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高压水射流冲蚀膨胀泥岩实验研究及在煤矿的应用

颜秉源  
【摘要】:在常规湿式钻进过程中,钻孔内膨胀性泥岩遇水后会产生快速膨胀,引起钻杆与钻孔空间闭合或部分闭合,导致钻具被夹或卡住,引起抱、卡钻事故,影响钻进及后期抽采活动进度,严重的抱、卡钻事故会引起钻具的丢失,造成财产损失。本文针对穿层钻孔瓦斯预抽钻进中由于膨胀泥岩引起的抱、卡钻问题,依托复合动力灾害下大采长回采工作面中间底位巷区域瓦斯治理技术研究项目,进行了高压水射流冲蚀膨胀泥岩研究以及现场验证高压水射流切割膨胀泥岩对解决抱、卡钻问题的有效性。首先进行了高压水射流冲蚀膨胀泥岩室内实验,分析了冲蚀关键参数对膨胀泥岩冲蚀效果的影响,并得出了适合现场应用的参数范围;其次通过现场试验得到高压水射流切割膨胀泥岩钻进相对于普通湿式钻进的抱、卡钻率明显降低的结果,验证了高压水射流切割膨胀泥岩钻进能有效解决穿膨胀泥岩的抱、卡钻问题,从而为预防穿膨胀泥岩钻进中抱、卡钻事故提供了一种新的解决方法,对钻进及煤矿瓦斯灾害防治具有重要意义。本文主要的研究成果有:①应用高压水射流冲蚀膨胀泥岩实验,对平煤集团某矿泥岩进行了冲蚀效果研究。研究表明:冲蚀深度、冲蚀速率及冲蚀直径随单一冲蚀参数的增加而增加,且冲蚀速率整体呈现先减小,后增大,再减小的趋势,这是由于在冲蚀过程相应阶段存在表面或径向约束先增大,后减小和再增大的过程,从而影响冲蚀速率的变化;在整个冲蚀过程,岩石试件完整性均较好,无肉眼可见裂纹,在5min内产生的泥岩碎块相对较小,宽度和厚度均小于20mm,而5~10min(不包括5min)内产生了宽度大于20mm块状岩石碎块。②基于实验结果,获取了适于现场应用的参数范围,压力、喷嘴直径、时间分别可取30~35MPa、2mm、5min,经现场验证表明所获取参数范围符合现场试验要求。③以高压水射流冲蚀膨胀泥岩实验数据及分析结果为基础,在平顶山某矿进行了现场试验,与普通湿式钻进相比,高压水射流切割膨胀泥岩钻进能降低钻进过程中的抱、卡钻率,有效解决穿膨胀泥岩钻进过程的抱、卡钻问题。


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