對高瓦斯以及煤與瓦斯突出的松軟煤層,由于其存在透氣性差、瓦斯壓力高等特點,瓦斯鉆孔作業難度非常大,在鉆孔深部位置,經常發生塌孔、丟鉆等事故。鉆進效率和成孔率低等問題,大大限制了松軟煤層瓦斯的預抽效果,因而對松軟煤層瓦斯鉆孔鉆具及成孔技術的研究具有深遠意義。本文依托山西省重點研發計劃松軟煤層瓦斯鉆孔本構關系和管內輸運控制特征方程研究項目,對松軟煤層鉆孔配套鉆桿及成孔技術進行研究。從探究松軟煤層性質開始,對比了各種接頭連接和鉆桿排粉特點;針對瓦斯鉆機鉆孔效率低等問題,設計了一種適用于松軟煤層的雙動力快速螺旋鉆桿連接結構,采用CATIA建立模型,利用ABAQUS針對公母接頭做了拉力特性仿真模擬,可知承受拉力時公母接頭圓孔處應力最大,公接頭圓孔處最大應力為460.4MPa,母接頭圓孔處最大應力是627.8MPa,均處于安全范圍;通過分析水平鉆孔過程中螺旋鉆桿排渣機理,確定了影響排粉效率的關鍵參數,利用MATLAB優化工具箱對螺旋鉆桿參數進行優化,在此基礎上,采用EDEM軟件對輸煤過程進行仿真分析,并設計實驗方案對鉆桿排粉模擬結果進行驗證;通過對鉆孔失穩機理的分析,建立蠕變煤層與套管相互作用力學模型,并利用ABAQUS有限元軟件對鉆孔穩定性進行了數值仿真分析,對比松軟煤層在有無水泥環和套管作用下的蠕變情況,得出水泥環和套管對煤孔的穩定性會產生積極的影響,當鉆孔直徑為(?)85mm時,套管和孔壁應力較小的結論。
【學位單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TD712.63
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 國內外研究現狀
        1.2.1 鉆孔技術發展
        1.2.2 鉆孔變形及穩定性研究現狀
    1.3 研究內容及技術路線
        1.3.1 研究內容
        1.3.2 技術路線
    1.4 本章小結
第二章 松軟煤層及配套鉆具分析
    2.1 松軟煤層特征
    2.2 松軟煤層鉆孔問題及成因
    2.3 配套鉆具分析
        2.3.1 鉆桿接頭分析
        2.3.2 配套鉆桿
        2.3.3 鉆桿排粉工藝分析
    2.4 本章小結
第三章 鉆桿接頭結構設計及仿真分析
    3.1 鉆桿接頭結構設計及工作原理
        3.1.1 鉆桿接頭結構設計
        3.1.2 雙動力鉆桿接頭的密封結構
        3.1.3 雙動力鉆桿接頭的工作原理
    3.2 鉆桿接頭連接有限元分析
        3.2.1 ABAQUS有限元軟件介紹
        3.2.2 等效模型的建立
        3.2.3 材料參數的定義
        3.2.4 模型網格劃分
        3.2.5 邊界條件和載荷施加
        3.2.6 有限元結果分析
    3.3 鉆桿接頭受拉力學實驗
    3.4 本章小結
第四章 螺旋鉆桿排粉的研究
    4.1 螺旋鉆桿輸煤機理
    4.2 螺旋鉆桿參數優化
        4.2.1 建立目標函數
        4.2.2 建立約束條件
        4.2.3 螺旋鉆桿參數優化數學模型
        4.2.4 基于MATLAB優化算法及求解
    4.3 螺旋鉆桿EDEM有限元仿真分析
        4.3.1 EDEM理論分析
        4.3.2 螺旋鉆桿模型
        4.3.3 煤顆粒模型
        4.3.4 仿真參數的設置
        4.3.5 邊界條件
        4.3.6 仿真結果分析
    4.4 螺旋鉆桿排粉實驗
        4.4.1 實驗目的
        4.4.2 實驗設備
        4.4.3 實驗平臺設計
        4.4.4 實驗過程
        4.4.5 實驗結果分析
        4.4.6 實驗結論
    4.5 本章小結
第五章 松軟煤層鉆孔蠕變的數值模擬
    5.1 鉆孔失穩分析
        5.1.1 鉆孔失穩機理
        5.1.2 鉆孔失穩特征
        5.1.3 鉆孔的蠕變變形分析
        5.1.4 鉆孔多應力耦合失穩分析
    5.2 蠕變煤層套管力學模型
    5.3 鉆孔蠕變有限元分析
        5.3.1 有限元模型
        5.3.2 單煤體有限元模型
        5.3.3 組合體有限元模型
    5.4 本章小結
第六章 結論及展望
    6.1 結論
    6.2 展望
參考文獻
致謝
攻讀學位期間取得的研究成果

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本文編號：2893418