組合射流沖擊破碎煤巖成孔機(jī)理及工藝研究.pdf

1、我國(guó)煤層瓦斯抽采主要采用鉆孔抽采的方式，但穿層鉆孔巖孔段長(zhǎng)、煤孔段短、增透范圍有限，順層鉆孔需要提前掘進(jìn)煤巷配合。隨著無(wú)煤巷采煤工藝的興起，工程技術(shù)人員迫切需要一種能夠通過(guò)穿層鉆孔在煤層中施工順層孔的超短半徑轉(zhuǎn)向鉆孔技術(shù)。傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向鉆進(jìn)方法轉(zhuǎn)向曲率大，往往需要在巖層中就開(kāi)始轉(zhuǎn)向鉆進(jìn)，增加了巖孔段長(zhǎng)度。水射流鉆進(jìn)技術(shù)使用高壓軟管進(jìn)行動(dòng)力傳輸，且鉆頭小巧，轉(zhuǎn)向容易，為解決這一難題提供了新途徑?，F(xiàn)有水射流鉆進(jìn)技術(shù)多采用組合射流、旋轉(zhuǎn)射流、直

2、旋混合射流等形式，又由于組合射流鉆頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，其在超短半徑轉(zhuǎn)向鉆孔方面更具優(yōu)勢(shì)。但組合射流破巖效率對(duì)射流之間布置參數(shù)極為依賴，由于組合射流破巖及成孔機(jī)理不明，嚴(yán)重阻礙了組合射流技術(shù)的發(fā)展。
　　本文采用理論分析、數(shù)值模擬、CT測(cè)試、鉆進(jìn)煤巖實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)組合射流沖擊破碎煤巖機(jī)理、組合射流鉆頭自進(jìn)成孔原理及超短半徑轉(zhuǎn)向鉆孔工藝進(jìn)行了研究，取得的主要成果有：
　?、俳沂玖松淞鳑_擊動(dòng)載下的煤巖響應(yīng)機(jī)制。以射流沖擊特性及煤巖力

3、學(xué)結(jié)構(gòu)特性為基礎(chǔ)，對(duì)水射流破碎煤巖過(guò)程及機(jī)理進(jìn)行了研究。射流沖擊作用下煤巖響應(yīng)包含兩個(gè)方面：一是水錘壓力直接破碎煤巖。通過(guò)水錘壓力及作用時(shí)間分析，得到了射流沖擊作用下煤巖破碎的閾值條件，建立了射流沖擊作用下煤巖斷裂破壞及屈服破壞體積公式，并結(jié)合破巖實(shí)驗(yàn)得到射流破碎煤巖體積計(jì)算模型；二是在水射流沖擊作用下，煤巖內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波，促進(jìn)了煤巖內(nèi)部微裂隙的擴(kuò)展，從而形成由環(huán)形裂紋與徑向裂紋組成的網(wǎng)狀縫網(wǎng)。
　?、诮沂玖私M合射流聯(lián)合沖擊破碎煤

4、巖機(jī)理。從研究單股射流的沖擊特性入手，并結(jié)合沖擊波相互作用理論，闡述組合射流沖擊靶體時(shí)應(yīng)力波干涉現(xiàn)象，結(jié)合組合射流沖擊煤巖實(shí)驗(yàn)，揭示了組合射流沖擊破碎煤巖機(jī)理。利用CT掃描手段，得到錐形裂紋長(zhǎng)度、角度與射流速度及噴嘴直徑的關(guān)系，提出充分利用裂紋擴(kuò)展的中心組合射流破巖方式，并建立了組合射流間距計(jì)算模型。同時(shí)，數(shù)值模擬了的組合射流在空間運(yùn)動(dòng)中的靶面壓力分布圖，揭示了具有徑向轉(zhuǎn)角的組合射流動(dòng)靶距聯(lián)合破巖機(jī)理。
　?、蹖?duì)組合射流自進(jìn)成孔原

5、理及孔壁穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。基于組合射流破巖機(jī)理，設(shè)計(jì)了自進(jìn)式組合射流鉆頭，并通過(guò)自進(jìn)鉆孔實(shí)驗(yàn)，闡釋了其破巖成孔原理，對(duì)組合射流鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。引入孔壁凹凸度對(duì)其成孔形態(tài)進(jìn)行了定量分析，并通過(guò)真三軸孔壁破壞試驗(yàn)，結(jié)合煤層水平鉆孔周圍應(yīng)力分布及煤巖強(qiáng)度準(zhǔn)則，對(duì)水力成孔煤巖在真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：孔壁凹凸度對(duì)煤巖孔壁穩(wěn)定性影響明顯，隨著孔壁凹凸度的增加，孔壁穩(wěn)定性降低，孔壁更容易破壞。孔壁粗糙度與噴嘴個(gè)數(shù)顯著相關(guān)，增

6、加后噴嘴個(gè)數(shù)可以減小孔壁粗糙度，改善孔壁穩(wěn)定性。根據(jù)a值與凹凸度呈現(xiàn)線性相關(guān)關(guān)系，對(duì)MG-C破壞準(zhǔn)則進(jìn)行了修正，建立了水力成孔孔壁穩(wěn)定性判定模型。
　?、茉O(shè)計(jì)了超短半徑轉(zhuǎn)向鉆孔工藝，并建立水力系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算模型?；诮M合射流破巖成孔機(jī)理的研究，提出了煤層超短半徑轉(zhuǎn)向鉆孔方法，介紹了其技術(shù)原理及系統(tǒng)組成。通過(guò)對(duì)組合射流鉆頭進(jìn)行受力分析，結(jié)合系統(tǒng)水力損失計(jì)算，建立了超短半徑轉(zhuǎn)向鉆孔極限深度模型，并對(duì)各施工參數(shù)對(duì)鉆孔極限深度的影響規(guī)律進(jìn)行

7、了分析。結(jié)果表明：泵壓是影響極限深度的主要因素，極限深度隨泵壓增加而增加；極限深度隨噴嘴直徑增大，先增加后減小；極限深度隨高壓軟管長(zhǎng)度增大，先增加后減小。在重慶松藻礦區(qū)逢春煤礦進(jìn)行了水力鉆孔現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，組合射流鉆孔平均深度10.2m，平均鉆進(jìn)速度達(dá)到1.09m/min，所有鉆孔均未發(fā)生嚴(yán)重的卡鉆現(xiàn)象，證實(shí)了超短半徑轉(zhuǎn)向鉆孔技術(shù)的可行性。
　　本文的研究成果為水射流沖擊破巖理論的完善作出了一定貢獻(xiàn)，為煤礦井下瓦斯高效抽采提供了一種新思