳破坏机制研究的关键环节。通过构建模拟煤层钻进过程中钻孔失稳监测系统及方法,探讨了轴压、吸附平衡压力、气体种类及煤的变质程度对钻孔稳定性的影响规律,得出不同试验条件下的孔周煤体应力变化及孔壁、孔底破坏特征。研究结果表明:随轴压及吸附平衡压力的增大,孔周煤体峰值应力最大值逐渐增大,孔壁变形及孔底破坏趋于严重,甚至发生喷孔;与N2相比,当煤样吸附CO2时,孔周煤体峰值应力最大值较大,孔壁变形及孔底破坏也较为严重;随煤的变质程度的加大,孔周煤体峰值应力最大值及卸压范围呈先增大后减小的趋势,试验所用焦煤应力集中现象及孔壁、孔底破坏程度最为严重。     

特殊地质条件下深钻孔排渣技术及应用

针对特殊地质结构及远距离下行钻孔孔内残留钻屑量大,排渣困难,钻孔有效利用率低,抽采效果不理想等不利影响,结合现有悬浮剂资料,配置一定密度的悬浮液并进行排渣技术试验。试验结果表明,悬浮液排渣能够排出钻孔中残留的钻屑,清洗钻孔,避免钻屑填埋煤层段,延长钻孔有效深度,提高瓦斯抽采效果,浅钻孔瓦斯抽采纯量提高27%,抽采浓度提高8%,深钻孔瓦斯抽采纯量提高110%,抽采浓度提高340%。为特殊地质结构下深钻孔排渣工作提供一定的参考依据。     

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。     

瓦斯涌出量与构造煤关联性预测研究

为研究煤矿开采钻进过程中构造煤瓦斯涌出量随钻进深度的变化特性,以薛湖煤矿2104运输巷掘进工作面为试验研究对象,采用自主研制的连续流量法预测系统中瓦斯流量情况,测定钻孔瓦斯涌出量及钻进深度数据;根据初始瓦斯涌出量变化趋势,预测钻孔前方构造煤的位置。研究结果表明:在原生结构煤体中钻进时,钻孔瓦斯涌出量随钻进深度增加而增大,钻孔瓦斯涌出曲线平稳;钻进到构造煤时,钻孔瓦斯涌出量迅速增加、曲线变陡;钻进为9. 9 m时,钻孔瓦斯涌出量出现突变点; 10. 2 m时,瓦斯涌出量达到最大值,为89. 9 L/min,是正常值的2. 05倍;以3号钻孔为例,采掘活动验证了该预测方法的准确性和精度。     

寺家庄井田煤储层渗透率表征方法优选

煤储层渗透率是影响瓦斯抽采与煤层气开发的重要参数,快速评价不同结构煤体的渗透率对指导现场工作有重要意义。以寺家庄井田为例,为了优选出表征煤储层渗透率的合适方法,通过裂隙分形维数、声波速度和地质强度指标(GSI)对煤体结构进行定量表征,测试其渗透率,依据表征的难易程度和二者拟合系数进行对比。结果表明:裂隙分形维数与渗透率相关性显著,但是操作较为繁琐且不适用于软煤;声波速度法操作简单,但与渗透率关系不明显;地质强度指标与渗透率具有显著的相关性,操作简单,适用于所有煤体结构。因此,寺家庄井田煤储层渗透率表征的最佳方法为地质强度指标法。     

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.     

水力扩孔扰动下穿层抽采钻孔串孔致因研究

为解决水力扩孔卸压过度问题,厘定水力扩孔合理冲煤量,进一步提高矿井瓦斯抽采效率,首先运用Hoek-Brown原则揭示和阐明水力扩孔后钻孔串孔发生原因;其次构建流-固耦合数学模型,借助COMSOL模拟软件分析扩孔卸压后煤体所受应力变化和渗透率变化情况;最后结合现场扩孔试验,考察不同扩煤量下钻孔串孔发生情况。结果表明:扩出煤量越大,扩孔孔洞周边煤体的径向位移形变量越大;孔洞附近区域内煤体卸压充分,透气性得到大幅改善,串孔发生率明显增大;现场试验与理论分析、模拟结果基本吻合,可为类似地质条件的矿井实施水力扩孔技术提供一定的参考依据。     

蠕变-渗流耦合作用下水力冲孔周围煤体渗透率时空演化规律

为了研究水力冲孔周围煤体瓦斯运移规律,研究了水力冲孔周围煤体的应力、体积应变和孔径变化规律,建立了蠕变-渗流耦合作用下的水力冲孔周围煤体渗透率动态演化模型,揭示了水力冲孔周围煤体渗透率的时空演化规律,阐明了蠕变变形和基质收缩对渗透率的控制作用机理。研究结果表明:水力冲孔措施可以大幅度提高钻孔周围煤体的渗透率,在空间上煤体渗透率随距离呈负幂函数关系迅速降低（K=2×10-16 r -2.4）;在时间上煤体渗透率随抽采时间的延长而逐渐增大,但是增加梯度会逐渐降低;水力冲孔周围煤体渗透率的增加主要受到煤的蠕变变形控制,基质收缩效应虽然有利于渗透率的增加,但对渗透率的贡献远小于煤体的蠕变变形;钻孔由于蠕变变形会产生缩孔现象,很容易堵塞抽采通道,此时即使渗透率大幅度的提高,也很难保证抽采效果,因此迫切需要制定相应的防堵孔措施。     

瓦斯抽采钻孔钻屑气固耦合运移压力损耗分析

基于气固两相流体力学理论,对瓦斯抽采钻孔内钻屑运移气固两相流压损、钻杆腔体接头处局部压损、钻孔收缩和"钻穴"引起的压损进行分析,结合工程案例,对钻进系统的风压损耗进行计算和分析。结果表明,钻进系统的风压损耗主要为气固两相流的摩擦压损,开放型钻穴对钻进系统的压损影响较小,填充型钻穴会带来较大的压力损耗。结合煤层地质条件和钻孔施工工艺参数,应用文中方法计算钻进系统风压损耗,为优化压风系统提供科学依据。     

承压水浸湿诱导煤体变形特征规律的实验研究

为研究承压水条件下煤体浸湿变形的特征,采用自制承压水浸湿变形监测系统,开展不同水压条件下煤体浸湿变形实验,得到承压水浸湿诱导煤体变形特征规律。结果表明:0 MPa水压下煤体横向与纵向均呈现拉伸变形,煤体体应变为拉伸状态,而承压后煤体横向变形呈现先压缩后拉伸的趋势,纵向则均为压缩变形,煤体体应变为压缩状态;随着水压的增大,煤体纵向的压缩变形量及煤体体应变均呈现逐渐减小的趋势;卸压后煤体的残余变形量随水压的增大而减小。     

基于D-P准则的煤层钻孔封孔深度分析

为了确定合理的煤层钻孔封孔深度,提高瓦斯抽采效果,基于D-P屈服准则,提出关于中间主应力、煤岩剪膨胀的巷道开挖模型,推出钻孔周围煤体应力应变及钻孔封孔深度表达式。结合工程实例,以煤巷掘进工作面平均瓦斯抽采浓度和钻屑量为基础进行封孔深度的验证。研究结果表明:中间主应力、残余黏聚力、内摩擦角和剪胀角对于封孔深度有重要影响;在一定区间内,钻孔封孔深度随中间主应力的增大而增加,超过某个值后会随着中间主应力的增加而减小;剪胀角越大,扩容系数越大,钻孔封孔深度越大;平均瓦斯抽采浓度和钻屑量测试结果验证了封孔深度的准确性。     

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。     

Comprehensive monitoring technique based on electromagnetic radiation and its applications to mine pressure

Strata pressures are common potential troubles during coal mining, serious ones can cause great catastrophe. This paper presents a new comprehensive electromagnetic radiation (EMR) monitoring technique to monitor and predict these disasters. In this paper, we studied the relationship of EMR emitted by various, uniaxially loaded, coal rock samples (coal, rock, roof-coal-floor composite) in their whole deformation and failure processes to the applied loads, and found that EMR signal is linearly related to the applied loads, while the number of EMR pulses is a third power function of the applied loads. Therefore, EMR signal is capable of reflecting the stress (load) state, deformation and fracture strength, and internal stress state of coal rock mass. Based on the above, we proposed three methods for measuring rock pressure distribution, periodic pressure, and internal stress distribution of coal rock mass on working faces, and conducted field measurements and verifications. The results showed that (i) EMR has a certain correspondence to support resistance of working faces, and can reflect more accurately the face pressure distribution; (ii) in the mining impacted area located within 100 m in the front of working face, the stress distribution has unimodal and bimodal forms; (iii) EMR signal changes periodically with periodic pressure, and can be used to qualitatively observe and evaluate periodic pressure; (iv) tested with antenna in the borehole into coal rock mass, EMR signal can effectively reflect the internal stress distribution and shifting, which was verified by using traditional drilling cuttings method. In addition, EMR can also be used to check the effect of destress blasting as one of the emergency measures. In conclusion, the results are of practical significance for using EMR to monitor rock pressure and guiding safe underground mining.     

深水钻井热交换作用下的井壁稳定性分析

为了研究深水钻井过程中热交换作用对井壁稳定性的影响规律,建立了钻井液、钻柱、海水和地层各介质热交换作用下温度控制方程,根据热弹性理论计算温度变化对井周应力的影响,结合地层强度准则与拉伸破坏准则确定深水井壁坍塌压力与破裂压力。结果表明,钻井液循环对地层产生的冷却作用能够降低井壁坍塌压力与破裂压力,但破裂压力降低幅度比坍塌压力的降低幅度稍大。因此,尽管钻井液的冷却效果能够抑制井壁坍塌,但应注意低温度的井壁更易形成诱导缝,甚至引发地层漏失。计算结果对深水钻井作业具有指导意义。     

复杂地质低渗煤层水力压裂-割缝综合瓦斯增透技术研究

针对水力压裂区域化瓦斯增透盲区,提出了水力割缝局部化瓦斯增透技术措施,形成了复杂地质低渗煤层水力压裂-割缝综合瓦斯增透技术,并进行现场验证。研究结果表明:水力压裂区内的3个压裂钻孔平均瓦斯抽采纯流量较238底板道常规抽采钻孔单孔瓦斯抽采纯流量提高15.8倍,瓦斯抽采浓度提高4%,压裂区瓦斯抽采纯流量较对比区提高2.1倍,但水力压裂区域性措施受断层及煤层硬度等地质条件限制,存在盲区;水力割缝增透区内的抽采钻孔瓦斯浓度平均提高4.9倍,瓦斯纯流量平均提高3.3倍,对不同地质条件的适应性强,但是割缝影响范围小,抽采时效短;复杂地质低渗煤层水力压裂-割缝综合瓦斯增透技术综合了水力压裂与割缝的优点,对复杂地质煤层具有较强适应性,大幅提高了瓦斯治理水平。现场验证结果表明复杂地质低渗煤层水力压裂-割缝综合瓦斯增透技术在复杂地质条件下煤层强化抽采中有较好的实际应用价值。     

煤层钻孔失稳机理研究进展

高瓦斯松软煤层、软硬复合煤层和突出煤层深孔钻进是公认的世界性难题,已成为制约部分高瓦斯和突出矿井瓦斯治理效果的瓶颈。尽管众多研究者在钻孔施工装备及工艺的改进方面开展了大量卓有成效的工作,但因煤层钻孔失稳机理尚未完全揭示,钻孔成孔工艺缺乏理论支撑,上述难题至今仍未破解。从煤体结构判识及分类、含流体煤力学特性、失稳机理三方面入手,系统介绍了煤层钻孔失稳机理的研究进展,探讨了该领域亟待解决的问题;最后指出,含流体煤卸载过程中,煤层钻孔在流-固-应力耦合作用下的失稳破坏机制研究,是破解煤层深孔钻进难题的重点方向之一。     

深部开采松软煤层抽采钻孔变形特性研究

为了研究深部开采松软煤层抽采钻孔变形失稳特性,基于有限元理论和统计损伤理论数值模拟了深部开采松软煤层抽采钻孔变形失稳整个过程,分析了钻孔周围煤体应力及形变分布、卸压区演化和渗透特性。研究表明:钻孔破坏形式为上方发生垮塌,形成垮塌区;左右侧发生破坏,形成破碎区;钻孔周围煤体均向钻孔移动,钻孔附近煤体位移量较大,远处煤体位移量相对较小;钻孔形状由开始的圆形逐渐变成“类橄榄球形”,然后钻孔“类橄榄球形”断面逐渐减小至坍塌。钻孔失稳过程中,钻孔附近煤体渗透率逐渐增大,钻孔周围煤体渗透率变化量及变化范围均不断增加;周围煤体渗透率分布均大致呈“V”字型变化规律,即煤体渗透率呈随着距钻孔距离的增加先减小后增加然后趋于稳定的趋势。研究结果可以为我国煤矿深部开采松软煤层瓦斯治理和煤层瓦斯抽采提供理论支撑,具有指导性意义。     

穿层钻孔有效抽采半径的测定

钻孔的有效抽采半径是在矿井瓦斯抽采设计中的一个关键性参数。准确测定钻孔的有效抽采半径,有利于合理布置瓦斯的抽采钻孔,实现最佳设计、最小工程量和最优抽采效果。根据实际煤层的存在条件,首先采用压降法对矿井试验区内穿层抽采钻孔有效抽采半径和水力冲孔抽采钻孔有效抽采半径进行实测。然后通过Comsol Multiphysics数值模拟软件建立穿层钻孔瓦斯抽采的数值计算模型,所得模拟结果与现场实测数据基本一致。这证明了现场实测结果的正确性和方法的可靠性。该钻孔的有效抽采半径的测定结果可为金牛建业煤矿技改井二1煤层预抽煤层瓦斯的钻孔设计提供参考。