組合射流沖擊破碎煤巖成孔機理及工藝研究.pdf

1、我國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、煤孔段短、增透范圍有限，順層鉆孔需要提前掘進煤巷配合。隨著無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)機械轉(zhuǎn)向鉆進方法轉(zhuǎn)向曲率大，往往需要在巖層中就開始轉(zhuǎn)向鉆進，增加了巖孔段長度。水射流鉆進技術(shù)使用高壓軟管進行動力傳輸，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)簡單的特點，其在超短半徑轉(zhuǎn)向鉆孔方面更具優(yōu)勢。但組合射流破巖效率對射流之間布置參數(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測試、鉆進煤巖實驗的方法，對組合射流沖擊破碎煤巖機理、組合射流鉆頭自進成孔原理及超短半徑轉(zhuǎn)向鉆孔工藝進行了研究，取得的主要成果有：
　　①揭示了射流沖擊動載下的煤巖響應(yīng)機制。以射流沖擊特性及煤巖力

3、學(xué)結(jié)構(gòu)特性為基礎(chǔ)，對水射流破碎煤巖過程及機理進行了研究。射流沖擊作用下煤巖響應(yīng)包含兩個方面：一是水錘壓力直接破碎煤巖。通過水錘壓力及作用時間分析，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)合破巖實驗得到射流破碎煤巖體積計算模型；二是在水射流沖擊作用下，煤巖內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波，促進了煤巖內(nèi)部微裂隙的擴展，從而形成由環(huán)形裂紋與徑向裂紋組成的網(wǎng)狀縫網(wǎng)。
　　②揭示了組合射流聯(lián)合沖擊破碎煤

4、巖機理。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應(yīng)力波干涉現(xiàn)象，結(jié)合組合射流沖擊煤巖實驗，揭示了組合射流沖擊破碎煤巖機理。利用CT掃描手段，得到錐形裂紋長度、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展的中心組合射流破巖方式，并建立了組合射流間距計算模型。同時，數(shù)值模擬了的組合射流在空間運動中的靶面壓力分布圖，揭示了具有徑向轉(zhuǎn)角的組合射流動靶距聯(lián)合破巖機理。
　?、蹖M合射流自進成孔原

5、理及孔壁穩(wěn)定性進行了分析?；诮M合射流破巖機理，設(shè)計了自進式組合射流鉆頭，并通過自進鉆孔實驗，闡釋了其破巖成孔原理，對組合射流鉆頭結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。引入孔壁凹凸度對其成孔形態(tài)進行了定量分析，并通過真三軸孔壁破壞試驗，結(jié)合煤層水平鉆孔周圍應(yīng)力分布及煤巖強度準(zhǔn)則，對水力成孔煤巖在真實應(yīng)力狀態(tài)下的穩(wěn)定性進行了分析。結(jié)果表明：孔壁凹凸度對煤巖孔壁穩(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數(shù)顯著相關(guān)，增

6、加后噴嘴個數(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MG-C破壞準(zhǔn)則進行了修正，建立了水力成孔孔壁穩(wěn)定性判定模型。
　　④設(shè)計了超短半徑轉(zhuǎn)向鉆孔工藝，并建立水力系統(tǒng)參數(shù)計算模型。基于組合射流破巖成孔機理的研究，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。通過對組合射流鉆頭進行受力分析，結(jié)合系統(tǒng)水力損失計算，建立了超短半徑轉(zhuǎn)向鉆孔極限深度模型，并對各施工參數(shù)對鉆孔極限深度的影響規(guī)律進行

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度增大，先增加后減小。在重慶松藻礦區(qū)逢春煤礦進行了水力鉆孔現(xiàn)場實驗，組合射流鉆孔平均深度10.2m，平均鉆進速度達(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，為煤礦井下瓦斯高效抽采提供了一種新思