松軟突出煤層鉆孔護壁力學(xué)作用機理分析

摘要：為了解決松軟突出煤層鉆進問題，提高鉆進深度，為了有效阻止松軟煤層抽采鉆孔塌孔的情況，在討論了不同鉆孔護壁方法的技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合彈塑性“圍巖-支護”理論，建立鉆孔護壁力學(xué)模型，采用數(shù)值分析的方法，分析鉆孔在不同內(nèi)壓條件下，鉆孔周圍煤體應(yīng)力、變形量變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，伴隨孔壁內(nèi)壓增大，鉆孔變形量呈減小趨勢，最大主應(yīng)力σ 1峰值位置左移，塑性松動區(qū)呈縮小趨勢；次主應(yīng)力σ 3對應(yīng)曲線整體上移，鉆孔周邊的應(yīng)力集中現(xiàn)象有增長趨勢。通過鉆孔護壁力學(xué)作用機理分析，應(yīng)用鉆孔護壁技術(shù)，可有效減小或阻止鉆孔變形，預(yù)防塌孔，保證鉆孔的最大排渣空間，有利于施工較深的瓦斯抽采鉆孔。

關(guān)鍵詞：鉆孔護壁；松軟煤層；瓦斯抽采

中圖分類號：TD823.82文獻標(biāo)志碼：A

[WT]文章編號：1672-1098（2012）04-0050-06

作者簡介：王永龍（1980-），男，河北承德人，在讀博士，從事瓦斯抽采及其關(guān)鍵裝備方面的研究。

本煤層深孔鉆進技術(shù)是井下瓦斯抽采的關(guān)鍵技術(shù)之一。鉆孔深度決定著瓦斯抽采的范圍和效率，同時也間接影響回采的效率。由于我國煤層條件復(fù)雜多變，本煤層深孔鉆進的難易程度差別很大，有很多技術(shù)難題和技術(shù)矛盾并沒有得到根本解決。在我國，河南平煤集團、鄭煤集團、義煤集團，山西晉煤集團、陽煤集團，安徽淮南礦業(yè)集團，許多礦區(qū)煤層為松軟突出煤層，煤堅固性系數(shù)為0.2～0.5，煤體松軟，且瓦斯壓力波動較大，施工鉆孔難度大。在施工過程中，鉆孔在地應(yīng)力、瓦斯壓力和鉆桿擾動力的作用下，鉆孔變形量大，在鉆孔深部易出現(xiàn)塌孔，卡鉆、斷鉆事故頻發(fā)，嚴重影響鉆進深度和鉆進效率。

多年來，國內(nèi)外科研人員進行了各種技術(shù)途徑的研究，取得了一些成果。鉆機方面，引進了國外的千米鉆機[1]；國內(nèi)鉆機逐步趨于大扭矩，如ZDY3200、ZDY4000、ZDY6000等系列鉆機[2]；同時，近幾年煤炭科學(xué)研究總院西安研究院開發(fā)研制了ZDY6000LD（A）型履帶式全液壓千米定向鉆機[3]。鉆具方面，先后提出扒孔降溫鉆具[4-5]、低螺旋鉆桿[6-7]和三棱鉆桿[8]。上述鉆進裝備方面的研究，對于提高松軟煤層鉆進深度，緩解松軟煤層的鉆進問題具有一定的推動作用。

為解決松軟突出煤層的鉆進難題，科研人員將鉆孔護壁技術(shù)應(yīng)用于松軟煤層鉆進，如研制套管，配合鉆機，實現(xiàn)跟管鉆進；應(yīng)用保壓鉆進技術(shù)，在孔內(nèi)形成高壓流體，即，孔壁形成內(nèi)壓，預(yù)防塌孔；在鉆進過程中，向孔壁噴涂泥漿，提高孔壁強度等系列措施。

上述系列鉆孔護壁措施，其根本原理是在鉆孔內(nèi)壁形成預(yù)防鉆孔塌孔的內(nèi)壓，因此，鉆孔護壁技術(shù)中孔壁內(nèi)壓是一個極為重要的參數(shù)。本文通過系統(tǒng)分析常用鉆孔護壁技術(shù)的原理，基于彈塑性“圍巖-支護”體系理論分析，建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型；通過設(shè)置不同的鉆孔內(nèi)壓，對比分析鉆孔孔壁施加內(nèi)壓后，對鉆孔變形、應(yīng)力的影響，讓工程技術(shù)人員更加清晰的認識鉆孔護壁技術(shù)的作用機理，同時，也可為鉆孔護壁技術(shù)提供可參考的技術(shù)參數(shù)及分析方法。

1常用鉆孔護壁技術(shù)

根據(jù)常用鉆孔護壁技術(shù)特點，將鉆孔護壁技術(shù)分為主動式鉆孔護壁和被動式鉆孔護壁。

1.1主動式鉆孔護壁方法

主動式鉆孔護壁，是指成孔與鉆孔護壁同步進行。

1）國外專用套管鉆機。主動式鉆孔護壁方法的應(yīng)用較早，同時應(yīng)用也較為廣泛。國外套管鉆機的研制與應(yīng)用也是套管護壁技術(shù)的一種體現(xiàn)，套管鉆機為法國貝諾脫首創(chuàng)，隨后在日本、英國等國引進并改進，已有60多年的歷史。套管鉆機主要應(yīng)用于鉆孔灌注樁的各類施工，但也有應(yīng)用于煤礦鉆孔施工的，如日本太平洋興發(fā)株式會社研制的雙重管鉆機，2004年該鉆機在鶴煤業(yè)集團六礦進行了試驗。該鉆機的原理是：套管護孔鉆進，鉆屑由套管與鉆桿之間的夾層排出，防止鉆孔塌孔和堵塞。在本煤層打鉆的過程，由于地質(zhì)構(gòu)造（斷層、構(gòu)造煤）的因素使得深孔鉆進難以實現(xiàn)，多數(shù)鉆孔深度50～100m。該鉆機配套設(shè)備龐大，需要較大鉆場，難以適應(yīng)井下條件，鉆套去除困難，鉆進工藝復(fù)雜，鉆進效率偏低。

2）國內(nèi)跟管鉆進技術(shù)。在我國，松軟突出煤層，煤體松散，鉆孔變形嚴重，施工時鉆孔隨鉆隨垮，出現(xiàn)卡鉆、抱鉆等鉆孔事故，鉆孔長度難以達到設(shè)計要求，無法實現(xiàn)成孔退鉆后，再下套管護孔?？紤]到頂鉆、卡鉆只在塌孔地段發(fā)生，如在該區(qū)段內(nèi)考慮拖埋護孔鋼管或塑料管，就能防止噴孔塌孔后鉆孔堵塞。湖南省煤炭科學(xué)研究所研制了采用拖動式下套管方式，有針對性地對煤孔縮徑區(qū)段進行下套護孔[9]，通過工業(yè)性試驗取得了不錯的效果。

3）孔內(nèi)水壓護壁技術(shù)?？變?nèi)水壓護壁技術(shù)主要應(yīng)用于鉆進工程中，在鉆孔中通入一定壓力的水或泥漿，即可排出鉆屑，同時可預(yù)防孔壁失穩(wěn)形成塌孔。文獻[10]提出突出煤層保壓鉆進切縫設(shè)備及其方法可以防止在鉆進過程中發(fā)生噴孔或者塌孔，實現(xiàn)松軟突出煤層深孔鉆進。

1.2被動式鉆孔護壁方法

被動式鉆孔護壁的重要技術(shù)特點是先成孔，后護壁。鉆孔完成后，通過鉆桿內(nèi)部向已成孔的煤層中下入篩管，篩管為鋼管或塑料管（鋼化管），防止煤層塌孔后鉆孔堵塞。延長瓦斯的抽采時間。下篩管的方法有兩種：一種是鉆孔打到位后，先起出鉆桿再下套管；另一種是從鉆桿內(nèi)直接下套管。鉆桿內(nèi)直接下套管近幾年應(yīng)用較為廣泛，具體方法是鉆孔到達預(yù)定孔深后，將抗靜電阻燃可碎性篩管通過大通孔鉆桿的內(nèi)孔下到鉆孔內(nèi)，并將鉆頭頂脫，然后將鉆桿提出孔外，將篩管留在孔內(nèi)并成為瓦斯排出煤層或抽采瓦斯的通道[11]。

該方法也可歸類于護壁技術(shù)的應(yīng)用，是被動式鉆孔護壁方法最為被動的一種方式，由于不能與鉆進過程同步，因此，它只能是鉆孔施工完成后，為防止鉆孔變形量過大造成塌孔而影響瓦斯抽采，也就是說它對于后期抽采具有不錯的效果，但對于成孔過程遇到的卡鉆、塌孔無任何預(yù)防作用。

綜上分析，無論主動式鉆孔護壁方法，還是被動式鉆孔護壁方法，其基本原理都是通過在鉆孔內(nèi)部加支撐管或直接加內(nèi)壓形式，由于采取的方式不同，內(nèi)壓形成的時間和方式有所不同，支撐管對孔壁形成的支護壓力，時間上滯后于鉆孔變形，直接加內(nèi)壓形式可與鉆進同步，但需要解決的技術(shù)問題較多。

2鉆孔護壁力學(xué)模型

2.1基本假設(shè)

瓦斯抽采鉆孔可視為微型圓形巷道，基于鉆孔護壁原理及其采用的技術(shù)手段，相當(dāng)于在鉆孔內(nèi)壁形成內(nèi)壓，減少或阻止鉆桿變形的進一步擴大。設(shè)煤層圍巖為均質(zhì)，各向同性彈塑性材料服從Mohr-Coulomb強度準(zhǔn)則。鉆孔斷面為圓形，且鉆孔沿軸向長度較長，當(dāng)埋深遠大于或等于20倍開挖巷道半徑時，可忽略巷道影響范圍內(nèi)巖石的重力，從而可將此開挖問題簡化為平面應(yīng)變模型進行分析[12-13]。

2.2鉆孔模型的彈塑性分析

鉆孔成孔后，由于應(yīng)力重新分布，鉆孔周圍煤巖中形成塑性區(qū)和彈性區(qū)，在考慮內(nèi)壓的情況下，可應(yīng)用彈塑性支護理論，將“支護-圍巖”作為一個體系，通過對圍巖的彈塑性分析，獲得圍巖應(yīng)力、變形和塑性區(qū)半徑的計算方法[14]（見圖1）。

隨著距孔壁距離增大，徑向應(yīng)力σ r由零逐漸增大，應(yīng)力狀態(tài)由孔壁的單向應(yīng)力狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為雙向應(yīng)力狀態(tài)，圍巖也就由塑性狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為彈性狀態(tài)。圍巖中形成塑性區(qū)1、2，彈性區(qū)3，原巖應(yīng)力區(qū)4。塑性區(qū)1為應(yīng)力降低區(qū)，一般稱之為“松動圈”，設(shè)其半徑為r c，塑性松動圈的出現(xiàn)，使圈內(nèi)一定范圍內(nèi)的應(yīng)力因釋放而明顯降低，而最大應(yīng)力集中由原來的洞壁移至塑性圈、彈性圈交界處，使彈性區(qū)的應(yīng)力明顯升高。塑性區(qū)2與彈性區(qū)3相當(dāng)于原巖應(yīng)力為應(yīng)力升高區(qū)，一般稱之為“承載區(qū)”。

1）塑性區(qū)應(yīng)力、位移求解方程。

2）彈性區(qū)與塑性區(qū)交界面應(yīng)力求解方程。

3）彈性區(qū)應(yīng)力、位移求解方程式（適用范圍：R p≤r≤∞）。

4）鉆孔壁應(yīng)力求解方程。塑性圈內(nèi)鉆孔壁圍巖重分布應(yīng)力與巖體天然應(yīng)力σ 0無關(guān)，而取決于巖體強度c、φ值，其求解方程為

3鉆孔護壁力學(xué)原理數(shù)值計算

3.1計算模型及材料參數(shù)

基于彈塑性“支護-圍巖”體系理論分析，采用有限元方法，對鉆孔開挖進行數(shù)值計算。設(shè)鉆孔平均直徑為0.2m，煤層埋深為600m?；阢@孔護壁原理，通過在鉆孔內(nèi)壁設(shè)置內(nèi)壓的形式進行數(shù)值計算，鉆孔內(nèi)壁設(shè)置內(nèi)壓方式為kγH，k為內(nèi)壓系數(shù)，γH為原始地應(yīng)力。

本計算建立k=0.12、k=0.08、k=0.04、k=0.01、k=0五種模型（見圖2）。

3.2內(nèi)壓作用機理初步分析

首先將圖2b和圖2e計算結(jié)果進行對比分析，即考慮有內(nèi)壓和無內(nèi)壓時，孔壁變形量、應(yīng)力變化情況。

為分析鉆孔在不同內(nèi)壓作用下，鉆孔變形及應(yīng)力變化情況（見圖3），將OA線作為計算結(jié)果數(shù)據(jù)提取觀測線，起點為O，終點為A。

鉆孔變形量、應(yīng)力沿觀測線長度變化趨勢如圖4所示。坐標(biāo)以鉆孔中心為坐標(biāo)圓點，沿鉆孔觀測線長度方向，對照圖2鉆孔周圍彈塑性應(yīng)力分布，同樣分為四個區(qū)域：Ⅰ塑性松動區(qū)、Ⅱ塑性承載區(qū)、Ⅲ彈性承載區(qū)和Ⅳ原巖應(yīng)力區(qū)。鉆孔周邊虛線代表當(dāng)k=0時鉆孔周圍彈塑性應(yīng)力分布區(qū)域，實線表示當(dāng)k=0.08時鉆孔周圍彈塑性應(yīng)力分布區(qū)域。

孔壁施加內(nèi)壓后，基于圖4結(jié)果，進行如下分析：

1）內(nèi)壓系數(shù)由k=0到k=0.08，塑性松動區(qū)Ⅰ與塑性承載區(qū)Ⅱ交界線、塑性承載區(qū)Ⅱ與彈性承載區(qū)Ⅲ交界線由虛線位置收縮到實線位置，在孔壁內(nèi)壓作用下，塑性松動區(qū)呈縮小趨勢，最大主應(yīng)力σ1的初值上移增大，峰值位置左移。

2）內(nèi)壓系數(shù)由k=0到k=0.08，次主應(yīng)力σ3的初值上移增大，在鉆孔周邊的應(yīng)力區(qū)域，σ3對應(yīng)曲線整體上移。

3）內(nèi)壓系數(shù)由k=0到k=0.08，孔壁最大變形量減小了接近1倍，沿觀測線長度方向鉆孔變形量逐漸減小。

3.3孔壁變形量、應(yīng)力變化規(guī)律分析

1）鉆孔變形量。鉆孔變形量沿觀測線長度變化趨勢如圖5所示。當(dāng)k=0時，即，未采取孔壁支護技術(shù)，孔壁變形量達到最大值，煤孔的變形量接近4.5mm，根據(jù)鉆孔的對稱性，鉆孔底部凸起變形也將達到4.5mm，排渣空間平均高度縮小9mm，由于鉆孔空間縮小，排渣阻力增大，易出現(xiàn)鉆孔堵塞、卡鉆等現(xiàn)象，使鉆進難以進行；當(dāng)在鉆孔內(nèi)壁加內(nèi)壓時，隨著內(nèi)壓的逐漸增大，鉆孔壁的變形量逐漸縮小，這也證明采用鉆孔護壁技術(shù)，可有效的減小或阻止鉆孔變形量，保證鉆孔上部有較大的排渣空間，相應(yīng)保障了排渣順暢。

2）鉆孔應(yīng)力分析。提取最大主應(yīng)力σ 1沿觀測線OA的應(yīng)力值（見圖6），σ 1在本計算中為切向應(yīng)力，伴隨孔壁內(nèi)壓逐漸增大，即內(nèi)壓系數(shù)由k=0

增長到k=0.12，最大主應(yīng)力曲線整體向鉆孔中心線移動。隨著孔壁內(nèi)壓增大，鉆孔周邊最大主應(yīng)力峰值也呈增大趨勢，可見，隨著內(nèi)壓的增大，塑性承載區(qū)Ⅱ與彈性承載區(qū)Ⅲ交界處的應(yīng)力集中程度也明顯增高。

通過提取次主應(yīng)力σ 3沿觀測線OA的應(yīng)力變化對比圖（見圖7），σ 3在本計算中為徑向應(yīng)力，伴隨孔壁內(nèi)壓逐漸增大，σ 3曲線整體上移。在鉆孔的內(nèi)壁，當(dāng)k=0時，孔壁的徑向應(yīng)力為0，伴隨孔壁內(nèi)壓逐漸增大，孔壁的徑向應(yīng)力值與內(nèi)壓值相等，結(jié)合圖7，這與式（10）的理論計算結(jié)果保持一致。

3）鉆孔塑性范圍分析。當(dāng)孔壁未施加內(nèi)壓時，即當(dāng)k=0

時，鉆孔周邊屈服百分比為100%，表明該范圍之內(nèi)，煤體受剪切破壞或拉伸破壞影響，形成塑性松動區(qū)（見圖8），未施加內(nèi)壓時，形成的松動圈半徑約為0.3m，從該位置向煤體深處延伸，煤體的屈服百分比逐漸降低，即煤體進入塑性承載區(qū)，到接近0.4m處，屈服百分比為0，表明煤體由塑性承載區(qū)向彈性過渡。當(dāng)孔壁內(nèi)壓逐漸增大時，鉆孔周邊的塑性松動區(qū)半徑逐漸減小，當(dāng)k=0.12時，塑性松動區(qū)半徑已縮小到0.2m以內(nèi)。

4結(jié)論

1）基于彈塑性“圍巖-支護”體系理論，結(jié)合Mohr-Coulomb強度準(zhǔn)則，對鉆孔開挖進行數(shù)值計算，通過設(shè)置不同的鉆孔內(nèi)壓，對比分析鉆孔孔壁施加內(nèi)壓后，對鉆孔變形、應(yīng)力的影響。計算結(jié)果表明鉆孔孔壁施加內(nèi)壓后，伴隨孔壁內(nèi)壓增大，可有效減小鉆孔變形量，本計算中，鉆孔變形量減小了近1倍；塑性松動區(qū)呈縮小趨勢，最大主應(yīng)力σ 1的初值上移增大，峰值位置左移；次主應(yīng)力σ 3對應(yīng)曲線整體上移，鉆孔周邊的應(yīng)力集中現(xiàn)象有增長趨勢，且應(yīng)力集中區(qū)域向鉆孔中心靠近。

2）孔壁施加內(nèi)壓后，通過對鉆孔周邊變形量的分析可知，采取鉆孔護壁技術(shù)方案后，當(dāng)采用的方案能夠在孔壁形成主動內(nèi)壓時，可有效減小鉆孔變形量，預(yù)防塌孔，保證鉆孔的最大排渣空間，有利于施工較深的瓦斯抽采鉆孔；當(dāng)采用的方案未能在孔壁形成主動內(nèi)壓時，也可預(yù)防鉆孔松動區(qū)失穩(wěn)并形成塌孔，有利于后期的瓦斯抽采。

3）孔壁施加內(nèi)壓后，通過對鉆孔周邊σ 1、σ 3變化規(guī)律的分析可知，在實際工程中，采取鉆孔護壁技術(shù)后，鉆孔周邊的應(yīng)力分布發(fā)生了明顯的變化，內(nèi)壓越大，在鉆孔周邊的應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯，考慮鉆孔周邊煤體流變效應(yīng)，如采用套管護孔時，套管材料要有一定的耐壓能力，同時要有一定的韌性，不宜采用脆性材料。因此，結(jié)合實際煤層地質(zhì)條件，匹配最佳護壁方案，可采用本文闡述的分析手段，計算鉆孔形成后的應(yīng)力分布特點，根據(jù)計算結(jié)果科學(xué)的選擇護孔方案及材料。

4）對于較為松軟煤體，鉆孔形成后，鉆孔未采取鉆孔護壁技術(shù)方案時，鉆孔周邊煤體存在著較大范圍的松動區(qū)，該區(qū)域的煤體，在外界擾動作用下，隨時有可能發(fā)生失穩(wěn)、塌孔，影響鉆孔或后期瓦斯抽采，因此，深入開展松軟煤層瓦斯抽采護孔技術(shù)，具有重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻：

[1]林柏泉，李慶釗，楊威，等.基于千米鉆機的“三軟”煤層瓦斯治理技術(shù)及應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報，2011，36（12）：1968-1973.

[2]姚寧平，殷新勝，姚克.ZDY4000S型全液壓鉆機及救援鉆孔配套鉆具的研制[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2005，33（4）：70-72.

[3]方鵬，田宏亮，鄔迪，等.ZDY6000LD（A）型履帶式全液壓定向鉆機及其應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探，2011，39（2）：74-77.

[4]孫玉寧.突出煤層扒孔降溫鉆具及其鉆進方法：中國，CN101131069[P].2008-02-27.

[5]王永龍，翟新獻，孫玉寧.刻槽鉆桿應(yīng)用于突出煤層鉆進的合理參數(shù)研究[J].煤炭學(xué)報，2011，36（2）：304-307.

[6]王永龍，孫玉寧，翟新獻，等.松軟突出煤層新型鉆進技術(shù)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，2012，29（2）：289-294.

[7]孫玉寧，王永龍，翟新獻，等.松軟突出煤層鉆進困難的原因分析[J].煤炭學(xué)報，2012，37（1）：117-121.

[8]凌標(biāo)燦，戴世鑫，曹承平，等.三棱鉆桿在中軟煤層順層瓦斯抽排鉆孔的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37（10）：44-46.

[9]周松元，趙軍，劉學(xué)服，等.嚴重噴孔松軟煤層成孔工藝與裝備研究[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，26（4）：11-16.

[10]劉玉洲，孫玉寧.突出煤層保壓鉆進切縫設(shè)備及其方法：中國，200510059889.1[P].2009-02-18.

[11]殷新勝，凡東，姚克，等.松軟突出煤層中風(fēng)壓空氣鉆進工藝及配套裝備[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37（9）：72-74.

[12]尤明慶.巖石強度準(zhǔn)則的數(shù)學(xué)形式和參數(shù)確定的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29（11）：2173-2184.

[13]張黎明，王在泉，石磊.硬質(zhì)巖石卸荷破壞特性試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30（10）：2012-2018.

[14]趙陽升，郤保平，萬志軍，等.高溫高壓下花崗巖中鉆孔變形失穩(wěn)臨界條件研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（5）：865-874.

[15]姚向榮，程功林，石必明.深部圍巖遇弱結(jié)構(gòu)瓦斯抽采鉆孔失穩(wěn)分析與成孔方法[J].煤炭學(xué)報，2010，35（12）：2073-2081.

[16]申衛(wèi)兵，張保平.不同煤階煤巖力學(xué)參數(shù)測試[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2000（S1）：860-862.

（責(zé)任編輯：何學(xué)華，吳曉紅）