磨料射流导引钻头破碎硬岩方法及机理

摘要

穿层钻孔抽采瓦斯是治理煤矿瓦斯灾害、实现煤层气综合利用的重要手段，而我国尤其是西南地区煤层顶底板岩层大部分为灰岩等坚硬岩石，在实施穿层钻孔时，钻头磨损严重，钻进极为困难，严重制约着煤矿瓦斯治理的效率，因此，如何提高穿层钻孔的钻进效率是煤矿瓦斯治理面临的关键技术难题之一。受钻头结构与钻进方式的限制，现有穿层钻孔方法钻进时，在孔底中心形成―凸台，而该中心―凸台正是导致钻头失效与钻进困难的主要因素。为此，本文提出沿钻头轴线布置磨料喷嘴，利用磨料射流超前消除中心―凸台，并形成―先导孔，然后钻头机械扩孔的磨料射流导引钻头破碎硬岩新方法，以达到降低刀具磨损、提高钻进效率的目的。
　　本文主要开展传统全面钻头失效机理、磨料射流导引钻头破碎硬岩方法、磨料射流冲蚀损伤岩石机理及磨料射流导引钻头破碎硬岩机理与技术原理等方面的研究，取得的主要成果有：
　　①揭示了传统全面钻头失效机理。实验研究与刀具受力分析表明传统全面钻进会在孔底中心形成―凸台，而刀刃对凸台岩石的破碎为克服岩石抗压强度的挤压破碎，大大增加了刀具受力，刃口因应力与温度高度集中而产生断裂缺口，进而恶化整个钻头的工作状况导致失效。
　　②提出了利用磨料射流超前消除―凸台形成―先导孔、钻头机械扩孔的磨料射流导引钻头破碎硬岩新方法。建立了磨料射流导引钻头破碎硬岩系统，研发出了磨料射流钻头、磨料射流发生装置、岩石钻进实验测试系统等关键设备。
　　③揭示了磨料射流冲蚀损伤岩石机理。岩石在磨料粒子冲击下形成由侧向-扩展裂纹与径向-中间裂纹构成的裂纹系统，该裂纹系统的发育于岩石内部形成由圆形截面与―V形剖面构成的倒锥体孔洞，同时于孔洞周边构造出一定范围的损伤区，促使磨料射流破岩始终处于―冲蚀—损伤交替进行的动态过程之中。这种动态损伤对后续机械破岩具有积极作用。
　　④揭示了磨料射流导引钻头破碎硬岩机理。利用磨料射流冲蚀岩石，消除―凸台形成―先导孔，为后续机械扩孔破岩提供自由面，变传统钻具对―凸台的挤压破碎为―先导孔导引下的拉伸破碎，同时射流的损伤岩石特性降低―先导孔周边岩石强度，显著减小刀具受力，消除刃口应力与温度集中，达到降低刀具磨损、提高钻进效率的目的。实验结果表明：在相同条件下，磨料射流导引钻头钻进硬岩的钻进速度较现有技术提高了约63％，推力与扭矩分别降低了约15%与20%，钻头磨损明显减弱。
　　⑤研发出了磨料射流导引钻头穿硬岩层钻进工艺，即利用一套装备，在一个钻孔施工回次内，传统全面钻进软岩与磨料射流导引钻头钻进硬岩交替进行，以实现穿硬岩层高效钻进。建立了磨料射流冲孔速度、射流流量等关键工艺参数的理论与经验计算模型，为现场应用奠定了基础。
　　本文研究成果为有效解决钻孔预抽瓦斯技术实施中穿硬岩层钻孔问题奠定了基础，丰富了硬岩破碎方法与理论，具有一定的工程价值与理论意义。

目录

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英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 问题的提出及研究意义

1.2 国内外研究现状及评述

1.3 研究内容及技术路线

2 传统全面钻头失效机理研究

2.1 传统全面钻头失效影响因素

2.2 传统全面钻头失效机理分析

2.3 本章小结

3 磨料射流导引钻头破碎硬岩方法研究

3.1 磨料射流导引钻头破碎硬岩方法工作原理

3.2 系统关键装置的研制

3.3 磨料射流导引钻头破碎硬岩实验研究

3.4 本章小结

4 磨料射流冲蚀损伤岩石特性研究

4.1 磨料射流冲蚀损伤岩石特性理论分析

4.2 基于ICT扫描的磨料射流冲蚀损伤岩石实验研究

4.3 基于SPH的磨料射流冲蚀损伤岩石数值模拟研究

4.4 本章小结

5 磨料射流导引钻头破碎硬岩机理研究

5.1 磨料射流钻头破岩过程与特点

5.2 磨料射流导引钻头破碎硬岩机理定性分析

5.3 磨料射流导引钻头高效钻进硬岩机理定量分析

5.4 本章小结

6 磨料射流导引钻头穿硬岩层钻进工艺与参数研究

6.1 联合钻进工艺分析

6.2 联合钻进工艺参数分析

6.3 联合钻进关键工艺参数计算

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 创新点

7.3 展望

致谢

参考文献

附 录