松软煤层钻进过程中钻孔动态失稳特征研究

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软煤深孔钻进难题已成为制约部分高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井安全高效开采的瓶颈,至今尚未完全破解。究其根源,在于对软煤钻孔钻进过程中发生的各种现象认识不够全面。而目前有关钻孔失稳实验方面的研究少见报道,软煤钻孔钻进过程中的动态失稳特征亟待探讨。为此,本文以不同变质程度煤的物理力学参数为依据,通过模拟煤层钻进试验、热流固耦合模型构建及数值模拟,对“松软煤层钻进过程中钻孔动态失稳特征”课题展开研究。
  基于模拟煤层钻进过程中钻孔动态失稳监测系统及方法,进行了松软煤层钻进过程中钻孔动态失稳特征的试验研究,探讨了煤的变质程度、轴向压力、吸附气体平衡压力及种类、钻孔直径对钻孔失稳的影响,分析了各种影响因素下煤层钻孔的动态失稳特征;并基于弹塑性力学、渗流力学相关理论,建立了考虑温度影响的含瓦斯煤热流固耦合模型,运用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics进行解算,模拟研究了轴向压力、瓦斯压力及温度对钻孔动态失稳的影响。研究表明:(1)轴向压力越大,钻孔直径越小,吸附平衡压力越大,打钻时煤体发生应力集中明显的位置对应的峰值应力越大,钻孔孔壁成形越差,孔底煤层变形越大;(2)轴向压力越大,吸附平衡压力越大,钻孔施工时产生的卸压范围越大,卸压范围与轴向压力及吸附平衡压力分别呈对数函数及指数函数关系;(3)钻孔附近煤体的最大应力和卸压范围随着煤变质程度的提高呈现出先增大后减小的规律,相比于低变质程度和高变质程度的煤,中等变质程度的煤打钻时应力集中处对应的峰值应力最大,卸压范围最大,钻孔孔壁变形及孔底破坏程度最严重;(4)相同吸附平衡压力下,煤层吸附CO2时比吸附N2时更容易造成钻孔的失稳和附近煤体的卸压;(5)煤层温度越高,打钻时钻孔附近煤体的应力越大,产生的塑性区越大,钻孔越容易失稳破坏。
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