本文關(guān)鍵詞：松軟煤層瓦斯抽放鉆孔塌孔機理及改進措施研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：煤層中堅固性系數(shù)小于0.8的煤層為松軟煤層,并且高瓦斯松軟煤層在我國分布廣泛,松軟煤層被稱為煤與瓦斯動力災害的 溫床‖。高瓦斯松軟煤層深孔鉆進塌孔是制約瓦斯高效抽采的困難之一。相比其它巖層,松軟煤層具有特殊物理力學性質(zhì),其特殊性導致松軟煤層瓦斯抽放鉆孔在鉆進過程中容易導致鉆孔鉆進不深,鉆孔變形、坍塌等現(xiàn)象,極大降低了瓦斯抽采率,嚴重限制了工程進度,影響安全生產(chǎn)。因此研究松軟煤層塌孔機理十分必要。本文以余吾煤礦N2202工作面為工程背景,針對其煤層堅固性系數(shù)小這一特點,考慮煤體孔隙流體情況下,基于Mohr-Coulomb強度準則,分別建立水平鉆孔和傾斜鉆孔坍塌失效的線彈性力學模型,分析鉆孔失穩(wěn)的力學條件及計算鉆孔坍塌的臨界應力,并且研究了鉆孔坍塌臨界應力隨煤體基本力學參數(shù)、鉆孔軌跡和煤層流體壓力等因素的變化規(guī)律。通過收集余吾煤礦N2202工作面煤體基本力學參數(shù),憑借FLAC3D有限元數(shù)值模擬手段,采用對比分析的方法,針對裸眼鉆孔和下套管鉆孔,分析其變形的應力場、位移場、塑性區(qū)范圍等的變化情況,研究埋深、側(cè)壓系數(shù)、鉆孔直徑等對鉆孔變形的影響機制。主要研究成果如下:(1)隨著煤體原始流體壓力增大,鉆孔坍塌臨界應力、坍塌風險率及衰減的速率和幅度均隨之增大,到達穩(wěn)定的時間縮短。當鉆孔傾角小于60°時,方位角為30°左右時,鉆孔極不穩(wěn)定;當鉆孔傾角大于60°時,情況完全相反,鉆孔穩(wěn)定性在方位角為90°左右時最差;當鉆孔傾角為60°時,方位角對鉆孔穩(wěn)定性的影響甚微。在松軟煤層打鉆時,鉆孔傾角設(shè)置為22.5°最為合適。(2)當埋深小于600m時,埋深對鉆孔變形影響范圍較小,當埋深大于600m后,埋深對鉆孔變形速率急劇增加,鉆孔縮徑明顯,垂直位移和塑性區(qū)范圍增大速率加快。(3)同側(cè)壓系數(shù)λ=0.5時的鉆孔最大圍巖垂直應力相比,側(cè)壓系數(shù)λ=1.0、1.5、2.0時的最大圍巖垂直應力分別增大了1.4、2.6、3.05MPa。側(cè)壓系數(shù)增大,鉆孔承受綜合應力增加,鉆孔穩(wěn)定性降低。(4)鉆孔直徑越大,對煤層產(chǎn)生的擾動作用越強,鉆孔越不穩(wěn)定。(5)在下套管條件下,鉆孔圍巖垂直位移、最大垂直應力作用點與鉆孔中心距離、塑性區(qū)范圍均隨著套管強度的增加而減小。(6)根據(jù)以上的理論分析及數(shù)值模擬,埋深對余吾煤業(yè)鉆孔穩(wěn)定性影響較小,而側(cè)壓系數(shù)、鉆孔直徑、鉆孔支撐壓力是影響鉆孔穩(wěn)定性的主要因素。因此,建議在松軟煤層地質(zhì)構(gòu)造引起綜合應力增加的區(qū)域,應采取小直徑鉆孔、增加鉆孔支護強度等方式提高鉆孔穩(wěn)定性,保障鉆孔瓦斯抽采。
【關(guān)鍵詞】：松軟煤層 瓦斯抽采 鉆孔塌孔機理 數(shù)值模擬
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD712.6
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 緒論11-23
• 1.1 研究背景及意義11-16
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-21
• 1.2.1 鉆孔穩(wěn)定性力學方面研究16-18
• 1.2.2 松軟煤層鉆孔失穩(wěn)的控制方法18-21
• 1.3 研究內(nèi)容、目標與技術(shù)路線21-23
• 1.3.1 研究內(nèi)容21
• 1.3.2 研究目標21
• 1.3.3 技術(shù)路線21-23
• 第二章 影響瓦斯抽放鉆孔穩(wěn)定性問題的因素23-33
• 2.1 地質(zhì)因素23-26
• 2.2 內(nèi)聚力與堅固性系數(shù)26-27
• 2.3 鉆孔液27-28
• 2.3.1 鉆孔液的密度27
• 2.3.2 鉆孔液的水化作用27-28
• 2.3.3 鉆孔液的直接沖刷作用28
• 2.4 鉆孔工藝28-32
• 2.5 本章小結(jié)32-33
• 第三章 瓦斯抽放鉆孔坍塌機理33-51
• 3.1 軟煤瓦斯抽放鉆孔力學分析33-36
• 3.1.1 水平孔周圍彈性應力分布33-35
• 3.1.2 傾斜孔周圍彈性應力分布35-36
• 3.2 孔壁失穩(wěn)破壞準則36-39
• 3.2.1 Mohr-Coulomb強度準則37-38
• 3.2.2 Drucker-Prager強度準則38-39
• 3.2.3 強度破壞準則的選擇39
• 3.3 瓦斯抽放鉆孔坍塌（剪切破壞）條件39-42
• 3.3.1 水平瓦斯抽放鉆孔坍塌條件[58]39-40
• 3.3.2 傾斜瓦斯抽放鉆孔坍塌條件[70]40-42
• 3.4 瓦斯抽放鉆孔坍塌的影響因素42-49
• 3.4.1 水平鉆孔坍塌的影響因素42-43
• 3.4.2 傾斜鉆孔坍塌的影響因素43-49
• 3.5 本章小結(jié)49-51
• 第四章 余吾煤礦瓦斯抽放鉆孔塌孔數(shù)值模擬與應用51-73
• 4.1 礦井生產(chǎn)概況51-52
• 4.1.1 煤層賦存特征及煤質(zhì)51
• 4.1.2 井田構(gòu)造51-52
• 4.1.3 井田開拓52
• 4.1.4 通風及瓦斯52
• 4.2 FLAC~(3D)程序簡介52-54
• 4.2.1 FLAC~(3D)基本原理53
• 4.2.2 FLAC~(3D)的特點53
• 4.2.3 FLAC~(3D)計算過程53-54
• 4.3 數(shù)值模型的建立54-55
• 4.4 不同條件對鉆孔變形破壞特征的數(shù)值模擬55-70
• 4.4.1 鉆孔埋藏深度55-58
• 4.4.2 側(cè)壓系數(shù)58-61
• 4.4.3 鉆孔直徑61-65
• 4.4.4 有無下套管65-70
• 4.5 鉆孔穩(wěn)定性的改進措施及施工建議70-71
• 4.6 本章小結(jié)71-73
• 第五章 結(jié)論與展望73-75
• 5.1 主要結(jié)論73-74
• 5.2 研究展望74-75
• 參考文獻75-81
• 致謝81-83
• 在校期間科研活動及研究成果83

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本文編號：301728