摘要
在煤层瓦斯钻孔预抽过程中，井下空气通过钻孔围岩裂隙渗入钻孔，导致钻孔抽采瓦斯浓度低下，强化钻孔围岩裂隙封堵、减少漏气是提高煤层抽采质量的关键。本文以本煤层瓦斯预抽钻孔为研究对象，研究了钻孔围岩的应力分布及破坏规律，分析了裂隙漏气对钻孔瓦斯抽采参数的影响；针对钻孔围岩的裂隙封堵，研发并测试了封孔材料浆液的性能及渗流特性，获得了适用于现场孔群围岩裂隙有效封堵的技术参数，取得主要结论如下： （1）采用数值分析的方法研究了钻孔围岩应力分布和破坏特征，结果表明，巷道施工后，钻孔围岩轴向应力从巷道壁向深处依次经历卸压、应力集中与原岩应力三个阶段，塑性破坏发生在峰后应力集中区；钻孔施工后，钻孔围岩的径向应力分布呈放射状，塑性破坏区域受高地应力的影响呈蝶形，随着钻孔孔径增加，径向应力峰值点向远离钻孔方向移动，塑性破坏面积增大；随着钻孔间距减小，受相邻钻孔围岩应力叠加影响，钻孔间围岩塑性区域扩展连结。 （2）建立煤层瓦斯顺层钻孔抽采模型，分析了抽采期间煤层瓦斯参数的多场（瓦斯压力、空气压力、裂隙瓦斯浓度）演化规律及影响因素。研究结果表明，低压瓦斯分布在巷道壁及钻孔壁附近，抽采过程中低压区等值线向周围扩展；高压空气分布在巷道壁附近，随抽采进行空气压力阵面向煤层内部推进，靠近钻孔处漏气严重；巷道壁与钻孔壁附近的裂隙瓦斯浓度较低，随抽采进行低浓度区域不断向深处扩展。通过对抽采漏气影响因素分析后发现，在相同抽采时间下，煤岩初始渗透率升高，煤层整体空气渗漏加重；抽采负压的提升使靠近钻孔处的空气压力阵面向深处缓慢推进；孔径增加使钻孔围岩漏气范围扩展；钻孔间距的减小使钻孔间的空气低压区连结为整体并向深处扩展。 （3）针对瓦斯抽采钻孔围岩裂隙漏气的难题，研发了裂隙封堵材料，测试其性能参数及流动特性，建立了封堵浆液在钻孔围岩裂隙中的渗流模型。结果表明，封堵材料浆液的粘度变化具有稳定期和上升期两个阶段，降低水灰比可使浆液粘度快速增加，但其会缩短浆液的初凝和终凝时间；同时，添加超细粉煤灰有助于抑制浆液粘度的快速上升，且会缩短浆液的凝结周期，提高浆液凝固体的强度与抗渗能力。基于注浆渗流模型，发现低粘度浆液的高压注浆有助于增大封堵浆液的扩散范围。 （4）建立三维孔群裂隙注浆模型，得到封堵材料在不同钻孔间距条件下的注浆封堵效果，研究发现随着钻孔间距改变，达到封堵条件所需注浆压力与材料粘度也相应变化，结合封堵材料的性能参数筛选出不同钻孔间距条件的最优封孔工况（注浆压力、封堵材料配比）；对比分析孔群封堵前后的瓦斯压力、空气压力、抽采浓度变化并进行现场试验孔验证，结果表明，采取研发材料进行封堵后内钻孔漏气范围大幅减小，抽采浓度显著上升。 本文通过构建钻孔围岩破坏模型得到其应力及塑性破坏分布规律，结合流固耦合抽采模型研究钻孔抽采漏气变化规律及影响因素，针对孔群围岩裂隙漏气严重的问题研发封堵材料，建立孔群注浆模型筛选出不同钻孔间距条件的最优封孔工况并验证其漏气封堵效果。
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