Critical condition study of borehole stability during air drilling

The purpose of this paper is to establish the existence of the critical condition of borehole stability during air drilling. Rock Failure Process Analysis Code 20 was used to set up a damage model of the borehole excavated in strain-softening rock. Damage evolution around the borehole was studied by tracking acoustic emission. The study indicates that excavation damaged zone （EDZ） is formed around borehole because of stress concentration after the borehole is excavated. There is a critical condition for borehole stability; the borehole will collapse when the critical damage condition is reached. The critical condition of underground excavation exists not only in elastic and ideal plastic material but in strainsoftening material as well. The research is helpful to developing an evaluation method of borehole stability during air drilling.

机场道面水平钻孔注浆材料的制备与性能研究

为满足机场不停航施工道面下基层水平注浆工程对材料的需求,开展了复合硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥复配试验。制备出符合施工要求的硅酸盐-硫铝酸盐复合水泥砂浆,并使用维卡仪、截锥圆模、压力试验机等设备研究了材料的凝结时间、流动性、1d抗压强度等。结果表明:硫铝酸盐水泥掺加比例越高,凝结时间越短;水灰比及减水剂掺量对流动性影响较大,同时对其他性能有一定影响。在确认最佳配合比时,经圆柱体强度试件模拟的钻孔注浆和现场试验段重锤式弯沉仪及探地雷达实测结果表明:复合水泥砂浆具有良好的工作性能,道面强度及结构恢复至钻孔前水平,能满足机场不停航施工要求。

注浆压力对顺层抽采钻孔封孔质量影响研究

为研究不同注浆压力下各顺层钻孔的封孔质量,以轩岗煤电有限责任公司刘家梁煤矿2214工作面为试验对象,根据矿井煤层实际赋存情况,采用COMSOL数值模拟软件,模拟不同注浆压力下浆液在煤层中的扩散范围,数值模拟结果表明,在1~4 MPa注浆压力范围内,浆液在煤层中的扩散半径与其注浆压力的大小成正相关关系,而浆液扩散半径的增加幅度随注浆压力的增加呈现逐渐减小的变化趋势。同时在钻孔始封深度、封孔长度等封孔参数一定的情况下,按照1、2、3和4 MPa四个等级进行现场顺层钻孔封孔试验,并利用漏气率对各抽采钻孔的封孔质量进行评价和对比,现场试验表明,采用1 MPa和2 MPa注浆压力的顺层钻孔分别有4个和2个钻孔出现漏气,其平均漏气率分别为32.76%和28.65%,而采用3 MPa和4 MPa注浆压力的钻孔均未出现漏气现象。综合数值模拟及现场试验结果表明,该工作面顺层钻孔封孔时其注浆压力应不小于3 MPa。

穿层瓦斯抽采钻孔有效性评价与二次堵漏技术研究

为解决底抽巷穿层钻孔瓦斯抽采浓度衰减快、浓度低的问题,以河南平顶山十矿己15-17-33190工作面为研究对象,研发了定点漏气检测装置,并采用了绝对漏风率指标,提出了一套钻孔瓦斯漏气的定量评价标准,以判定钻孔密封质量,从而确定“有效孔”。针对失效钻孔,提出并应用了破孔堵漏修复技术。对注浆修复后的瓦斯抽采钻孔进行检测与分析,结果表明:在距离孔口19.5 m以外的测点,平均瓦斯浓度达到70%以上,在距离孔口15 m到19.5 m的区间范围内,瓦斯浓度随着与孔口距离的减少而显著降低。15 m以内漏气位置不明显,二次修复区段可确定为15~19.5 m。修复后钻孔瓦斯浓度提升1~3倍,孔口瓦斯浓度达到52%~72%。瓦斯纯量提升超过1倍。提出的钻孔瓦斯漏气评价方法与修复技术为瓦斯治理提供了参考依据。

基于阻断漏风路径原理的新型钻孔封孔装置

瓦斯抽采钻孔的封孔质量直接影响其抽采效率,为了有效保障瓦斯抽采钻孔的封孔质量,对瓦斯抽采钻孔封孔后可能存在的漏风裂隙及其可控性进行定性分析,并据此对其漏风路径形成的难易程度进行对比。结果表明:封孔后瓦斯抽采钻孔内部及外部可能存在的裂隙主要有巷道围岩松动圈裂隙、支护装置周边裂隙、煤层内部原生裂隙、钻孔周边裂隙、封孔材料裂隙及抽采管裂隙6种;相应地,瓦斯抽采钻孔可能产生的漏风路径主要有7种,其中最容易形成的漏风路径为巷道内空气→巷道围岩松动圈裂隙→钻孔周边裂隙→抽采钻孔→抽采管。基于此,结合现有瓦斯抽采钻孔封孔装置的不足及其现场应用实际条件,从切断漏风节点之间的联系、消除漏风节点进而阻断漏风路径的原理出发,提出了1种可回收及多次补封的新型钻孔封孔装置。

金属矿小断面硬岩巷道爆破掘进装药结构优化研究

金属矿山小断面硬岩巷道爆破掘进中常面临炸药能量利用率低、单循环进尺低、块度大等问题。以蚕庄金矿-780 m四分层大巷为背景,采用爆破损伤、应力和振速变化作为评价指标,对无封堵、封堵+空气间隔装药、封堵+水介质孔口间隔装药、封堵+水介质两端间隔装药等4种装药结构进行了模拟分析,选取最优的装药结构参数用于现场试验。研究结果表明:添加封堵有效防止了爆破能量的流失,提高了能量利用率。孔口加封水袋延长了封堵时间,保持了孔内较高的爆轰压力和较长的作用时间,从而更有效地破碎岩石。孔底放置水袋代替部分炸药,既保持了爆破效果,又防止了超挖现象。综合各方面考虑,封堵+水介质两端间隔装药结构表现最优。现场试验结果显示,优化后的装药结构使炮孔利用率平均达到95%,比优化前提高了15%。

三囊袋封堵器处置钻孔漏气技术研究

为了对瓦斯抽采钻孔周围的裂隙进行有效封堵，建立钻孔漏气圈模型，提出带压注浆一次封孔与漏气处置二次封孔相结合的技术方法，研制出一种既具有封孔又具有漏气处置功能的三囊袋封堵器装置，并进行了现场工业试验。结果表明：该装置成功实现了封孔和漏气处置的一体化操作，能够有效减少漏气圈面积，钻孔瓦斯浓度提高了25％～177％，抽采效果显著提高。

空气钻井井斜控制问题的探讨

玉门青西油田地层岩性不均,岩性变化频繁,地层极硬,研磨性极强,可钻性差,机械钻速较低,造成全井钻井速度较慢。为了提高机械钻速,在窿9井等4口井试验了空气钻井,大幅度地提高机械钻速,但出现空气钻井井斜不易控制的问题。文中阐述和分析了影响空气钻井可控因素和不可控因素对井斜影响的机理;阐述了空气锤防斜技术,分析了空气锤在窿15井试验未起到防斜的原因,对今后空气钻井的设计和施工具有一定的指导意义。

瓦斯抽采二次膨胀封孔材料膨胀机理及应用研究

为降低瓦斯抽采漏气,开发了1种具备后期膨胀的二次膨胀材料(DE),以水泥基材料为对比样,利用自制的膨胀力测试装置,以XRD和SEM分别表征其膨胀力及微观结构。研究结果表明:相比水泥基材料,DE材料的膨胀力明显,并表现出显著的时间效应,且DE材料的膨胀力随约束刚度增大而增大;水化1 d时,DE材料较水泥基材料生成更多的钙矾石(AFt)晶体;随着DE材料水化,AFt晶体不断增多,且水化7 d后AFt晶体发生延迟膨胀,这是引起DE材料后期膨胀的主要因素;工程应用表明DE材料可提高瓦斯抽采浓度及纯量,有效改善抽采效果。

空气间隔装药技术周边孔间距对爆破效果的研究

隧道掘进中,控制围岩的超欠挖,即控制光面爆破效果是决定隧道掘进成败的主要考量指标。隧道掘进控制光面爆破效果的参数有周边孔间距、装药量、装药结构等,其中周边孔间距是保证光面爆破质量的最重要参数。通过理论分析LS—DYNA数值模拟平台,建立空气间隔装药双孔爆破模型,计算了周边孔间距在30 cm、40 cm、50 cm和60 cm条件下孔壁压应力及孔壁破坏情况,得出了Ⅲ类围岩中,周边孔间距在40～50 cm可获得良好的爆破效果,并通过现场试验进行了验证。

空气钻井井下燃爆监测系统

UBD气体监测系统是专门为监测井下燃爆现象而开发研制的,其主要原理是通过对返出气体中氧气、一氧化碳和二氧化碳体积分数变化的监测来判断井下是否发生燃爆。该系统具有仪器安装方便,井场布线简单,微型数据采集系统占用井场面积小,全数字信号传输,系统测量参数多,响应快,稳定性好,精度高,维护方便等特点,并已在川东某井成功完成井下燃爆监测任务,捕捉井下燃爆现象的灵敏性和准确性高,为空气钻井的提速快钻提供了安全保障。

川东北地区空气钻井燃爆分析与预防

空气钻井在钻遇油气层时,易发生井下燃爆,造成钻具被埋、井眼报废等复杂情况。为此,分析了井下燃爆发生的条件、方式、原因和燃爆机理,提出针对现场实际情况预防燃爆的措施,即加强对地层的认识,避免在油气层采用空气钻井或转换成雾化泡沫钻井,防止井下燃爆和卡钻的发生,保持井眼畅通防止滤饼圈的形成,利用UBD气体监测系统加强井下烃类气体的随钻监测以及采用防燃爆短节来及时发现和预防井下燃爆的发生,以保障空气钻井的顺利实施。

瓦斯抽采钻孔径向膨胀渗透封孔技术研究

针对本煤层瓦斯抽采钻孔漏风严重、抽采浓度低和有效抽采周期短的技术难题,分析了煤层瓦斯抽采钻孔的漏风机理和封孔关键技术,提出煤层瓦斯抽采钻孔径向膨胀渗透封孔技术,阐述了该技术封堵钻孔周边裂隙带的技术原理。最后结合实例确定了某矿2210工作面煤层瓦斯抽采钻孔的合理封孔深度为16 m,试验表明采用径向膨胀渗透封孔技术后,钻孔瓦斯抽采体积分数提高21%～32%,平均抽采流量提高0.016 m3/min,可延长抽采期1～2个月,既保证瓦斯抽采的安全、高效进行,又避免了封孔材料的浪费和抽采盲区的形成。

空气不耦合装药爆破孔壁冲击压力分析

从理论上分析探讨了炮孔空气不耦合装药爆破时孔壁初始冲击压力的计算方法。研究结果表明:一方面炮孔空气不耦合装药爆破降低了孔壁初始冲击压力,且当岩石条件一定时,孔壁冲击压力值随着装药不耦合系数值的增大而呈指数规律衰减;另一方面类似于炮孔耦合装药,不耦合装药爆破同样存在着较坚硬致密的高阻抗岩石,孔壁冲击压力值较高,较松散软弱的低阻抗岩石,孔壁冲击压力值较低。同时求解出了利于光面爆破的孔壁岩石不被冲击压坏的最小装药不耦合系数。

空气钻井钻具组合动力学特征及井斜机理研究

研究了用牙轮钻头进行空气钻井时光钻铤钻具组合动力学特征及井斜机理,建立了光钻铤钻具组合的转子动力学模型,分析了空气钻井与泥浆钻井时光钻铤钻具组合动力学特征的区别。结果表明,高碰摩系数使空气钻井时钻具组合反向涡动,空气的低阻力使空气钻井的涡动速度增大。泥浆钻井则相反,钻具组合以较低的涡动速度向前涡动。这些特征的综合作用使得空气钻井时钻头上的降斜力小于泥浆钻井,成为引起空气钻井井眼易斜的主要原因之一。

钻孔水力开采提升设备实验分析

以石英砂模拟井下工况,对钻孔水力开采提升设备气举装置中影响扬砂特性因素进行了实验研究。实验结果表明:气举装置的吸口与矿床间存在最优间距;在供气量相同的条件下,浸入率越大,扬砂量越大;不同气流喷嘴安装角度影响气举的扬砂特性,本实验中喷嘴轴心线方向与提升管内壁切线方向间的夹角为10°时,提升效果最佳;气流喷嘴安装数目影响到气举装置的扬砂量,存在最佳喷嘴安装数;搅拌喷嘴是否安装有时是决定能否完成提升的关键因素。

川东北地区泡沫钻井井壁稳定技术

在分析川东北地区上部陆相地层井壁失稳原因的基础上,提出了提高空气可循环泡沫钻井液井壁稳定能力的3种技术,即选用自行研制的两性离子表面活性剂AC-2作为发泡剂,当其浓度为0.5%以上即可满足气体泡沫钻井携液要求;增加析液能力,经过析液的泡沫可将60%～70%的多余液相分离;选用自主研发的井壁稳定剂YJB-1,提高泡沫基液的抑制性。通过7口井的现场应用,在提高井壁稳定方面取得了比较理想的效果,为空气泡沫钻井技术在川东北地区应用提供了广阔前景。解决了川东北陆相地层钻遇水层后的钻进问题和井壁稳定问题,缩短了钻井周期,降低了综合成本。

瓦斯抽采钻孔钻屑气固耦合运移压力损耗分析

基于气固两相流体力学理论,对瓦斯抽采钻孔内钻屑运移气固两相流压损、钻杆腔体接头处局部压损、钻孔收缩和"钻穴"引起的压损进行分析,结合工程案例,对钻进系统的风压损耗进行计算和分析。结果表明,钻进系统的风压损耗主要为气固两相流的摩擦压损,开放型钻穴对钻进系统的压损影响较小,填充型钻穴会带来较大的压力损耗。结合煤层地质条件和钻孔施工工艺参数,应用文中方法计算钻进系统风压损耗,为优化压风系统提供科学依据。

多孔并联式压风排水技术的研究及其在瓦斯抽采中的应用

针对下行钻孔在瓦斯抽采过程中积水排出难和排水效率低的问题,提出了一种多孔并联式压风排水技术。根据两相流理论得出压风排水适用的条件及排水管在钻孔内的最大允许长度,设计了基于"压风排水"的下行钻孔封孔工艺和多孔并联式的排水系统。在余吾煤业公司S2107高抽巷的应用表明:试验钻孔瓦斯抽采浓度最高可达71%,单孔平均瓦斯抽采纯量为0.078 m3/min,单孔平均瓦斯抽采纯量与普通抽采孔相比提高了3.39倍。该技术不仅解决了下行钻孔内积水难以排出的问题,还实现了封孔、排水和瓦斯抽采的一体化,提高了瓦斯抽采效果。

复杂地质条件下大直径救生孔成孔关键技术与工艺

为实现国内首例大直径救生孔的施工成孔,研究了国内大直径钻孔和国外大直径救生孔主要工艺、技术,针对平邑石膏矿区采空区持续坍塌易埋钻、过溶洞含水层、过易斜地层等极其复杂的成孔条件,研究实施了Φ711 mm大直径潜孔锤钻进技术、空气反循环工艺、钻孔防偏保直等关键工艺与技术,同时对地层坍塌、工作管变形等提出了针对性解决方法,经实践可知,大直径救生孔成功建造,可为国内钻孔救生的实现提供经验参考。