下行定向钻孔氮气泡沫幂律多相流携渣解堵技术

为了解决下行定向钻孔煤屑堵塞、瓦斯抽采有浓度无流量技术瓶颈难题,提出下行定向钻孔氮气泡沫幂律多相流携渣、解堵技术,采用理论分析、数值模拟、现场工业试验等方法,对煤矿井下下行定向钻孔瓦斯抽采引起煤屑堵塞的原因、下行定向钻孔环空氮气泡沫幂律多相流携渣理论及实践应用进行了研究。通过含壁函数的湍流模型数值模拟耦合瓦斯流动和煤体变形,钻孔抽采后流体压力变化引起的孔壁弹性位移。通过三维库仑失效准则模型数值模拟求解抽采引起的压力变化以及压力变化引发的应力、应变、位移变化及下行定向钻孔塌孔风险。通过幂律多相流理论分析氮气泡沫的稳定性、泡沫在钻杆内、钻头处、环空间隙的流动性、泡沫中煤粉悬浮性能、环空间隙泡沫排渣的压力损失、泡沫向上排渣受力情况。在下行定向钻孔环空氮气泡沫幂律多相流携渣理论分析的基础上,设计了稳定氮气泡沫发生器、泡沫发生灌注系统、下行定向钻孔氮气泡沫钻进工艺、瓦斯抽采钻孔氮气泡沫二次解堵工艺,并进行下行定向钻孔氮气泡沫排渣现场工业试验。研究结果表明:钻孔壁摩擦曳力和弯曲处的离心力会造成煤屑颗粒聚集及孔壁坍塌风险增大,瓦斯携带的煤粉颗粒会撞击孔壁使孔壁变形或剥离,进而导致抽采钻孔塌孔堵塞;建立的涵括氮气泡沫稳定性、流动性、煤粉悬浮性能、环空间隙泡沫压力损失、排渣受力分析的下行定向钻孔环空氮气泡沫幂律多相流携渣、解堵技术理论体系能很好的为下行定向钻孔氮气泡沫排渣提供理论支撑;现场工业试验中氮气泡沫排渣钻孔相比水排钻孔,初始混合量和纯量分别提高了6.5倍和6.4倍,40 d混合量和纯量分别提高了10倍左右,说明氮气泡沫携渣、解赌技术可显著提高下行定向钻孔的瓦斯抽采效率。