對高瓦斯以及煤與瓦斯突出的松軟煤層,由于其存在透氣性差、瓦斯壓力高等特點(diǎn),瓦斯鉆孔作業(yè)難度非常大,在鉆孔深部位置,經(jīng)常發(fā)生塌孔、丟鉆等事故。鉆進(jìn)效率和成孔率低等問題,大大限制了松軟煤層瓦斯的預(yù)抽效果,因而對松軟煤層瓦斯鉆孔鉆具及成孔技術(shù)的研究具有深遠(yuǎn)意義。本文依托山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃松軟煤層瓦斯鉆孔本構(gòu)關(guān)系和管內(nèi)輸運(yùn)控制特征方程研究項(xiàng)目,對松軟煤層鉆孔配套鉆桿及成孔技術(shù)進(jìn)行研究。從探究松軟煤層性質(zhì)開始,對比了各種接頭連接和鉆桿排粉特點(diǎn);針對瓦斯鉆機(jī)鉆孔效率低等問題,設(shè)計(jì)了一種適用于松軟煤層的雙動(dòng)力快速螺旋鉆桿連接結(jié)構(gòu),采用CATIA建立模型,利用ABAQUS針對公母接頭做了拉力特性仿真模擬,可知承受拉力時(shí)公母接頭圓孔處應(yīng)力最大,公接頭圓孔處最大應(yīng)力為460.4MPa,母接頭圓孔處最大應(yīng)力是627.8MPa,均處于安全范圍;通過分析水平鉆孔過程中螺旋鉆桿排渣機(jī)理,確定了影響排粉效率的關(guān)鍵參數(shù),利用MATLAB優(yōu)化工具箱對螺旋鉆桿參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,在此基礎(chǔ)上,采用EDEM軟件對輸煤過程進(jìn)行仿真分析,并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案對鉆桿排粉模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證;通過對鉆孔失穩(wěn)機(jī)理的分析,建立蠕變煤層與套管相互作用力學(xué)模型,并利用ABAQUS有限元軟件對鉆孔穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值仿真分析,對比松軟煤層在有無水泥環(huán)和套管作用下的蠕變情況,得出水泥環(huán)和套管對煤孔的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生積極的影響,當(dāng)鉆孔直徑為(?)85mm時(shí),套管和孔壁應(yīng)力較小的結(jié)論。
【學(xué)位單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TD712.63
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 鉆孔技術(shù)發(fā)展
        1.2.2 鉆孔變形及穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀
    1.3 研究內(nèi)容及技術(shù)路線
        1.3.1 研究內(nèi)容
        1.3.2 技術(shù)路線
    1.4 本章小結(jié)
第二章 松軟煤層及配套鉆具分析
    2.1 松軟煤層特征
    2.2 松軟煤層鉆孔問題及成因
    2.3 配套鉆具分析
        2.3.1 鉆桿接頭分析
        2.3.2 配套鉆桿
        2.3.3 鉆桿排粉工藝分析
    2.4 本章小結(jié)
第三章 鉆桿接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析
    3.1 鉆桿接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理
        3.1.1 鉆桿接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
        3.1.2 雙動(dòng)力鉆桿接頭的密封結(jié)構(gòu)
        3.1.3 雙動(dòng)力鉆桿接頭的工作原理
    3.2 鉆桿接頭連接有限元分析
        3.2.1 ABAQUS有限元軟件介紹
        3.2.2 等效模型的建立
        3.2.3 材料參數(shù)的定義
        3.2.4 模型網(wǎng)格劃分
        3.2.5 邊界條件和載荷施加
        3.2.6 有限元結(jié)果分析
    3.3 鉆桿接頭受拉力學(xué)實(shí)驗(yàn)
    3.4 本章小結(jié)
第四章 螺旋鉆桿排粉的研究
    4.1 螺旋鉆桿輸煤機(jī)理
    4.2 螺旋鉆桿參數(shù)優(yōu)化
        4.2.1 建立目標(biāo)函數(shù)
        4.2.2 建立約束條件
        4.2.3 螺旋鉆桿參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型
        4.2.4 基于MATLAB優(yōu)化算法及求解
    4.3 螺旋鉆桿EDEM有限元仿真分析
        4.3.1 EDEM理論分析
        4.3.2 螺旋鉆桿模型
        4.3.3 煤顆粒模型
        4.3.4 仿真參數(shù)的設(shè)置
        4.3.5 邊界條件
        4.3.6 仿真結(jié)果分析
    4.4 螺旋鉆桿排粉實(shí)驗(yàn)
        4.4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br>        4.4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
        4.4.3 實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)
        4.4.4 實(shí)驗(yàn)過程
        4.4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
        4.4.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論
    4.5 本章小結(jié)
第五章 松軟煤層鉆孔蠕變的數(shù)值模擬
    5.1 鉆孔失穩(wěn)分析
        5.1.1 鉆孔失穩(wěn)機(jī)理
        5.1.2 鉆孔失穩(wěn)特征
        5.1.3 鉆孔的蠕變變形分析
        5.1.4 鉆孔多應(yīng)力耦合失穩(wěn)分析
    5.2 蠕變煤層套管力學(xué)模型
    5.3 鉆孔蠕變有限元分析
        5.3.1 有限元模型
        5.3.2 單煤體有限元模型
        5.3.3 組合體有限元模型
    5.4 本章小結(jié)
第六章 結(jié)論及展望
    6.1 結(jié)論
    6.2 展望
參考文獻(xiàn)
致謝
攻讀學(xué)位期間取得的研究成果

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