深井巷道底板小孔径锚固孔钻渣导升规律与孔壁自修复机理

Floor heave is one of the major technical problems for deep coal mine safety production, floor bolting is an effective way to control it, small diameter anchorage hole is the key factor of resonable "three diameters matching" for roadway floor bolting. There are some bottleneck problems when drilling small diameter anchorage holes, such as difficulty in deslagging, hole wall local failure and small drilling depth. Based on the domestically developed drilling system which consists of drill bit and deslagging drill pipes, the objects of this project are as follows: to study the characteristics and flow patterns of "liquid-cuttings mixed flow" when drilling small diameter anchorage holes in deep coal mine roadway floor, establish the transportation theoretical model of "liquid-cuttings mixed flow" in compound stress field and reveal the spiral guiding-lifting mechanism of "liquid-cuttings mixed flow" in the small diameter anchorage hole; to construct the relationship model between physical and mechanics parameters of self-repair shell and hole wall stability and clarify the mechanism of anchorage hole instability and self-repair of small diameter anchorage hole in deep coal mine roadway floor; to provide theoretical basis for drilling high quality small diameter anchorage holes in deep coal mine roadway floor.

巷道底臌问题是影响深部煤矿安全生产的重大技术问题之一，底板锚固是治理底臌的有效方法，小孔径锚固孔是巷道底板锚固合理三径匹配的关键要素。钻进巷道底板小孔径锚固孔时存在排渣困难、孔壁局部破坏、钻孔深度小等瓶颈问题。项目依靠自主研发的钻头、排渣钻杆组成的钻进系统，研究深井巷道底板小孔径锚固孔钻进生成的“液渣混合流”特征及流态，建立复合应力作用下“液渣混合流”运移特征理论模型，揭示小孔内“液渣混合流”螺旋导升机制；构建下向小孔径锚固孔内自修复壳体物理力学参数与孔壁稳定性关系模型，厘清深井巷道底板小孔径锚固孔失稳与自修复原理；为深井巷道底板高质量小孔径锚固孔钻进提供理论基础。

巷道底臌问题是影响深部煤矿安全生产的重大技术问题之一，底板锚固是治理底臌的有效方法，小孔径锚固孔是巷道底板锚固合理三径匹配的关键要素。钻进巷道底板小孔径锚固孔时存在排渣困难、孔壁局部破坏、钻孔深度小等瓶颈问题。项目系统研究了深井巷道底板小孔径锚固孔钻渣生成机理与尺寸分布特征，确定了合理的排渣方式，建立了底板锚固孔排渣“液渣混合流”运移特征理论模型，明晰了巷道底板锚固孔钻渣导升规律及其影响因素，研发了底板锚固孔高效排渣钻具，揭示了深井巷道底板小孔径锚固孔钻进过程中孔壁失稳机理，提出了底板锚固孔孔壁维护对策，取得的主要结论如下：. （1）PDC两翼式钻头破岩过程也是底板锚固孔钻渣分区域的生成过程，即孔底外围岩石切削破碎产生小粒径钻渣过程、中心岩柱扭转（受压）破坏产生大粒径钻渣过程两部分，钻渣平均尺寸随着岩石单轴抗压强度的增加而增加，随着钻头刀片间距的增加，大尺寸钻渣掺量增大。. （2）基于泵送条件下的正循环排渣较泵吸反循环排渣效率更高，在排渣过程中，钻渣在绕流阻力、浮力及自重作用下呈先减速而后类匀速的运动规律。. （3）四棱钻杆在排渣过程中表现出较好的工作性能。钻孔深度、钻渣粒径与排渣效果呈负相关，提高钻杆转速可提高倾斜钻孔钻渣聚集区域偏转速度，降低钻渣聚集程度，据此完成了高效排渣钻具的研发。. （4）扩径现象主要出现在软弱破碎岩层位置，应力状态对钻孔扩径影响较明显，钻进动力对扩径的程度影响并不明显，软弱夹层厚度对钻进过程中形成的扩径现象影响不明显，但对孔壁的整体稳定性影响较大。. （5）将研究成果进行了井下试验，取得了良好效果，可为深井巷道底板小孔径锚固孔钻进快速排渣，防止钻孔失稳，保证钻孔成孔质量，提供理论支持，对于保证煤矿的正常、安全生产具有重要的意义。