[01475573]蠕变-渗流耦合作用下水力冲孔瓦斯综合防治关键技术研究

1、水力冲孔钻冲一体化钻头的研制 （1）研制了具备二次破碎能力的水力冲孔钻冲一体化钻头,该钻头通过调节泵压实现钻进、冲孔状态的自动转换,可以节约措施时间及预防冲孔钻孔的堵塞。 （2）建立数学模型,确定钻冲转换压力为5.0MPa;水力冲孔破煤压力与煤的坚固性系数具有线性关系：P =16.128 f + 1.1542,煤体强度越高,水力冲孔的破煤压力越大。 2、水力冲孔钻孔的卸压范围及孔径变化规律 （1）建立了考虑煤的塑性软化和扩容特性的水力冲孔周围煤体黏弹塑性模型,得到了煤体应力、应变、卸压范围和孔径变化的表达式。 （2）水力冲孔钻孔的卸压范围和冲煤量具有线性关系：Rb=1.8947 m + 2.2807,水力冲孔的冲煤量越多,钻孔的卸压范围越大,相应的钻孔周围煤体透气性系数提高的幅度越大。 （3）水力冲孔钻孔会随时间产生缩孔现象,地应力越大,煤体强度越低,钻孔周围煤体的蠕变变形越剧烈,钻孔的缩孔幅度越大;实验地点仅12d时间钻孔就会被堵塞,瓦斯抽采纯量大幅度的降低。 （4）制定了穿层钻孔下套管防堵孔技术,该技术人工留取一条抽采通道,可长时间抽取高浓度瓦斯,一个月平均单孔瓦斯抽采纯量由0.016 m3/min增大到0.043m3/min,提高了2.7倍。 3、蠕变-渗流耦合作用下水力冲孔布孔参数优化 （1）综合考虑蠕变变形、基质收缩和有效应力变化对渗透率的影响,建立了蠕变-渗流耦合作用下水力冲孔钻孔瓦斯抽采流固耦合模型。 （2）分析了水力冲孔钻孔周围煤体渗透率的时空演化规律,认为水力冲孔措施可以大幅度提高钻孔周围煤体的渗透率,在空间上渗透率由孔壁到煤体深部呈负幂函数关系迅速降低（K=2×10-16 r -2.4）;在时间上渗透率随抽采时间的延长而逐渐增大,但是增加梯度会逐渐降低。 （3）水力冲孔钻孔有效抽采半径与冲煤量具有如下线性关系：R抽 =1.8m + 2.2667,R2 = 0.9838R,随着冲煤量的增加,钻孔的有效抽采半径逐渐增大。 （4）综合考虑水力冲孔的卸压范围和有效抽采半径,确定钻孔的布孔间距为：冲煤量为0.5t/m时,钻孔布孔间距为6.0m;冲煤量为1.0t/m时,钻孔布孔间距为8.0m;冲煤量为1.5t/m时,钻孔布孔间距为9.0m。 4、水力冲孔结合注气驱替提高瓦斯抽采效果技术 （1）制定了注气驱替结合水力冲孔技术的消突工艺,确定了注气气源、注气压力和注气时间等关键参数。 （2）注气驱替技术与水力冲孔措施结合,瓦斯抽采浓度提高了6.1倍,单孔抽采纯量提高了8.1倍,该技术可有效的提高瓦斯抽采效果。 5、底板巷穿层钻孔“三步抽”技术 （1）充分利用底板抽采巷,制定了工作面消突、卸压带抽采和采空区抽采的“三步抽”技术,即消除了回采工作面的突出危险性,又杜绝了工作面回采期间的瓦斯超限事故,保障了煤矿的安全生产。 （2）采用测试钻屑量指标的方式确定工作面前方卸压带的范围为19m;采空区抽采时,负压由切眼到采空区深部逐渐增大;采用“三步抽”技术,单孔抽采浓度为20～80%,单孔抽采瓦斯纯量为0.05～0.3m3/min之间,有效的预防了工作面的瓦斯超限事故。