煤矿巷道含软弱夹层底板锚固孔钻进过程研究

发布时间：2020-06-17 20:23

【摘要】：煤系地层具有明显的层状结构特征,巷道在掘进及使用过程中常常会出现严重的底鼓现象,锚杆-锚索支护技术以其优越的技术及经济优势越来越多的应用于煤矿巷道底板支护。巷道底板锚固孔钻进是实现其锚固的关键环节,底鼓巷道底板岩层多数含有软弱夹层,钻头穿过软弱夹层时孔壁岩石物理力学特征是其稳定性的重要因素。现场调研发现,在钻进含软弱夹层底板锚固孔时,孔壁局部地段有掉块、剥落现象,这些体积较大的渣体落到孔底后造成排渣困难,影响锚固孔成孔质量。论文采用理论分析、数值模拟以及实验室试验相结合的方法,深入系统地分析底板锚固孔钻进过程中影响锚固孔成孔质量的因素。研究结果发现:施工底板钻孔时,钻进至软弱夹层位置时钻孔出现扩径现象,围岩应力状态对钻孔扩径影响较明显,钻进动力对扩径的程度影响并不明显。从能量守恒原理出发,对锚固孔钻进过程中的能量进行分析。在一定动力条件下,钻头穿过岩层交界面和软弱夹层时,能量曲线变化较为明显,响应性强。从钻头钻速和转速的角度分析轴向推力做功与旋转扭矩做功,发现钻速、转速与钻头破岩做功之间存在较好地响应关系。钻头破碎岩石95%以上的能量来自于旋转扭矩做功,而轴向推力做功相对较小,不到钻具系统输出总能量的5%,总能量的变化曲线与扭矩做功的变化曲线基本一致。钻渣颗粒的粒径越大,在自身重力作用下越不易排出孔外;锚固孔倾角的增大使得钻渣易在下孔壁处堆积,与垂直钻孔相比,倾角的增大实质上是更有利于排渣;锚固孔的局部扩径对整个排渣过程影响较大,扩径程度越大,钻渣滞留越严重。研究成果揭示了巷道底板小孔径锚固孔孔壁失稳原因,为高质量锚固孔钻进提供理论支持。
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD353
【图文】：

示意图,开采深度,深部开采,示意图

论题意义炭作为我国的主要能源，在一次能源消耗结构中所占比例仍在 50%以上。多浅部煤炭资源逐渐枯竭，煤炭资源进入深部开采已成为世界上众多采煤峻问题[1]。迄今为止，我国已有近 47 个矿区的开采深度超过千米，开采深2m/a 的速度增加，在东部地区已有许多矿井相继进入深部开采阶段[2]，且年大于 20m 的速度增加，如图 1-1 所示[3]。

煤矿巷道,底鼓

图 1-2 煤矿巷道底鼓显现Fig.1-2 Condition of roadway deformation and destruction综上所述，巷道底板锚固孔钻进是实现锚杆（索）支护的必经步骤。锚固孔尺寸壁稳定性是锚固质量的关键影响因素。成孔直径小（三径匹配）、钻进速度快、钻度大、孔壁完整稳定、无空气污染是高质量巷道底板锚固孔的重要指标。因此，研道底板锚固孔钻进过程对分析解决钻渣堵塞和部分地段钻孔失稳具有重要意义，同深部巷道底臌的有效治理起着重要的作用。.2 国内外研究现状岩石钻进特征研究始于上世纪 50 年代，主要集中于石油钻进及岩土工程领域，学者先后在凿岩机具动力分析、岩石破碎机理和凿岩机性能参数测试等方面进行了统的研究，取得了一些重要成果[9-14]。.2.1 国内外岩石钻进特性研究现状在石油钻进领域，林铁军[15]教授利用 ABAQUS 有限元数值模拟软件，以空气作

【参考文献】