鉆孔瓦斯抽采是礦井瓦斯治理的重要技術(shù)之一,應(yīng)用廣泛。松軟煤層因其自身強度低、穩(wěn)定性差,加之開采和打鉆等外界擾動,抽采鉆孔成孔退鉆后密封段孔口極易塌孔閉合,導(dǎo)致鉆孔無法密封。此外,密封段應(yīng)力集中區(qū)變形失穩(wěn)使其孔周煤體裂隙進一步發(fā)育,為外界空氣流入抽采管路提供了通道,從而造成松軟煤層鉆孔瓦斯抽采濃度低,抽采效果不理想,給礦井生產(chǎn)埋下隱患。本文考慮時間效應(yīng)的影響,研究松軟煤層瓦斯抽采鉆孔密封段的失穩(wěn)機理及其失穩(wěn)漏氣機制,據(jù)此,提出了新型加固密封技術(shù)并研制了相應(yīng)新型密封材料,最后將其用于松軟煤層瓦斯抽采鉆孔加固密封現(xiàn)場試驗。論文主要研究工作如下:(1)分析求解了時間效應(yīng)下松軟煤層鉆孔密封段孔周煤體應(yīng)力特征及其失穩(wěn)機理,利用YYL200電子持久蠕變試驗機開展了不同充填條件下含孔試樣的分級加載蠕變試驗,反演出廣義開爾文模型下的蠕變試驗參數(shù),得到瞬時彈性模量E1、極限蠕變變形模量E2以及黏性系數(shù)η與應(yīng)力水平和充填材料之間的變化規(guī)律。結(jié)果表明,合理解決松軟煤層鉆孔密封段孔口易塌孔、應(yīng)力集中易失穩(wěn)的問題,不僅需要一種新型密封技術(shù),更需要一種抗壓抗變形的優(yōu)良密封材料。(2)分析歸納了煤層鉆孔漏氣情況,針對松軟煤層鉆孔密封段漏氣問題,建立考慮時間效應(yīng)的鉆孔密封段漏氣模型,求解考慮時間效應(yīng)下的鉆孔密封段漏氣量。據(jù)此,自主設(shè)計搭建了瓦斯抽采漏氣試驗平臺及漏氣位置檢測系統(tǒng)和鉆孔衰減檢測裝置,開展了松軟煤層瓦斯抽采物理模擬試驗,并對松軟煤層抽采鉆孔的漏氣衰減規(guī)律進行測試分析,揭示了松軟煤層鉆孔密封段考慮時間效應(yīng)下的失穩(wěn)漏氣機制。結(jié)果表明,松軟煤層鉆孔密封段2m～5m處易發(fā)生塌孔,且密封段作為主要漏氣通道其穩(wěn)定性也決定著鉆孔的長時高效抽采。(3)針對松軟煤層鉆孔密封段易失穩(wěn)塌孔的問題,基于巷道噴涂技術(shù)和鉆孔加固等技術(shù),構(gòu)建了“同心環(huán)”加固密封模型,利用模型分析其時間效應(yīng)下松軟煤層鉆孔密封段穩(wěn)定性和漏氣特征。此外,通過數(shù)值模擬試驗研究了“同心環(huán)”模型最佳加固半徑和深度及兩次注漿的合理注漿壓力和時間。研究認為,“護壁巖孔環(huán)”最佳加固半徑和深度為0.16m～0.18m和0.8～1倍的巷道寬度,注漿壓力壓力應(yīng)不低于3MPa、合理注漿時間為10min～15min。(4)基于“同心環(huán)”模型提出了新型加固密封技術(shù),對其技術(shù)特點和流程開展研究,并通過大量配比試驗自主研制一種新型密封材料,結(jié)合單因素和響應(yīng)面多因素分析確定其初步配比設(shè)計。在此基礎(chǔ)上,利用NDJ-5S型數(shù)顯黏度計和DDL600電子萬能試驗機對新型密封材料流動性和抗壓強度進行試驗研究,選取2%～4%為材料石膏最佳占比量。利用AutoPoreⅣ-9500型壓汞儀和DNS-200電子萬能試對新型密封材料的膨脹-蠕變特性進行研究,結(jié)果表明了材料膨脹劑占比量增大時材料的抗壓抗變形能力呈線性減小趨勢。(5)考察了新型加固密封技術(shù)和材料的實際應(yīng)用效果,對余吾礦區(qū)松軟煤層鉆孔開展現(xiàn)場工業(yè)性試驗,分析對比傳統(tǒng)效果參數(shù)并利用RSM-SY7超聲波儀對試驗鉆孔進行檢測。結(jié)果表明,新型加固密封技術(shù)可以有效避免鉆孔密封段孔口位置塌孔,采用新型加固密封技術(shù)和材料的試驗鉆孔在30天和60天的瓦斯?jié)舛仁遣捎门蛎浰嗟牟即芊忏@孔的2.5倍和3倍以上。研究闡明了松軟煤層密封段失穩(wěn)機理并揭示了密封段時間效應(yīng)下的失穩(wěn)漏氣機制,據(jù)此提出了新型加固密封技術(shù)并研制了新型密封材料,在松軟煤層礦井進行現(xiàn)場應(yīng)用試驗,表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢,這對于合理解決松軟煤層密封段失穩(wěn)、提高松軟煤層鉆孔抽采效率,具有十分重要的理論意義和應(yīng)用價值。
【學(xué)位單位】：西安科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TD712.6
【部分圖文】：

的發(fā)生是當前面臨的主要問題[5-8]。在眾多煤礦事故中，瓦斯第一殺手”，根據(jù)國家應(yīng)急管理部政府網(wǎng)站事故查詢系統(tǒng)統(tǒng)重特大瓦斯事故數(shù)據(jù)[9]，如表 1.1 所示。表 1.1 2007-2018 年的重特大瓦斯事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)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地區(qū)煤炭開采條件惡劣，煤層中的瓦斯含量高、壓力大、煤層雜，隨著東中部地區(qū)礦井開采深度陸續(xù)超過千米，瓦斯災(zāi)害實表明，對瓦斯礦井煤層進行瓦斯抽采可以有效解決瓦斯礦除采掘工作面瓦斯突出危險性[13-14]。對此，國家煤監(jiān)局先后控、以風(fēng)定產(chǎn)”的瓦斯防治十二字方針和“通風(fēng)可靠、抽采”的瓦斯綜合治理十六字責(zé)任體系，將瓦斯抽采作為防治瓦

濃度低于 30％[26-27]，由此可以推斷，現(xiàn)行的封孔技術(shù)遠遠沒有達到密封隔絕效果。圖 1.2 抽采鉆孔密封段失穩(wěn)漏氣意圖松軟煤層瓦斯抽采鉆孔，由于松軟煤層自身強度較低、穩(wěn)定性較差的原因，導(dǎo)致鉆密封問題尤為突出[28]，如圖 1.2 所示。松軟煤層打鉆是進行瓦斯抽采的先決條件，由松軟煤層本身特點和受到其他外界條件的干擾影響，在鉆孔成孔后，松軟煤層鉆孔密段極易失穩(wěn)變形甚至坍塌，如圖 1.3 所示，導(dǎo)致鉆孔無法進行密封，同時，密封段周煤體裂隙進一步發(fā)育擴展，也給外界空氣的流入提供了流通通道，最終致使松軟煤層斯抽采效果不理想，給煤礦生產(chǎn)埋下了安全隱患。抽采鉆孔Ⅰ:漏氣區(qū)Ⅱ:塑性區(qū)Ⅲ:彈性區(qū)a-初期封孔段b-封孔段穩(wěn)定；c-密封段失穩(wěn)d-漏氣通道e-瓦斯氣流f-空氣氣流（2）抽采后期（1）抽采初期

西安科技大學(xué)博士學(xué)位論文然氣資源[16-19]，因此，礦井瓦斯抽采必不可少，一舉多得。我國從 50 年代已采作為治理煤礦瓦斯災(zāi)害的重要措施在高瓦斯礦井推廣，《煤礦安全規(guī)程》[2版）也以法規(guī)的形式對煤礦瓦斯抽采作了更加詳盡的規(guī)定。但是，我國煤礦斯抽采量不均衡、抽采濃度整體較低等問題[21-23]，造成目前瓦斯利用難度高的現(xiàn)狀。煤層鉆孔密封后抽采過程中，鉆孔密封質(zhì)量與鉆孔的漏氣情況密切1.1 所示，影響著瓦斯抽采效果和鉆孔有效抽采半徑[24]。相關(guān)研究資料表明采系統(tǒng)的空氣 80%以上是通過鉆孔吸入的，如果鉆孔空氣吸入量減少 1/2～斯流量可增加 1.5~2 倍，因此，鉆孔密封質(zhì)量的好壞直接影響了瓦斯的抽采上煤層抽采鉆孔完全密封后，瓦斯抽采濃度應(yīng)接近 100％，而我國煤層抽采斯?jié)舛鹊陀?30％[26-27]，由此可以推斷，現(xiàn)行的封孔技術(shù)遠遠沒有達到密封隔a-初
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本文編號：2873414