孔底组合钻具瓦斯喷涌阻尼机制及工程应用- 工业快报

创新点

（1）构建孔底组合阻尼钻具结构模型，通过降低钻孔孔底揭露面积和增加气体流动通道的阻力来削弱瓦斯喷涌的压力，理论上可将喷出的瓦斯压力降低到初始的25%以下。

（2）研制了孔底组合阻尼钻具，包括揭露钻头、熔涂阻尼钻杆、扩孔钻头，工业性试验结果表明孔底组合阻尼钻具能够有效降低钻孔内瓦斯喷出压力。

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孔底组合钻具瓦斯喷涌阻尼机制及工程应用

作者：王永龙，裴宇翔，孙玉宁，余在江，丁立培，吴越，郭佳宽，杜康

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单位：河南理工大学能源科学与工程学院

研究背景

RESEARCH BACKGROUND

我国作为煤炭资源开采和利用的大国，煤炭企业中煤与瓦斯突出矿井数量占比较重，施工瓦斯抽采钻孔进行采前预抽可以有效预防瓦斯灾害事故。瓦斯抽采钻孔施工过程中发生喷孔是导致瓦斯超限最常见的一种动力现象。钻进过程中的喷孔现象是一把双刃剑，一方面喷孔在快速释放煤层瓦斯的同时对煤体也具有卸压作用；另一方喷孔产生的高速瓦斯气流非常容易造成瓦斯喷孔超限。煤层瓦斯喷孔超限事故是矿井安全生产的主要隐患，根据近3 a的统计资料表明，瓦斯喷孔超限事故在瓦斯超限事故中占比已超过50%。

针对瓦斯喷孔超限难题，科研及工程技术人员做了大量的研究工作，例如将三棱钻杆、孔口防喷装置及防喷钻杆联合应用到钻孔施工中，全封闭式“三防”装置和采用钻尾抽采和防延时喷孔技术，钻孔孔口“防喷、捕尘一体化”装置，快速封孔、螺旋排渣、瓦斯煤渣分离、旋流式分离、喷雾除尘等成套技术，新型高效放水排渣、抽排瓦斯、孔口除尘三位一体防喷出装置及配套钻割新工艺，水力冲孔防喷孔整套装置，瓦斯喷孔综合治理安全装置等，对于治理瓦斯喷孔超限都有一定的效果。

钻孔揭露瓦斯富集区时大量高压瓦斯从孔底向孔口高速涌出，常规的钻进方法，难以将喷孔压力降低到安全值，喷孔无法避免，只能在孔口处进行被动防喷。瓦斯喷出通道为钻杆与钻孔之间的缝隙，中间夹杂着钻屑，这些因素会形成通风阻力，一定程度降低了孔口喷出压力，如能将喷出压力在孔内大幅度削弱，将减轻孔外防喷的压力。为此，笔者分析孔底组合钻具瓦斯喷涌阻尼机制，并设计了孔底组合钻具，结合数值模拟、建立气流阻力力学方程、分析了孔底组合钻具的阻尼效果，并通过工业性试验对孔底组合钻具的阻尼效果进行了验证，为瓦斯抽采防喷孔技术开辟了一条新的技术途径。

摘要

ABSTRACT

为解决抽采钻孔喷孔瓦斯超限的技术难题，提出将钻孔瓦斯喷涌压力在孔内进行削弱的思路，构建了孔底组合阻尼钻具结构模型，通过建立气流阻力力学方程、孔底组合钻具阻尼效果数值模拟，分析孔底组合钻具瓦斯喷涌阻尼机制，研制了孔底组合阻尼钻具，包括揭露钻头、熔涂阻尼钻杆、扩孔钻头，并在屯兰矿8号煤层18407轨道巷开展了现场钻进工业性试验。

研究结果表明：① 降低钻孔孔底揭露面积和增加喷孔源高压气体流动的阻力是削弱瓦斯喷涌压力技术的关键，采用小直径钻头钻进、大直径钻头扩孔分层、分段逐渐增大钻孔，通过合理设计阻尼钻具“降压间隙”β，改变钻具相对粗糙度，提高沿程阻力系数，增加风阻，能够将喷出的瓦斯压力降低到初始的25%以下。② 数值计算表明：孔底组合钻具能够大幅削弱喷孔的气流压力，降低了高压气流在孔口高速喷出的风险；揭露钻头与阻尼钻杆形成的“降压间隙”对阻尼效果起决定作用。③ 现场使用孔底组合阻尼钻具施工，钻具供水阀门开度全开，钻进速度略有降低，同时在钻孔孔口处检测到2次明显瓦斯波动现象，钻孔揭露到高压瓦斯富集区，未出现喷孔瓦斯超限，表明孔底组合阻尼钻具对钻孔瓦斯涌出压力具有显著的削弱作用，降低了孔口防喷装置的防喷压力。

部分图片

图 1    孔底组合钻具模型结构

图 2    瓦斯喷出路径

图 3    孔底组合钻具钻进截面模型

图 4    总压递减梯度示意

图 5    摩擦风阻与沿程阻力系数的关系

图 6    常规钻具和组合阻尼钻具计算模型

图 7    常规钻具与组合阻尼钻具模型静压云图

图 8    常规钻具与组合阻尼钻具模型观测线上的静压

图 9    模型观测线上的静压

图 10    工业性试验孔底组合阻尼钻具

图 11    工业性试验 25°倾角钻孔示意

第一作者简介

王永龙，男，1980年3月生，河北承德人，博士，副教授。承担国家和省部级科研项目7项、主持和参与完成企业委托课题20余项；获得国家科技进步二等奖1项，省部级一等奖1项、二等奖3项；出版学术专著1部，发表学术论文40余篇，获中国精品科技期刊顶尖学术论文（F5000）2篇；授权国家发明专利30余项，专利转化6项。

研究方向

矿井瓦斯防治与利用

主要成果

致力于复杂地层安全高效钻探技术、低渗煤层增透技术的研究。提出了仿生降阻护孔钻进方法，开发了系列仿生降阻钻具；提出了护孔卸压钻进方法，开发了系列护孔卸压钻具；提出了分层切削钻进方法，开发了系列孔底组合钻具；开发了低渗煤层“机械-水力”复合增透技术及配套装备。新的钻进、增透方法及配套装备获得了多项发明专利，并在河南、山西、陕西等矿区得到推广应用，为高瓦斯矿井、突出矿井安全、高效抽采提供了技术支撑。

通讯作者简介

裴宇翔，男，1999年6月生，河南信阳人，硕士，中共党员，获河南省科技成果二等奖1项，发表学术论文2篇。参与研究了突出煤层钻进阻尼防喷关键技术，该成果被鉴定为国际先进水平，授权发明专利1项，实用新型专利2项。