突出松软煤层钻杆卡钻力学机理研究.pdf

中图分类号中图分类号X936X936 密密 级公开级公开 UDCUDC622622 单位代码单位代码1046010460 突出突出松软煤层钻杆卡钻力学机理研究松软煤层钻杆卡钻力学机理研究 Mechanical Mechanism of Drilling Rod Sticking in Outburst Soft Coal Seam 申请人姓名申请人姓名 杨硕杨硕 学 位 类 别学 位 类 别 工学硕士工学硕士 专 业 名 称专 业 名 称 安全工程安全工程 研 究研 究 方 向方 向 瓦斯瓦斯地质理论与应用地质理论与应用 导师导师 张明杰张明杰 职称职称 教授级高级工程师教授级高级工程师 提 交 日 期提 交 日 期 20201515 年年 4 4 月月 答 辩 日 期答 辩 日 期 20201515 年年 6 6 月月 河南理工大学 万方数据 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文突出松软煤层钻杆卡钻力学机理研究， 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以 标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究 成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表 示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩印、扫描 或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 万方数据 万方数据 致致 谢谢 时间如白驹过隙，转瞬即逝，而三年的硕士研究生学习也即将结束。在三年 的硕士研究生学习过程中，我得到了许多人的帮助，在此，我真心地感谢他们。 首先，我要感谢我的导师，因为张明杰老师精益求精的工作作风，诲人不倦 的育人品德，严谨科学的治学态度，平易近人的高尚人格魅力都给我带来很深地 影响，这一切不仅让我学会了为学，更学会了为人。而在此次毕业论文的撰写中， 张老师无论在论文的选题，还是研究方法等方面，都倾注了大量的心血，我十分 感谢他。 其次，我要感谢崔洪庆、张玉贵、魏国营、魏风清、谭志宏等学院各位老师。 他们师友般的爱让我铭记于心，老师们丰富的现场经验，深厚的知识底蕴，谦虚、 严谨的治学态度一直影响着我，温和低调的为人处世的原则一直是我学习的典范， 这些对我学习上和生活中都给予了极大的帮助，衷心感谢他们。 再次，我还要感谢我的同学们，同实验室的王凯、段亚超、张源等都在论文 撰写过程中给予帮助；感谢我的师兄师弟们，他们在整理数据，日常生活中给予 很多帮助，并对论文的修改提出可行性意见。我很荣幸能够在我的研究生生涯中 结实这样的好朋友，谢谢他们。 此外，在此次论文的实践过程中，不仅安全科学与工程学院的领导、教授、 老师在我论文开题、中期筛选、研究、预审中做了大量工作，而且鹤壁六矿的领 导在现场资料收集、参数的测定给予的大力支持，真的很感谢他们。 当然，我还要特别感谢我的父母，是他们给了我攻读硕士研究生的勇气和机 会，是他们的爱一直鞭策和鼓励着我在困难中前行；感谢我的女朋友，是她无论 遇到什么困难都一直陪伴着我，鼓励着我，让我即使遇到挫折也能重拾信心，奋 勇向前。 最后，感谢百忙之中审阅论文的各位专家、教授真诚期待得到您的指导 万方数据 万方数据 I 摘摘 要要 我国许多煤矿是高瓦斯矿井和突出矿井，煤层透气性低，煤与瓦斯突出灾害 十分严重，所以“双四位一体”综合防突措施对于煤层瓦斯灾害的防治有着重要 意义。由于突出煤层往往也是松软煤层，在施工抽采钻孔、预测和效果检验孔时， 常常因为钻进发生卡钻而导致钻孔深度低、成孔率低，防突措施实施不到位，预 测与效果检验结果不准确，影响煤矿的安全高效生产。为解决以上问题，需要对 钻进卡钻机理进行研究，并提出解决方案。 本文针对突出松软煤层钻进过程中常发生的卡钻现象，首先基于力学机理对 螺旋钻杆机械排粉过程中煤粉颗粒的运动规律与圆钻杆压风排粉过程中煤粉颗粒 的运动规律进行系统的分析，同时运用岩石力学理论分析钻孔周围应力分布与破 坏区半径，依靠 RFPA 数值模拟软件对钻孔破坏区范围进行模拟，结合理论分析 结果确定破坏区范围和钻孔变形量，从而确定钻进过程中煤粉的产生量，对于鹤 壁六矿， 42mm 钻孔产粉量是理想状态的 3.32 倍， 75mm 钻孔产粉量是理想状态的 3.11 倍，113 钻孔产粉量是理想状态的 2.13 倍；从控制钻进速度的角度提出消除 或减少卡钻现象发生的办法；经过在鹤壁六矿 2123 上顺槽与 2145 上顺槽应用不 同类型的钻杆进行现场工程应用，确定了该方法是有效可行的，具有重要的理论 和实际意义。 研究结果表明突出松软煤层钻进过程中发生卡钻现象是由于钻进速度过快， 导致产出的煤粉量大于排出煤粉能力所致。所以控制钻进速度，减少单位时间产 粉量，及时排出钻孔内煤粉，可以很大程度的降低卡钻几率。在工程应用的过程 中，控制钻进速度后，钻孔深度提高了一倍，成孔率也大大提高，达到了高效钻 进的目的。 关键词关键词 突出松软煤层；螺旋钻杆；圆钻杆；卡钻；力学机理 万方数据 万方数据 III Abstract Many of Chinas coal mines are high gas mine and outburst mine, and the coal seams are low permeability seams, coal and gas outburst disaster is very serious, so the “double four in one“ comprehensive prevention outburst measures are significant for preventing and treating the coal seam gas disaster . Because the outstanding seam is often the soft coal seam, and the destruction of the extraction drill , prediction and effects test hole often occurs drill pipe sticking phenomenon, results in low drilling depth and the hole ing rate is low, the implementation of the measures are not in place, the prediction and the test results are not accurate ,influence the safe and efficient production of coal mine . To solve the above problem, we need to study the drill sticking mechanism and propose solutions. This paper directs pipe sticking phenomenon which often takes place among soft coal seam drilling process. The first, based on the mechanical mechanism, we analyzed the motion law of the drilling cutting in the helical blade of the auger drilling rod and the circular pipe during the drilling, at the same time, use the rock mechanics theory analysis stress distribution and damage zone radius around the drill, and use the RFPA numerical simulation software to simulate the drilling failure area, combine the theoretical analysis results to determine the damage zone and borehole deation, to determine the drilling production process of pulverized coal. For the Hebi No.6 Coal Mine, the pulverized coal production capacity of 42mm drilling is 3.32 times that of the ideal state, the pulverized coal production capacity of 75mm drilling is 3.11 times that of the ideal state, the pulverized coal production capacity of 113mm drilling is 2.13 times that of the ideal state. From the point of control the drilling speed to eliminate or reduce the occurrence of the phenomenon of sticking. After the engineering application in 2123 working face and 2145working face of Hebi No.6 Coal Mine, it confirming the is effective and feasible, and it has important theoretical and practical significance. The results show that soft and outburst coal seam occurs pipe sticking phenomenon is due to that the drilling speed is too fast, lead to the output coal is greater 万方数据 IV than the discharge capacity of the drill pipe. So control the drilling speed, reduce the production, discharge the pulverized coal in the borehole in time, can greatly reduce the sticking probability. In the course of engineering applications, after control the drilling speed, the drilling depth doubled, the hole success rate is greatly improved, it can achieve the purpose of efficient drilling. Key words soft and outburst coal seam; auger drilling rod; round drill; sticking; mechanical mechanism 万方数据 V 目目 录录 摘摘 要要 I Abstract III 1 绪论绪论 1 1.1 选题背景及意义 1 1.2 国内外研究现状 3 1.2.1 钻进工艺理论研究现状 3 1.2.3 存在的问题 6 1.3 研究内容与技术路线 6 1.3.1 研究内容 6 1.3.2 技术路线 7 2 螺旋钻杆与圆钻杆排粉力学机理分析螺旋钻杆与圆钻杆排粉力学机理分析 9 2.1 螺旋钻杆排粉力学机理分析 9 2.1.1 煤粉运动分析 9 2.1.2 煤粉运动速度分析 11 2.1.3 螺旋钻杆单位时间排煤量分析 12 2.1.4 螺旋钻杆钻速分析 13 2.2 圆钻杆排粉力学机理分析 13 2.2.1 煤粉运动分析 13 2.2.2 煤粉运动速度与输送量分析 15 2.3 本章小结 16 3 卡钻现象机理分析卡钻现象机理分析 19 3.1 卡钻现象影响因素分析 19 3.2 本章小节 21 4 钻孔周围煤体应力分布的理论研究与数值分析钻孔周围煤体应力分布的理论研究与数值分析 23 4.1 煤体的原岩应力分布规律 23 4.2 钻孔周围煤体的弹性应力分布 24 万方数据 VI 4.2.1 钻孔周围煤体物性的基本假设 24 4.2.2 钻孔周围煤岩体弹性应力分布方程 25 4.2.3 侧压系数对钻孔周围煤体弹性应力分布的影响 26 4.3 钻孔周围煤体的弹塑性应力分布 27 4.3.1 钻孔周围煤体弹塑性状态圈状模型 27 4.3.2 钻孔周围煤体弹塑性区应力分布解析 28 4.4 现场实例分析 32 4.5 钻孔周围岩体应力分布数值分析 33 4.5.1 RFPA 的基本情况介绍 33 4.5.2 数值模型的建立 35 4.5.3 数值模拟结果及分析 37 4.6 本章小结 47 5 防止卡钻技术研究及工程应用防止卡钻技术研究及工程应用 49 5.1 防止卡钻技术研究 49 5.1.1 钻杆与钻进技术的优化改进 49 5.1.2 单位时间排煤量分析 50 5.1.3 单位时间产煤量分析 51 5.2 鹤壁六矿工程应用 52 5.2.1 试验区概况 52 5.2.2 工程应用 53 5.2.3 工程应用效果分析 56 5.3 本章小结 56 6 结论与展望结论与展望 59 6.1 结论 59 6.2 展望 59 参考文献参考文献 61 作者简历作者简历 67 学位论文数据集学位论文数据集