一体化封孔装置的封孔参数研究.pdf

中图分类号 学科分类号 论文编号 密级公珏 安徽理工大学 硕士学位论文 一体化封孔装置的封孔参数研究 作者姓名隧凯 专业名称塞全科堂皇工程 研究方向砬羞亘堑塞宣随渔堡迨皇撞丕 导师姓名塞边搓副塾拯 导师单位篚遮皇塞全堂暄 答辩委员会主席周廑堑 论文答辩日期2 0 1 5 年6 月7 曰 安徽理工大学研究生处 2 0 1 5 年6 月1 0 日 万方数据 AD i s s e r t a t i o ni n ．S a f e t ys c i e n c ea n d E n g i n e e r i n g T h e s t u d yo f h o l es e a l i n gp a r a m e t e r so ft h ei n t e g r a t i o nh o l e s e a l i n gd e v i c e C a n d i d a t e C h e nK a i S u p e r v i s o r Q i nR u x i a n g S c h o o lo fR e s o u r c e sa n d S a f e t y A n H u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y N o ．1 6 8 ，S h u n g e n gR o a d ，H u a i n a n ，2 3 2 0 01 ，P ．R ．C H I N A 万方数据 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得安徽理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名{ m 日期龇年j 月厶日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽理工大学有保留、使用学位论文 的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安 徽理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名涨凯签字日期加心年占月／O 曰 锄始凯强撕胁刚月／o 日 万方数据 摘要 摘要 打钻预埋管抽采是我国煤矿瓦斯治理的主要技术方法之一，但当前瓦斯抽采 钻孔封孔质量差，导致钻孔抽采瓦斯浓度低，钻孔有效工作时间短。为了能够提 高钻孔封孔质量，研制了一体化封孔装置并对其封孔参数进行研究。 首先，本文对煤矿井下钻孔围岩应力分布情况进行了理论分析，并结合数值 模拟软件F l a c 3 d 模拟了钻孔围岩应力分布情况，得出从钻孔径向向外可以划分四 个区域破碎区、塑性区、弹性区和原岩应力区，其中破碎区对钻孔密封有重要 的影响。 其次，在分析钻孔封孔最佳深度的基础上，利用F l a c 3 d 模拟采动影响下煤 岩 体中最佳封孔深度，得出煤层顺层钻孔中，封孔深度为距离巷壁平行工作面处 1 0 ～2 7 m ，穿层钻孔封孔深度为距底抽巷巷顶距离1 1 ～1 9 m 。 第三，依据对钻孔裂隙进行密封的要求，一体化封孔装置采用的是带压封孔， 其目的是促使浆液扩散进入破碎区，固化破碎区煤岩体达到提高密封性的目的。 采用U D E C 软件模拟不同钻孔注浆压力条件下，其浆液在煤岩体中的扩散范围大 小，选择扩散范围最大的注浆压力作为钻孔最佳的注浆压力，得出煤层钻孔注浆 压力为0 ．6 M p a ，岩层钻孔注浆压力为1 ．4 M p a 。 最后，由理论结合数值模拟得出的一体化封孔装置的封孔参数后，进行了煤 矿现场试验考察，得出了相比于传统的封孔技术，该封孔装置具有一定的优势。 但该封孔装置的应用效果在不同试验地点又有不同的抽采效果，通过这一现象， 分析了抽采点的地质情况，发现封孔装置的应用效果受地质影响较大。从总体情 况看，该封孔装置封孔效果较好。 图【5 3 】表【1 2 】参[ 8 1 】 关键词封孔装置；瓦斯抽采；密封性；带压封孔 分类号T D 7 1 2 ； 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 万方数据 摘要 A b s t r a c t T h eo n eo ft h em a i nt e c h n i c a lm e a n so fc o a lm i n e g a sc o n t r o li no u rc o u n t r yi st h e d r i l l i n gh o l ea f t e re m b e d d i n ge x t r a c t i o nt u b e ，b u tt h ed r i l l i n gh o l es e a l i n gq u a l i 够i s p o o r ，t h er e s u l ti st h a tt h eg a se x t r a c t i o nc o n c e n t r a t i o ni sl o w ，d r i l l i n ge f f e c t i v et i m ei s s h o r t ．I no r d e rt o i m p r o v et h ed r i l l i n gh o l es e a l i n gq u a l i t y , h a v i n gd e v e l o p e dt h e i n t e g r a t i o no fh o l es e a l i n gd e v i c ea n ds t u d i e di t ss e a l i n gh o l ep a r a m e t e r s ． F i r s t l y , i nt h i sp a p e r , t a k i n gt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h es u r r o u n d i n gr o c ks t r e s s d i s t r i b u t i o no fc o a lm i n ed r i l l i n g ，a n dc o m b i n i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o t t w a r e F l a c 如t os i m u l a t et h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fs u r r o u n d i n gr o c kd r i l l i n g ，o b t a i n i n gf r o m t h ed r i l l i n gc e n t e rt ot h eo u t s i d eC a nb ed i v i d e di n t of o u ra r e a s ，t h eb r o k e n z o n e 、p l a s t i c z o n e 、e l a s t i cz o n ea n dt h eo r i g i n a lr o c ks t r e s sz o n e ，t h eb r o k e nz o n eh a si m p o r t a n t e f f e c to nb o r e h o l es e a l ． S e c o n d l y ’b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eb e s td e p t ho fd r i l l i n gh o l es e a l i n g ，u s i n g F l a c 3 dt os i m u l a t et h eb e s t h o l es e a l i n gd e p t hi nt h ec o a l r o c k b o d yu n d e rt h e i n f l u e n c eo fm i n i n g ，c o n c l u d i n gt h a ti nt h ec o a ls e a mb e d d i n g ，t h ed r i l l i n gh o l es e a l i n g d e p t hi s10 ～2 7m ，w h i l ei nt h eL a y e r - T h r o u g hB o r e h o l e ，t h ed r i l l i n gh o l es e a l i n g d e p t hi s11 ～19 m d i s t a n c ef r o mr o o fo ft h ed r a i n a g el a n e b o t t o m ． T h i r d l y , w i t ht h ed r i l l i n gm i c r of i s s u r es e a l i n gr e q u i r e m e n t ，t h ei n t e g r a t i o no fh o l e s e a l i n gd e v i c eu s i n gp r e s s u r es e a l i n g ，i t sa d v a n t a g ei st ou s ep r e s s u r ed r i v et op r o m o t e s l u r r yi n f i l t r a t i o nt ot h eb o r e h o l ew a l lr o c kf r a c t u r e s ，t h u si m p r o v i n gt h ee f f e c to f b o r e h o l es e a l i n g ．U s i n gU D E Cn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ea n a l y z yt h ed i f f e r e n t c o a la n dr o c ku n d e rt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n td r i l l i n gg r o u t i n gp r e s s u r e ，m a k i n gt h e g r o u td i f f u s i o nr a n g es i z e ，S Ot od e t e r m i n et h eo p t i m a lg r o u t i n gp r e s s u r e ，c o n c l u d i n g t h a tc o a ls e a md r i l l i n gg r o u t i n gp r e s s u r ei s 0 ．6M p a , r o c k d r i l l i n gg r o u t i n gp r e s s u r ei s 1 ．4M p a ． F i n a l l y , a f t e rt h et h e o r yc o m b i n e dw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ei n t e g r a t i o n h o l es e a l i n gd e v i c e ，g e R i n gh o l es e a l i n gp a r a m e t e r s ，t h r o u g ht h ec o a lm i n ef i e l dt e s t ， i nt h ep r o c e s so fp r a c t i c a la p p l i c a t i o na c h i e v i n gb e R e rh o l es e a l i n ge f f e c t ．C o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a lh o l es e a l i n gp r o c e s s ，t h i sh o l es e a l i n gm e t h o di sm o r es c i e n t i f i ca n d m o r er e a s o n a b l e ．B u t ，h o l es e a l i n gd e v i c ea p p l i c a t i o ni nd i f f e r e n ts i t e sh a v ed i f f e r e n t e x t r a c t i o ne f f e c t s ，t h r o u g ht h i sp h e n o m e n o n , t h ea u t h o ra n a l y z e st h ee x t r a c t i o np o i n to f 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 g e o l o g yc a r e f u l l y , f i n d i n gt h a tt h ea p p l i c a t i o ne f f e c t so fh o l es e a l i n gd e v i c ea r e i n f l u e n c e db yg e o l o g i c a lg r e a t l y ．F r o mt h eo v e r a l ls i t u a t i o n ，t h eh o l es e a l i n gd e v i c eh a s c e r t a i na d v a n t a g e s ． F i g u r e [ 5 3 】t a b l e 【12 】r e f e r e n c e 【81 】 K e y W o r d s h o l es e a l i n gd e v i c e ；g a se x t r a c t i o n ；s e a l i n g ；p r e s s u r es e a l i n g C h i n e s eb o o k sc a t a l o g T D 712 ； ．I V 万方数据 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1绪{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 钻孔封孔国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．1 国外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．2 ．2 国内研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 存在的主要问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．4 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．5 研究思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 瓦斯抽采钻孔密封机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．1 钻孔围岩受力特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．2 钻孔周围裂隙分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．3 钻孔注浆扩散机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．4 钻孔注浆密封机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15 2 ．5 钻孔最佳封孔深度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．5 ．1 煤层顺层钻孔封孔深度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．5 ．2 穿层钻孔封孔深度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 3 一体化封孔装置及配套封孔材料性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1 一体化封孔装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．1 ．1 一体化封孔装置的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1 ．2 封孔装置原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1 ．3 封孔装置物理模型及封孔方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 封孔材料性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯2 3 4 一体化封孔装置封孔参数的数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 4 ．1 钻孔围岩 煤 应力分布特征的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 4 ．1 ．1 煤层钻孔数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4 ．1 ．2 岩层钻孔数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．2 封孔装置封孔位置选择的数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．2 ．1 煤层顺层钻孔封孔位置的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．2 ．2 岩石穿层钻孔封孔段位置的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．3 钻孔注浆压力U D E C 数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．3 ．1 煤层顺层钻孔注浆压力数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．3 ．2 穿层钻孔注浆压力数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 5 一体化封孔装置煤矿现场应用研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．1 顺层钻孔瓦斯抽采效果应用研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．2 穿层钻孔瓦斯抽采效果应用研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 5 ．3 封孔装置密封效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 5 ．3 ．1 封孔装置在试验矿井效果统计及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．3 ．2 钻孔封孔效果影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 6 ．1 本文的主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 6 ．2 论文的创新与不足⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 6 ．2 ．1 论文的创新⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 6 ．2 ．2 论文的不足⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 6 ．3 论文研究前景展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 作者简介及读研期间主要科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 万方数据 目录 C o n t e n t s A b s t r a c t ．⋯．⋯⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．⋯．．．⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．．．I I I I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 P r e f a c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．1R e s e a r c hB a c k g r o u n d ⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯3 1 ．2T h er e s e a r c hs t a t u so fh o l es e a l i n gt e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d ．．．．．．．．4 1 ．2 ．1T h er e s e a r c hs t a t u so f h o l es e a l i n gt e c h n o l o g ya ta b r o a d ．⋯．⋯⋯．⋯4 1 ．2 ．2T h er e s e a r c hs t a t u so f h o l es e a l i n gt e c h n o l o g ya th o m e ．⋯．⋯．⋯．⋯．4 1 ．3T h e E x i s t i n gm a i np r o b l e m s ．⋯．．⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．．⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．9 1 ．4M a i nR e s e a r c hC o n t e n t s ⋯．⋯．⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯9 1 ．5R e s e a r c hI d e a s ⋯．⋯．⋯．．⋯．⋯⋯．．⋯．⋯．⋯⋯．⋯．⋯．．⋯．⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．．．9 2 S e a l i n gM e c h a n i s mo fG a sE x t r a c t i o nB o r e h o l ea n dA n a l y s i s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 2 ．1 S u r r o u n d i n gr o c ks t r e s sa n a l y s i so f b o r e h o l e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11 2 ．2F r a c t u r ed i s t r i b u t i o na r o u n dt h eh o l e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l3 2 ．3T h eg r o u t i n gd i f f u s i o nm e c h a n i s mo f b o r e h o l e ．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 4 2 ．4T h eg r o u t i n gs e a lm e c h a n i s mo f b o r e h o l e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．5T h eh o l es e a l i n gd e p t ha n a l y s i so f b o r e h o l e ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 6 2 ．5 ．1T h es e a l i n gd e p t ha n a l y s i so fc o a lb e d d i n g d r i l l i n gh o l e ．⋯．⋯⋯⋯16 2 ．5 ．2T h es e a l i n gd e p t ha n a l y s i so fc o a lm i n el a y e r - t h r o u g hb o r e h o l e ．17 2 ．6T h es u m m a r yo f t h i sc h a 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⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4 ．1T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd r i l l i n gs u r r o u n d i n gr o c k c o a l s t r e s s d i s t i l b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4 ．1 ．1T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ho f c o a ls e a md r i l l i n g ⋯⋯⋯⋯一2 5 4 ．1 ．2T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ho f r o c kd r i l l i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 4 ．2T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ho fs e a l i n gh o l el o c a t i o no fh o l e s e a l i n gd e v i c e ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．2 ．1T h ec h o i c eo f t h eh o l es e a l i n gp o s i t i o ni nc o a ls e a md r i l l i n g ⋯⋯．3 0 4 ．2 ．2T h el o c a t i o nc h o i c eo f h o l es e a l i n go f r o c kl a y e ri nd r i l l i n g ⋯⋯⋯3 3 4 ．3T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f U D E Ci nd r l l i n gg r o u t i n gp r e s s u r e ．．．．．．．．．．3 7 4 ．3 ．1T h eg r o u t i n g p r e s s u r en u m e r i c a l s i m u l a t i o no fd r i l l i n gi n c o a l s e a m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 4 ．3 ．2T h eg r o u t i n gp r e s s u r en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fr o c kl a y e ri n d r i l l i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 ．4T h es u m m a r yo f t h i sc h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5T h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho f h o l es e a l i n gd e v i c ei nc o a lm i l l e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．1 A p p l i c a t i o nr e s e a r c ho nb e d d i n gb o r e h o l eg a se x t r a c t i o ne f f e c t ⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．2 A p p l i c a t i o nr e s e a r c ho nl a y e r - t h r o u g hb o r e h o l eg a se x t r a c t i o ne f f e c t ．．．．5 1 5 ．3T h ee f f e c ta n a l y s i so f h o l es e a l i n gd e v i c es e a l i n g ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 4 5 ．3 ．1T h ee f f e c ts t a t i s t i c sa n d a n a l y s i so f h o l es e a l i n gd e v i c ei nt h et e s t m i n e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 5 ．3 ．2T h ee f f e c t sa n a l y s i so f d r i l l i n gh o l es e a l i n g ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 5 5 ．4T h es u m m a r yo f t h i sc h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 6C o n c l u s i o na n dp r o s p e c t i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 6 ．1T h em a i nc o n c l u s i o n so f t h i sp a p e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 6 ．2T h ei n n o v a t i o n sa n dd e f i c i e n c i e so f t h i sp a p e r ⋯．⋯．．⋯⋯．⋯．⋯．．⋯．⋯⋯．⋯6 0 6 ．2 ．1T h ei n n o v a t i o n so f t h i sp a p e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 6 ．2 ．2T h ed e f i c i e n c i e so f t h i sp a p e r ⋯⋯．．⋯．⋯⋯．．．．⋯．⋯．．⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．6 0 万方数据 目录 6 ．3R e s e a r c hp r o s p e c to f t h ep a p e r ．⋯．⋯．．⋯⋯．．⋯．⋯．⋯⋯．⋯．．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．6 0 R e f e r e n c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 T ot h a n k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 A u t h o rR e s u m ea n dA c a d e m i cP a p e r ．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．．⋯．⋯．．⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯．⋯．．⋯7 1 一Ⅸ． 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 ．X 一 万方数据 引言 引言 我国能源消费以煤炭为主，随着煤炭消耗量的进一步加大，浅部煤炭资源逐 渐殆尽，深部开采将成为主要趋势。瓦斯给深部开采带来了严重的安全隐患。为 了保障煤矿安全高效生产，必须对含瓦斯煤层采取一系列治理措施，其中最常见 的就是打钻抽采，其主要分为两种形式本煤层抽采和穿层抽采。抽采效果主要 受钻孔的密封性能影响，纵观我国封孔密封现状，我国煤矿钻孔密封性较差，主 要原因在于封孔材料可塑性差，封孔工艺以及封孔技术达不到深部矿井高地应力 条件下的需要。 我国煤矿传统的封孔材料大多采用黄泥浆、聚氨酯等，这些材料在高地应力 作用下，封孔具有一定的局限性，达不到预期封孔的要求。化学封孔材料有高放 热性且具有一定的毒性，能够对人体健康产生不良影响。中国矿业大学研制出高 水材料，这些材料在实际应用过程中有很好的密封效果，但该封孔材料成本也相 对比较高。 我国煤矿钻孔封孔参数大多采用经验值，缺少科学化研究。封孔参数是保证 正确封孔最为主要的因素之一，如钻孔封孔段位置在煤岩体中不合理布置以及注 浆压力不够没能使浆液扩散到周围煤岩体中形成有效封堵作用等。煤矿井下打钻 封孔现场环境较为恶劣，若封孔工艺复杂，则不利矿工实际操作，大大降低了封 孔效率以及封孔质量。 本论文主要针对提高煤矿钻孔封孔质量，提出了一体化封孔装置以及简单介 绍配套封孔材料，重点在于对封孔装置的封孔参数进行理论分析、数值模拟以及 煤矿现场试验研究。该一体化设备对提高我国煤矿瓦斯抽采效果具有重要的研究 意义。 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 一2 ． 万方数据 1 绪论 1 ．1 研究背景 1绪论 煤炭作为我国主体能源有着战略性地位，在不可再生能源消耗中煤炭占7 0 ％ 以上，未来短时间内这种态势不会有很大变化【1 1 。据权威预测【2 】，2 0 5 0 年煤炭在 不可再生能源消耗中占的比重将达5 0 ％以上，故煤炭在以后发展过程中仍然作为 我国的主体能源来消费。 由于我国煤炭埋藏深，赋存的地质条件复杂，煤层瓦斯含量大等因素，直接 影响到我国煤矿的安全高效开采。我国是煤炭消费大国，煤炭需求量的加大导致 的结果是往更深处开采煤层，国有重点煤矿的开采深度将以1 0 ～2 5 m ／年速度递增， 这无疑增加了瓦斯对矿井安全开采造成的威胁程度，煤与瓦斯突出也就越可能发 生。 瓦斯事故在矿井事故中，其影响程度是最恶劣的，表现形式主要有，瓦斯爆 炸和煤与瓦斯突出。据