含瓦斯软煤钻孔塌孔机制及多孔材料填充护孔特性

针对高地应力软煤钻进扰动下钻孔塌孔和成孔后钻孔稳定性问题，本研究本节分析了软煤钻进时钻头切削体与煤岩体之间的接触应力分布。实验分析了钻进动载荷作用下松软煤体的应力应变特性，开展了动载荷作用下软煤单轴、三轴压缩实验，得到了煤体塑性、屈服及失稳发生的条件参数；考虑了孔隙压力沿钻孔径向的非线性分布特征，结合有效应力原理以及围岩非线性孔隙压力分布特征，基于软煤破坏特征的广义Hoke-Brown强度准则作为软煤破坏判据，对钻孔弹性区和塑性区应力进行了理论推导，得到了钻进动载荷影响下钻孔坍塌失稳的力学模型，分析了地质强度指标GSI、软煤钻进动载荷扰动系数D、应力不均衡系数λ、原始瓦斯压力对煤层钻孔稳定性的影响，引用参数R/D对钻孔稳定性等级划分。结合案例计算结果表明，地质强度指标GSI和应力不均衡系数λ是影响钻孔稳定的关键因素。钻孔周围瓦斯压力梯度变化，对抽采钻孔的稳定性影响不应被忽略；实验研究了三轴应力下含瓦斯软煤分级加载蠕变变形特性，考虑到软煤在蠕变各个阶段的特征，并引入损伤变量对软煤的粘性系数进行修正，建立了软煤粘弹塑性非线性蠕变本构模型，并推导出该模型的三维蠕变本构方程。以该模型为基础，借助数值模拟的方法分析了裸孔、不同强度充填支护后钻孔的稳定性；搭建了多孔材料充填体压缩-渗流实验平台，实验测试了聚苯乙烯(EPS)泡沫、聚氨酯（PU）泡沫、聚丙烯（EPP）泡沫四种不同充填强度材料颗粒体的压缩应变-渗流特性，测试了四种材料不同粒径充填体、多粒径1:1体积比混合、不同材质组合颗粒充填体的抽采导流能力变化规律，分析了在钻孔变形应力加载条件下不同几何特征尺度、充填强度、加载量对充填体导流能力的影响，为实际工程技术应用提供最佳工艺参数。 2100433B

我国53.3%以上的煤矿赋存有松软高瓦斯煤层，是煤与瓦斯突出事故易发、频发的主要区域。松软煤层瓦斯治理非常困难，目前主要依靠井下钻孔抽采，但是软煤钻孔存在钻进难、易变形、易塌孔等技术难题，亟需研究解决高地应力作用和钻进扰动下含瓦斯软煤钻孔变形垮塌机制这一关键课题。本项目基于软煤的应力应变关系，提出含瓦斯软煤的破坏准则，建立钻进动载荷影响下钻孔坍塌失稳的力学模型，定量分析钻孔稳定性与钻进载荷、瓦斯渗流和地应力的关系，揭示钻进扰动下含瓦斯软煤钻孔塌孔机制。提出气力输送多孔材料颗粒填充钻孔的新护孔方法，分析颗粒材料孔内渗流特征和支撑孔壁的力学响应，研究多孔材料充填对钻孔稳定性的影响规律，揭示煤层瓦斯渗流、地应力和支护应力耦合作用下软煤钻孔形变的时空演化规律。研究成果可为我国松软煤层矿区瓦斯抽采钻进工程提供科学指导。

相对连续介质材料而言, 多孔材料一般具有相对密度低、比强度高、比表面积高、重量轻、隔音、隔热、渗透性好等优点。具体来说, 多孔材料一般有如下六种特性:

多孔材料机械性能

应用多孔材料能提高强度和刚度等机械性能, 同时降低密度, 这样应用在航天、航空业就有一定的优势, 据测算, 如果将飞机改用多孔材料, 在同等性能条件下, 飞机重量减小到原来的一半。应用多孔材料另一机械性能的改变是冲击韧性的提高, 应用于汽车工业能有效降低交通事故对乘客的创造伤害。

多孔材料传播性能

波传播至两种介质的界面上时, 会发生反射和折射。由于多孔的存在, 增多了反射和折射的可能, 同时衍射的可能也增多了。所以多孔材料能起到阻波的作用。利用这种性质, 多孔材料可以用作隔音材料、减振材料和抗爆炸冲击的材料。

多孔材料光电性能

多孔材料具有独特的光学性能, 微孔的多孔硅材料在激光的照射下可以发出可见光, 将成为制造新型光电子元件的理想材料。多孔材料的特殊光电性能还可以制出燃料电池的多孔电极, 这种电池被认为是下一代汽车最有前途的能源装置。

多孔材料渗透性

由于人们已经能制造出规则孔型而且排列规律的多孔材料,并且, 孔的尺寸和方向已经可以控制。利用这种性能可以制成分子筛, 比如高效气体分离膜、可重复使用的特殊过滤装置等。

多孔材料吸附性

由于每种气体或液体分子的直径不同, 其运动的自由程度不同, 所以不同孔径的多孔材料对不同气体或液体的吸附能力就不同。可以利用这种性质制作出用于空气或水净化的高效气体或液体分离膜, 这种分离膜甚至还可重复使用。

多孔材料化学性能

多孔材料由于密度的变小, 一般材料的活性都将增加。基于具有分子识别功能的多孔材料而产生的人造酶, 能大大提高催化反应速度。

含一定数量孔洞的固体叫多孔材料，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成。典型的孔结构有一种是由大量多边形孔在平面上聚集形成的二维结构，由于其形状类似于蜂房的六边形结构而被称为“蜂窝”材料。

更为普遍的是由大量多面体形状的孔洞在空间聚集形成的三维结构，通常称之为“泡沫”材料。有的文献把孔隙率充分的叫多孔材料，大于多孔材料孔隙率的叫泡沫材料。而从大量的国内外文献来看，称为泡沫材料的孔隙率并未大于多孔材料的孔隙率，如熟知的泡沫铝，其孔隙率往往低于多孔材料的孔隙率，有的文献把孔隙率较低的叫泡沫材料，还有的文献则认为，由于该材料最初采用发泡法制备，曾称之为发泡材料，以后发展了渗流等制备法，称之为通气性材料，更合适的名称应为多孔 泡沫材料，简称多孔材料或泡沫材料。总之，没有一个统一、严格、公认的定义。多数学者将多孔材料和泡沫材料视为等同概念。 多孔材料在自然界中普遍存在如木材、软木、海绵和珊瑚等(“cellulose”这个词就来源于意为“充满小孔的”拉丁小词“cellula”）。

千百年来，这些天然的多孔材料被人们广泛利用。在多年前的古埃及金字塔中就已经使用了木制建材在罗马时代软木就被用作酒瓶的瓶塞。近代人们开始自己制造多孔材料，其中最简单的是由大量相似的棱形孔洞组成的蜂窝状材料，可用作轻质构件。更常见的是高分子泡沫材料，其用途广泛，可用于小到随处可见的咖啡杯，大到飞机坐舱的减震垫。现代技术的发展使得金属、陶瓷、玻璃等材料也能像聚合物那样发泡。这些新型泡沫材料正逐渐地被用作绝缘、缓冲、吸收冲击能量的材料，从而发挥了其由多孔结构决定的独特的综合性能。

上面按孔径尺寸分类的方法源国际纯化学及应用化学组织，为推动多孔材料的研究，推荐了上述专门术语。按照孔径大小的不同，多孔材料又可以分为微孔（孔径小于2 nm ）材料、介孔（孔径 2-50 nm ）材料和大孔（孔径大于50 nm ）材料。