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基于光纤光栅的煤层瓦斯钻孔塌孔位置表征试验研究

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煤炭科学技术 2023年第11期51卷 95-103页

作者：张超程仁辉黄晓昇范富槐段晨烨西安科技大学安全科学与工程学院陕西西安710054 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室陕西西安710054

钻孔瓦斯抽采是解决瓦斯超限问题的重要手段,受地应力、钻进扰动等影响矿井瓦斯抽采钻孔易塌孔变形,严重影响瓦斯治理效果。针对煤层瓦斯抽采钻孔塌孔位置难以监测的问题,提出了一种基于光纤光栅智能传感技术的钻孔塌孔监测技术。首先... 详细信息

钻孔瓦斯抽采是解决瓦斯超限问题的重要手段,受地应力、钻进扰动等影响矿井瓦斯抽采钻孔易塌孔变形,严重影响瓦斯治理效果。针对煤层瓦斯抽采钻孔塌孔位置难以监测的问题,提出了一种基于光纤光栅智能传感技术的钻孔塌孔监测技术。首先从光纤光栅传感器应力监测理论出发阐述了光纤光栅钻孔塌孔监测原理,在此基础上构建了基于光纤光栅的塌孔表征实验平台,开展了不同塌落煤量下3种光栅布置方式(0°、90°、180°)的钻孔塌孔监测模拟试验,研究了光栅测量波长偏移量、抽采流量随塌落煤量的变化规律,划分了钻孔塌孔等级。结果表明:光栅测点位于基体材料下方布置方式的塌孔监测准确度最高,此时中心波长偏移量Δλ与塌落煤量m的关系为m=3.017Δλ.抽采流量Q与波长偏移量Δλ的关系为Q=8.72E-7x^(3)+2.30E-4x^(2)-0.18x+30.以抽采流量衰减率为塌孔评判标准划分三级塌孔标准:Ⅰ级塌孔抽采流量衰减至90%,Ⅱ级塌孔抽采流量从90%衰减至50%,Ⅲ级塌孔抽采流量衰减至50%以下。最后,通过在潞安集团漳村煤矿2802工作面的现场试验验证了光纤光栅塌孔监测技术的有效性,发现钻孔30 d后塌孔位置分布与钻孔打钻完成后的初期期情况相近;在现场试验中,基于所提出的塌孔监测技术成功定位并修复了5个钻孔,修复后钻孔瓦斯抽采纯量较未修复前提升了37.79%。

关键词：瓦斯抽采钻孔塌孔光纤光栅波长偏移量塌孔监测

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基于光纤光栅的本煤层瓦斯钻孔塌孔表征实验研究

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煤炭科学技术 2023年

作者：张超程仁辉黄晓昇范富槐段晨烨西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室西安科技大学安全科学与工程学院

钻孔瓦斯抽采是解决瓦斯超限问题的重要手段，受地应力、钻进扰动等影响矿井瓦斯抽采钻孔易塌孔变形，严重影响瓦斯治理效果。针对本煤层瓦斯抽采钻孔塌孔位置难以监测的问题，提出了一种基于光纤光栅智能传感技术的钻孔塌孔监测技术。... 详细信息

钻孔瓦斯抽采是解决瓦斯超限问题的重要手段，受地应力、钻进扰动等影响矿井瓦斯抽采钻孔易塌孔变形，严重影响瓦斯治理效果。针对本煤层瓦斯抽采钻孔塌孔位置难以监测的问题，提出了一种基于光纤光栅智能传感技术的钻孔塌孔监测技术。首先从光纤光栅传感器应力监测理论出发阐述了光纤光栅钻孔塌孔监测原理，在此基础上构建了基于光纤光栅的塌孔表征实验平台，开展了不同塌落煤量下三种光栅布置方式(0°、90°、180°)的钻孔塌孔监测模拟实验，研究了光栅测量波长偏移量、抽采流量随塌落煤量的变化规律，划分了钻孔塌孔等级。实验结果表明：光栅测点位于基体材料下方布置方式的塌孔监测准确度最高，此时中心波长偏移量Δλ与塌落煤量m的关系为m=3.017Δλ，抽采流量Q与波长偏移量Δλ的关系为Q=8.72E-7x3+2.30E-4x2-0.18x+30。以抽采流量衰减率为塌孔评判标准划分三级塌孔标准：Ⅰ级塌孔抽采流量衰减至90%，Ⅱ级塌孔抽采流量从90%衰减间至50%，Ⅲ级塌孔抽采流量衰减至50%以下。最后，通过在潞安集团漳村煤矿2802工作面的现场试验验证了光纤光栅塌孔监测技术的有效性，发现钻孔30天后塌孔位置分布与钻孔打钻完成后的初期期情况相近；在现场试验中，基于所提出的塌孔监测技术成功定位并修复了5个钻孔，修复后钻孔瓦斯抽采纯量较未修复前提升了37.79%。

关键词：瓦斯抽采钻孔塌孔光纤光栅:波长偏移量塌孔监测

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灌注桩钻孔塌孔实测及孔壁稳定性评价

人民长江 2017年第19期48卷 79-84,96页

作者：马永峰周丁恒张志豪钱明青岛中油岩土工程有限公司山东青岛266071 中铁第五勘察设计集团有限公司北京102600

以沿海地区某大型工程钻孔灌注桩地基处理为背景,在典型区域灌注桩成孔质量实测的基础上,提出了一种新的孔壁稳定或坍塌程度评价参数——塌孔率,建立了塌孔孔径划分标准和坍塌体积计算模型,对塌孔体积与砂层厚度、钻孔深度的相关性进行... 详细信息

以沿海地区某大型工程钻孔灌注桩地基处理为背景,在典型区域灌注桩成孔质量实测的基础上,提出了一种新的孔壁稳定或坍塌程度评价参数——塌孔率,建立了塌孔孔径划分标准和坍塌体积计算模型,对塌孔体积与砂层厚度、钻孔深度的相关性进行了回归分析。对塌孔率与砂层平均标贯数、砂土不均匀系数及砂土平均粒径的相关性进行了回归分析。研究结果表明:砂土层是灌注桩钻孔时孔壁稳定的关键;用塌孔率来评价孔壁稳定和坍塌程度是可行且适用的;塌孔体积与砂层厚度、钻孔深度密切相关;砂层平均标贯数、砂土不均匀系数及砂土平均粒径是灌注桩施工孔壁稳定性及塌孔风险评价的重要指标。

关键词：灌注桩钻孔塌孔坍塌体积孔壁稳定沿海地区

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深部构造煤钻孔塌孔机制及防塌技术研究

深部构造煤钻孔塌孔机制及防塌技术研究

作者：李景涛河南理工大学

学位级别：硕士

煤与瓦斯突出问题危及矿产安全,采用钻孔进行煤层瓦斯预抽是有效解决瓦斯突出问题的主要手段之一。随着煤矿开采深度的增加,煤层应力逐渐递增。瓦斯抽采钻孔成型后易塌孔、堵孔,瓦斯抽采通道阻断,抽采浓度衰减过快甚至归零,因此,针对煤... 详细信息

煤与瓦斯突出问题危及矿产安全,采用钻孔进行煤层瓦斯预抽是有效解决瓦斯突出问题的主要手段之一。随着煤矿开采深度的增加,煤层应力逐渐递增。瓦斯抽采钻孔成型后易塌孔、堵孔,瓦斯抽采通道阻断,抽采浓度衰减过快甚至归零,因此,针对煤层钻孔塌孔的问题进行研究,对钻孔进行防塌支护,确保瓦斯顺利抽采,降低瓦斯突出事故具有重要意义。以山西省玉溪煤矿构造煤层的瓦斯抽采钻孔为研究对象,对钻孔的塌孔、堵孔情况进行现场调查,进行煤样力学参数试验,研究煤层破坏时的强度变化特征,分析钻孔塌孔、堵孔原因。采用FLAC 3D软件构建钻孔和筛管不接触数值计算模型,在大变形条件下,进行不同条件下钻孔的防塌支护数值模拟分析;制定瓦斯抽采钻孔支护新方案,研发钻孔全程下筛管和深部封孔装备,进行构造煤层钻孔现场工业性验证试验。取得了如下主要研究成果:(1)煤层钻孔成型后煤体完整性遭到破坏,煤体强度下降,钻孔周围煤岩体破碎裂隙发育,钻孔卸压后周围煤岩体的应力重新分布,导致孔壁煤体不稳定是形成钻孔塌孔堵塞的主要原因。(2)钻孔变形随着煤层埋深的增加而增大,煤层埋深越大钻孔支护筛管所承受的力越大,变形越严重;钻孔上部煤岩体向下移动形成卸压,随着埋深的增加钻孔周围煤岩体塑性破坏区域减小。(3)随着侧向压力的增加,钻孔侧向变形加大,钻孔周围煤岩体的塑性破坏由竖向变为横向,且逐渐横向发展扩大。软煤中钻孔和筛管的垂直应力大于硬煤,软煤钻孔壁先与筛管接触,硬煤中钻孔周围煤岩体的横向塑性破坏大于软煤。(4)构造煤层瓦斯抽采顺层钻孔采用全程筛管支护和深部封孔技术,有效改善了钻孔的塌孔问题,钻孔瓦斯抽采浓度和预抽时间显著提升,钻孔使用率得到提高,验证了防塌支护试验的可行性。全文共有图42幅,表12个,参考文献88篇。

关键词：构造煤层钻孔塌孔数值仿真大变形顺层钻孔防塌支护

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基于光纤光栅的钻孔塌孔监测技术及应用研究

基于光纤光栅的钻孔塌孔监测技术及应用研究

作者：范富槐西安科技大学

学位级别：硕士

我国煤层赋存条件复杂多变,瓦斯灾害严重。受地应力影响,矿井瓦斯抽采钻孔易塌孔变形,严重影响瓦斯治理效果,然而目前针对钻孔塌孔情况的监测手段少之又少,无法进行针对性的钻孔修复。本论文以此为背景,应用光纤光栅智能传感技术监测钻... 详细信息

我国煤层赋存条件复杂多变,瓦斯灾害严重。受地应力影响,矿井瓦斯抽采钻孔易塌孔变形,严重影响瓦斯治理效果,然而目前针对钻孔塌孔情况的监测手段少之又少,无法进行针对性的钻孔修复。本论文以此为背景,应用光纤光栅智能传感技术监测钻孔内部塌孔情况,通过查阅大量文献,在前人研究的基础上,综合采用理论分析、塌孔表征实验、物理相似模拟实验、现场试验相结合的研究方法,对光纤光栅塌孔监测技术及应用开展研究。本论文的主要研究工作如下。(1)光纤布拉格光栅能够通过测量波长偏移量,实现对温度、应力等物理量的监测,本论文中所选的光栅封装方式为表面粘贴式。通过构建光纤光栅、粘贴层和基体材料的应变分析模型,解算出表贴式光纤光栅传感器实际应用中由基体材料到光纤光栅测点的应变传递效率公式,为实验参数测定奠定理论基础。可通过光栅测量波长偏移量表征钻孔塌落煤量,同时根据光栅测点布置位置,确定钻孔塌孔的大致位置。(2)设计钻孔塌孔表征实验,将漳村煤矿2802工作面进风巷取得的煤样简单破碎后,用于模拟钻孔内真实塌落煤体形态。设置三组试验,分别将光纤光栅测点分别偏转0°、90°、180°,通过模拟钻孔内塌孔情况,得出塌落煤量与各组测量波长偏移量之间的线性关系。(3)综合考虑光栅测点的保护及监测数据准确度,基于塌孔表征实验数据,构建光栅测量波长偏移量与塌落煤量及抽采流量之间的对应关系,以抽采流量衰减比率作为塌孔评判标准,以测量波长偏移量表征塌落煤量,将钻孔塌孔严重程度分为三个等级:Ⅰ级塌孔抽采流量衰减小于1 0%,光栅测量波长偏移量小于19.6pm,塌落煤量至少59.2g;Ⅱ级塌孔抽采流量衰减间于10%-50%,光栅测量波长偏移量间于19.6-99.8pm,塌落煤量间于59.2-301.4g;Ⅲ级塌孔抽采流量衰减大于50%,光栅测量波长偏移量大于99.8pm,塌落煤量至少301.4g。(4)构建物理相似模拟实验,布置光栅测点和声发射传感器,监测钻孔塌孔情况和孔周裂隙发育情况。在应力加载情况下,对比各测点光栅测量波长偏移量突变点位与声发射检测数据激增段,基本能够一一对应,验证了光纤光栅监测塌孔位置的准确性。(5)在漳村煤矿2802工作面选取5个钻孔开展塌孔监测技术现场试验,持续监测30天钻孔塌孔情况及钻孔抽采数据。在钻孔钻进完成后,监测的钻孔中,2号、5号钻孔成孔效果较好,能长时间保持较好的瓦斯抽采效率;而1号、3号、4号钻孔出现了退钻即塌孔的情况,塌孔等级接近Ⅲ级塌孔,且在一个月的抽采工作完成后,塌孔现象更为严重,极大影响了钻孔抽采效果。针对监测钻孔的不同塌孔情况与不同塌孔深度,提出针对性的钻孔修复方案,综合统计监测钻孔修复前后的抽采数据,采用合适钻孔修复工艺后钻孔抽采纯量提升14.5%,钻孔修复效果明显。通过现场试验效果检验,塌孔监测结果可为瓦斯抽采钻孔失效修复提供有效的理论指导,有效解决了钻孔成孔后的塌孔情况监测难题,实现了对钻孔塌孔位置及塌落煤量的监测,对钻孔失效修复、钻孔易塌孔区段精准支护等有着很大的现实意义。

关键词：瓦斯抽采钻孔塌孔塌孔监测表征模型相似模拟

大采高工作面筛管防治软煤层钻孔塌孔技术研究

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煤 2019年第3期28卷 6-9页

作者：王翔宇山西煤炭运销集团长治有限公司山西长治046000

针对中能煤矿2302大采高工作面正前方、巷道两帮应力集中段及局部构造应力集中段钻孔易出现塌孔问题,利用筛管进行护孔,以实现井下本煤层瓦斯高效预抽,通过现场试验,结果表明:当筛管的长度达到60 m时,煤层的单孔瓦斯抽采混合流量达到0. ... 详细信息

针对中能煤矿2302大采高工作面正前方、巷道两帮应力集中段及局部构造应力集中段钻孔易出现塌孔问题,利用筛管进行护孔,以实现井下本煤层瓦斯高效预抽,通过现场试验,结果表明:当筛管的长度达到60 m时,煤层的单孔瓦斯抽采混合流量达到0. 134～1. 624 m3/min,平均单孔混合流量为0. 759 m3/min,瓦斯平均浓度基本稳定在12%左右;相比50 m长筛管钻孔瓦斯混合流量有小幅度升高但并不明显,瓦斯浓度与50 m长筛管基本相同,本着经济合理的原则,建议将筛管护孔长度定为50 m。

关键词：工作面筛管钻孔塌孔软煤层抽采量

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煤矿钻孔塌孔原因分析及处理方法

内蒙古煤炭经济 2019年第14期 107-108页

作者：李彬任金武河南能源化工集团永华能源有限公司嵩山煤矿

在矿井瓦斯抽采及防治水钻孔施工过程中,因地层松软,岩石破碎等原因造成的钻孔塌孔非常常见。所有钻探事故中,塌孔事故约占50%,塌孔可造成钻具脱落、折断,卡钻、埋钻等钻探事故,而且塌孔事故严重影响钻探施工进度及钻孔工程质量,对钻孔... 详细信息

在矿井瓦斯抽采及防治水钻孔施工过程中,因地层松软,岩石破碎等原因造成的钻孔塌孔非常常见。所有钻探事故中,塌孔事故约占50%,塌孔可造成钻具脱落、折断,卡钻、埋钻等钻探事故,而且塌孔事故严重影响钻探施工进度及钻孔工程质量,对钻孔注浆质量或瓦斯抽采效果有很大影响,对矿井的安全生产以及采掘接替造成不利影响。本文分析煤矿钻孔塌孔的原因,结合日常钻探工作中处理钻孔塌孔的经验,列举常见的几种塌孔事故进行论述,通过采取多种处理塌孔的方法、措施,能够有效处理和减少塌孔事故,提高了钻孔施工效率,保障矿井的安全生产及采掘接替工程的正常进行。

关键词：瓦斯抽采防治水钻孔塌孔注浆多级套管三棱钻杆钻进效率

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