煤矿井下机械造穴卸压增透装置研究与应用_柴锡军.pdf
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1、第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0380前言矿井瓦斯抽采一直是我国区域性瓦斯治理和实现煤与瓦斯共采的关键技术。随着煤矿井下开采深度的增加,应力的增高,煤层渗透率进一步降低,进而导致钻孔抽采的有效影响范围更小,预抽钻孔工程量将更大,抽采效率更低。由于地质条件复杂,具有保护层开采的突出矿井越来越少,现有的瓦斯抽采技术无法有效解决低透气性煤层高效抽采的难题,近年来相关专家和学者研究出了一系列强化增透技术,如高压水射流割缝、水力冲孔、水力压裂、深孔预裂爆破等。这些技术都是
2、通过对煤体扰动,形成裂隙,扩大抽放孔的内表面积,从而增加煤层的透气性。但是都有一定的局限性,像设备成本高、工艺复杂、效率低等,难以推广应用。因此,研究一种方便快捷且适用范围更广的卸压增透技术具有重要的现实意义。1机械造穴装置研制钻孔瓦斯抽采浓度主要与钻孔直径、煤层渗透率、瓦斯压力等因素有关。机械造穴是利用旋转的机械刀臂来切割煤体,增大钻孔直径,扩大煤体自身的自由面,利用煤岩应力场进一步延展裂隙,增加煤层透气性,降低原始煤层瓦斯含量和瓦斯压力,从而提煤矿井下机械造穴卸压增透装置研究与应用柴锡军1,2,熊俊杰1,2,杨程涛1,2(1.河南能源化工集团研究总院有限公司,郑州450046;2.河南省低
3、渗突出煤层煤与瓦斯共采工程技术研究中心,郑州450046)摘要:为解决现有增透技术的局限性,研发一种新型机械造穴卸压增透装置,集打钻、造穴于一体,操作使用方便快捷,适用于各种硬度的煤层。通过对装置机构模型进行受力分析,得到驱动水压与刀臂展开角之间的关系。经过煤矿井下现场试验后,结果表明:机械造穴后钻孔瓦斯抽采浓度是普通水力冲孔钻孔瓦斯浓度的2.1倍,机械造穴钻孔平均瓦斯抽采浓度最高是普通水冲孔钻孔的2.4倍。实践应用表明,机械造穴措施使煤层卸压更充分,极大地增加了煤层的透气性,有效提高了煤层瓦斯抽采浓度,可以更好地消除煤层的突出危险性。关键词:机械造穴;动力学分析;现场试验;卸压增透;瓦斯抽采
4、中图分类号:TD713文献标志码:B文章编号:1008 8725(2023)02 163 04Research and Application of Pressure Releasing and PermeabilityImprovement Equipment for Mechanical Cavitations in UndergroundCoal MineCHAI Xijun1,2,XIONG Junjie1,2,YANG Chengtao1,2(1.Henan Energy and Chemical Industry Research Institute Group Co.,Ltd.,
5、Zhengzhou450046,China;2.HenanEngineering Research Center of Simultaneous Extraction of Coal and Gas with Low Permeability and Outburst Coal Seam,Zhengzhou 450046,China)Abstract:To solve the limitations of existing permeability improvement technology,developed a newtype of pressure releasing and perm
6、eability improvement equipment for mechanical cavitation.It setsdrilling,cavitation in one,and easy to operate and use.It is suitable for all kinds of hardness of coalseam.Through the dynamics analysis of the equipment,we get the relation between the driving waterpressure and the spreading angle of
7、cutter arm.After the field test,the results show that the gasdrainage concentration of mechanical cavitation is 2.1 times of the ordinary hydraulic punchingborehole,and the average gas concentration of mechanical cavitation is 2.4 times of the ordinaryhydraulic punching borehole.The mechanical cavit
8、ation makes the pressure relief of coal seam moresufficient,and greatly increased the permeability of the coal seam.The concentration of coal seam gasextraction is effectively increased,and better eliminate the outburst risk of coal seam.Key words:mechanical cavitations;dynamics analysis;field test;
9、pressure releasing and permeabilityimprovement;gas extraction163第42卷第02期煤矿井下机械造穴卸压增透装置研究与应用柴锡军,等Vol.42 No.02高瓦斯抽采量。机械造穴技术所需设备体积小,现场操作简单,可控性较好,并且相对于水力压裂、水力割缝、深孔爆破等技术措施,机械造穴技术是一种对煤层的扰动相对较小而效果比较好的一种增透措施,有着广阔的应用前景。为提高抽采效率,河南省逐步推广大直径机械造穴卸压增透技术,根据造穴方式,可分为机械造穴和水力造穴。但是水力造穴存在一定局限性,对设备密封性、压力等要求较高,并且难以满足不同硬度煤层
10、的需求。为解决上述问题,研制一种可变径机械造穴装置,通过调节供水水压,利用机械方式触发,不仅可以实现打钻、造穴一体化,而且适用于各种硬度的煤层,应用范围更广。1.1造穴装置的结构原理造穴装置整体结构如图1所示。图1造穴装置结构示意图1.钻头2.扩孔齿3.刀臂4.支撑杆5.定位块6.支撑底座7.后卡簧8.钻杆9.卡簧调整杆10.弹簧11.前卡簧12.钻具主体末端通过钻杆与钻机连接,在钻机扭矩和推力作用下不断旋转前进。到达造穴位置后,通过提高供水压力,在压力作用下,装置内部支撑底座克服弹簧压力移动,支撑杆推动刀臂展开,切割煤体进行造穴。造穴结束后,降低供水压力,支撑底座在弹簧作用下恢复原位,支撑杆
11、带动刀臂恢复初始位置,继续进行常规钻进。1.2造穴装置的力学分析根据装置的结构以及工作原理,在造穴过程中装置受力模型可简化为偏置曲柄滑块机构,如图2所示。图2装置受力模型示意图L1.曲柄长度,mm L2.连杆长度,mm e.偏心距.转速v.滑块横向速度其中曲柄AB为刀臂,滑块C为支撑底座,支撑杆BC为连杆。根据达朗贝尔原理,质点系中每一个质点在外力、内力、惯性力作用下处于平衡状态。由静力学平衡理论可知,空间任意力系平衡的充要条件是力系的主矢量对任意一点的主矩均为0,即:FiFFn=0M(Fi)+M(F)+M(Fn)=0(1)式中Fi质点系所有主动力,N;F质点系所有约束力,N;Fn质点系所有惯
12、性力,N;M(Fi)主动力矩,Nm;M(F)约束力矩,Nm;M(Fn)惯性力矩,Nm。针对上述偏置曲柄滑块机构,分别对曲柄AB、连杆BC以及滑块C进行受力分析,忽略铰链处摩擦力,则其受力分析如图3所示。(a)曲柄AB受力分析(b)连杆BC受力分析(c)滑块C受力分析图3机构受力分析图FAx与FAy,F1x与F1y,FBx与FBy,F2x与F2y,FCx与FCy.FA,F1,FB,F2,FC沿x轴和y轴向分量Fa1,Fa2.曲柄AB和连杆BC旋转所受离心力根据图3,将铰接处作用力FA,FB,FC以及曲柄和连杆所受惯性力F1,F2沿x轴和y轴分解,根据达朗贝尔原理,分别得到:(2)(3)水压驱动力
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