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矿大成功研制瓦斯抽采钻孔变形破坏测试装置

2020-10-27

  为了揭示煤层瓦斯抽采钻孔失稳破坏规律及服役寿命周期特征,中国矿业大学李忠辉教授团队研发了包括钻孔变形模拟装置和钻孔变形测试装置的钻孔变形破坏测试系统,并利用相似材料进行了钻孔变形破坏全过程的试验测试。研究了压力感应器压力、钻孔变形之间的关系,提出了评价钻孔变形破坏状态的指标——钻孔破坏度。成果以《煤层瓦斯抽采钻孔变形破坏测试技术及其应用研究》为题于近期发表于《煤炭科学技术》2020年第10期。


  瓦斯抽采钻孔的稳定及使用寿命是保证煤层瓦斯高效、持续抽采的前提。


  在实际抽采中,随着时间推移,钻孔孔壁围岩应力重新分布,使孔壁局部产生破裂,向钻孔空间挤压导致钻孔变形破坏,钻孔失稳的直接后果就是钻孔塌孔闭合,导致瓦斯抽采流量降低甚至瓦斯抽采中断。


  前人在钻孔应力状态及钻孔变形监测方面做了大量工作,然而,目前针对煤层瓦斯抽采钻孔稳定性评估及其变形破坏测试技术鲜有研究。


  李忠辉团队研发的钻孔变形试验系统,包括钻孔变形模拟装置和钻孔变形测试试验装置。


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钻孔变形模拟装置


  钻孔变形模拟装置由箱体、钻孔模具和上盖板组成。箱体内壁尺寸为300 mm×200 mm×200 mm,钻孔尺寸为直径75 mm、长300 mm,上盖板长宽为295 mm×195 mm。将配制好的煤体相似材料浇注于箱体内,达到预定强度后,取出钻孔模具形成钻孔模型,然后盖上上盖板,利用压力机加压来模拟钻孔变形破坏全过程,并测试钻孔变形量。


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钻孔变形测试装置


  钻孔变形测试装置由压力感应器、导压管、单向阀、压力表、三通和柔性保护套构成。压力感应器为气密性好、耐热、耐老化的软弹性胶囊制成,其弹性模量小,在较小压力下即可膨胀,与钻孔壁良好耦合,压力感应器的初充压力设为Po=0.08 MPa。柔性保护套内壁为橡胶涂层,摩擦因数较大,可以与压力感应器良好贴合,大幅减少了压力感应器的长度变化。同时,还可防止孔壁变形时压力感应器被破碎煤体刺破。试验用导压管外径5 mm、内径3 mm,具有耐高压特性,在试验压力范围内导压管的变形可以忽略。


  研究提出了提出了评价钻孔变形破坏状态的指标———钻孔破坏度,并建立了钻孔破坏度与压力感应器压力的定性关系,根据试验结果确定了钻孔塌孔失效的判定条件为钻孔破坏度大于50%。


  研究人员在演马庄矿27131 回采工作面(下段)回风巷现场测试了瓦斯抽采钻孔的变形破坏过程,发现钻孔成孔后初期变形破坏速度较快,之后进入缓慢变形破坏阶段直至稳定;沿孔深方向,钻孔破坏度先增大后减小,孔深5~11 m范围内钻孔破坏度最大,与巷道围岩应力分布相吻合,对确定合理封孔深度有指导意义;钻孔的变形破坏对瓦斯抽采流量影响显著,随着钻孔破坏度增加至50%及以上,钻孔失效,无法继续抽采。


  这项研究得到了国家自然科学基金面上基金、山东省重大科技创新工程的资金支持。


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  责任编辑:宫在芹
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女, 1973.4出生,博士,所学专业矿山环境工程, 2005年到山东科技大学矿...

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