松软煤层抽采钻孔密封段失稳机理及新型加固密封技术研究

发布时间：2020-11-06 17:03

　　 钻孔瓦斯抽采是矿井瓦斯治理的重要技术之一,应用广泛。松软煤层因其自身强度低、稳定性差,加之开采和打钻等外界扰动,抽采钻孔成孔退钻后密封段孔口极易塌孔闭合,导致钻孔无法密封。此外,密封段应力集中区变形失稳使其孔周煤体裂隙进一步发育,为外界空气流入抽采管路提供了通道,从而造成松软煤层钻孔瓦斯抽采浓度低,抽采效果不理想,给矿井生产埋下隐患。本文考虑时间效应的影响,研究松软煤层瓦斯抽采钻孔密封段的失稳机理及其失稳漏气机制,据此,提出了新型加固密封技术并研制了相应新型密封材料,最后将其用于松软煤层瓦斯抽采钻孔加固密封现场试验。论文主要研究工作如下:(1)分析求解了时间效应下松软煤层钻孔密封段孔周煤体应力特征及其失稳机理,利用YYL200电子持久蠕变试验机开展了不同充填条件下含孔试样的分级加载蠕变试验,反演出广义开尔文模型下的蠕变试验参数,得到瞬时弹性模量E1、极限蠕变变形模量E2以及黏性系数η与应力水平和充填材料之间的变化规律。结果表明,合理解决松软煤层钻孔密封段孔口易塌孔、应力集中易失稳的问题,不仅需要一种新型密封技术,更需要一种抗压抗变形的优良密封材料。(2)分析归纳了煤层钻孔漏气情况,针对松软煤层钻孔密封段漏气问题,建立考虑时间效应的钻孔密封段漏气模型,求解考虑时间效应下的钻孔密封段漏气量。据此,自主设计搭建了瓦斯抽采漏气试验平台及漏气位置检测系统和钻孔衰减检测装置,开展了松软煤层瓦斯抽采物理模拟试验,并对松软煤层抽采钻孔的漏气衰减规律进行测试分析,揭示了松软煤层钻孔密封段考虑时间效应下的失稳漏气机制。结果表明,松软煤层钻孔密封段2m～5m处易发生塌孔,且密封段作为主要漏气通道其稳定性也决定着钻孔的长时高效抽采。(3)针对松软煤层钻孔密封段易失稳塌孔的问题,基于巷道喷涂技术和钻孔加固等技术,构建了“同心环”加固密封模型,利用模型分析其时间效应下松软煤层钻孔密封段稳定性和漏气特征。此外,通过数值模拟试验研究了“同心环”模型最佳加固半径和深度及两次注浆的合理注浆压力和时间。研究认为,“护壁岩孔环”最佳加固半径和深度为0.16m～0.18m和0.8～1倍的巷道宽度,注浆压力压力应不低于3MPa、合理注浆时间为10min～15min。(4)基于“同心环”模型提出了新型加固密封技术,对其技术特点和流程开展研究,并通过大量配比试验自主研制一种新型密封材料,结合单因素和响应面多因素分析确定其初步配比设计。在此基础上,利用NDJ-5S型数显黏度计和DDL600电子万能试验机对新型密封材料流动性和抗压强度进行试验研究,选取2%～4%为材料石膏最佳占比量。利用AutoPoreⅣ-9500型压汞仪和DNS-200电子万能试对新型密封材料的膨胀-蠕变特性进行研究,结果表明了材料膨胀剂占比量增大时材料的抗压抗变形能力呈线性减小趋势。(5)考察了新型加固密封技术和材料的实际应用效果,对余吾矿区松软煤层钻孔开展现场工业性试验,分析对比传统效果参数并利用RSM-SY7超声波仪对试验钻孔进行检测。结果表明,新型加固密封技术可以有效避免钻孔密封段孔口位置塌孔,采用新型加固密封技术和材料的试验钻孔在30天和60天的瓦斯浓度是采用膨胀水泥的布袋密封钻孔的2.5倍和3倍以上。研究阐明了松软煤层密封段失稳机理并揭示了密封段时间效应下的失稳漏气机制,据此提出了新型加固密封技术并研制了新型密封材料,在松软煤层矿井进行现场应用试验,表现出显著的优势,这对于合理解决松软煤层密封段失稳、提高松软煤层钻孔抽采效率,具有十分重要的理论意义和应用价值。
【学位单位】：西安科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD712.6
【部分图文】：

的发生是当前面临的主要问题[5-8]。在众多煤矿事故中，瓦斯第一杀手”，根据国家应急管理部政府网站事故查询系统统重特大瓦斯事故数据[9]，如表 1.1 所示。表 1.1 2007-2018 年的重特大瓦斯事故统计数据07 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 20165 8 6 5 8 5 6 9 1 6 46 125 253 84 137 123 111 134 10 1216.4 15.6 42.2 16.8 17.1 24.6 18.5 14.8 10 20.1地区煤炭开采条件恶劣，煤层中的瓦斯含量高、压力大、煤层杂，随着东中部地区矿井开采深度陆续超过千米，瓦斯灾害实表明，对瓦斯矿井煤层进行瓦斯抽采可以有效解决瓦斯矿除采掘工作面瓦斯突出危险性[13-14]。对此，国家煤监局先后控、以风定产”的瓦斯防治十二字方针和“通风可靠、抽采”的瓦斯综合治理十六字责任体系，将瓦斯抽采作为防治瓦

浓度低于 30％[26-27]，由此可以推断，现行的封孔技术远远没有达到密封隔绝效果。图 1.2 抽采钻孔密封段失稳漏气意图松软煤层瓦斯抽采钻孔，由于松软煤层自身强度较低、稳定性较差的原因，导致钻密封问题尤为突出[28]，如图 1.2 所示。松软煤层打钻是进行瓦斯抽采的先决条件，由松软煤层本身特点和受到其他外界条件的干扰影响，在钻孔成孔后，松软煤层钻孔密段极易失稳变形甚至坍塌，如图 1.3 所示，导致钻孔无法进行密封，同时，密封段周煤体裂隙进一步发育扩展，也给外界空气的流入提供了流通通道，最终致使松软煤层斯抽采效果不理想，给煤矿生产埋下了安全隐患。抽采钻孔Ⅰ:漏气区Ⅱ:塑性区Ⅲ:弹性区a-初期封孔段b-封孔段稳定；c-密封段失稳d-漏气通道e-瓦斯气流f-空气气流（2）抽采后期（1）抽采初期

西安科技大学博士学位论文然气资源[16-19]，因此，矿井瓦斯抽采必不可少，一举多得。我国从 50 年代已采作为治理煤矿瓦斯灾害的重要措施在高瓦斯矿井推广，《煤矿安全规程》[2版）也以法规的形式对煤矿瓦斯抽采作了更加详尽的规定。但是，我国煤矿斯抽采量不均衡、抽采浓度整体较低等问题[21-23]，造成目前瓦斯利用难度高的现状。煤层钻孔密封后抽采过程中，钻孔密封质量与钻孔的漏气情况密切1.1 所示，影响着瓦斯抽采效果和钻孔有效抽采半径[24]。相关研究资料表明采系统的空气 80%以上是通过钻孔吸入的，如果钻孔空气吸入量减少 1/2～斯流量可增加 1.5~2 倍，因此，钻孔密封质量的好坏直接影响了瓦斯的抽采上煤层抽采钻孔完全密封后，瓦斯抽采浓度应接近 100％，而我国煤层抽采斯浓度低于 30％[26-27]，由此可以推断，现行的封孔技术远远没有达到密封隔a-初
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本文编号：2873414