《含瓦斯軟煤鑽孔塌孔機制及多孔材料填充護孔特性》是依託中國礦業大學，由劉春擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：含瓦斯軟煤鑽孔塌孔機制及多孔材料填充護孔特性
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：劉春
- 依託單位：中國礦業大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
我國53.3%以上的煤礦賦存有鬆軟高瓦斯煤層，是煤與瓦斯突出事故易發、頻發的主要區域。鬆軟煤層瓦斯治理非常困難，目前主要依靠井下鑽孔抽采，但是軟煤鑽孔存在鑽進難、易變形、易塌孔等技術難題，亟需研究解決高地應力作用和鑽進擾動下含瓦斯軟煤鑽孔變形垮塌機制這一關鍵課題。本項目基於軟煤的應力應變關係，提出含瓦斯軟煤的破壞準則，建立鑽進動載荷影響下鑽孔坍塌失穩的力學模型，定量分析鑽孔穩定性與鑽進載荷、瓦斯滲流和地應力的關係，揭示鑽進擾動下含瓦斯軟煤鑽孔塌孔機制。提出氣力輸送多孔材料顆粒填充鑽孔的新護孔方法，分析顆粒材料孔內滲流特徵和支撐孔壁的力學回響，研究多孔材料充填對鑽孔穩定性的影響規律，揭示煤層瓦斯滲流、地應力和支護應力耦合作用下軟煤鑽孔形變的時空演化規律。研究成果可為我國鬆軟煤層礦區瓦斯抽采鑽進工程提供科學指導。
結題摘要
針對高地應力軟煤鑽進擾動下鑽孔塌孔和成孔後鑽孔穩定性問題，本研究本節分析了軟煤鑽進時鑽頭切削體與煤岩體之間的接觸應力分布。實驗分析了鑽進動載荷作用下鬆軟煤體的應力應變特性，開展了動載荷作用下軟煤單軸、三軸壓縮實驗，得到了煤體塑性、屈服及失穩發生的條件參數；考慮了孔隙壓力沿鑽孔徑向的非線性分布特徵，結合有效應力原理以及圍岩非線性孔隙壓力分布特徵，基於軟煤破壞特徵的廣義Hoke-Brown強度準則作為軟煤破壞判據，對鑽孔彈性區和塑性區應力進行了理論推導，得到了鑽進動載荷影響下鑽孔坍塌失穩的力學模型，分析了地質強度指標GSI、軟煤鑽進動載荷擾動係數D、應力不均衡係數λ、原始瓦斯壓力對煤層鑽孔穩定性的影響，引用參數R/D對鑽孔穩定性等級劃分。結合案例計算結果表明，地質強度指標GSI和應力不均衡係數λ是影響鑽孔穩定的關鍵因素。鑽孔周圍瓦斯壓力梯度變化，對抽采鑽孔的穩定性影響不應被忽略；實驗研究了三軸應力下含瓦斯軟煤分級載入蠕變變形特性，考慮到軟煤在蠕變各個階段的特徵，並引入損傷變數對軟煤的粘性係數進行修正，建立了軟煤粘彈塑性非線性蠕變本構模型，並推導出該模型的三維蠕變本構方程。以該模型為基礎，藉助數值模擬的方法分析了裸孔、不同強度充填支護後鑽孔的穩定性；搭建了多孔材料充填體壓縮-滲流實驗平台，實驗測試了聚苯乙烯(EPS)泡沫、聚氨酯（PU）泡沫、聚丙烯（EPP）泡沫四種不同充填強度材料顆粒體的壓縮應變-滲流特性，測試了四種材料不同粒徑充填體、多粒徑1:1體積比混合、不同材質組合顆粒充填體的抽采導流能力變化規律，分析了在鑽孔變形應力載入條件下不同幾何特徵尺度、充填強度、載入量對充填體導流能力的影響，為實際工程技術套用提供最佳工藝參數。
