構造松軟煤層鉆孔失穩(wěn)機理研究現(xiàn)狀及問題剖析

邸晟鈞，李冬輝，叢 毅(.山西焦煤集團有限責任公司 技術中心，山西 太原 0004； .大同煤礦集團有限責任公司 技師學院，山西 大同 0700；.大同煤礦集團有限責任公司 馬脊梁礦，山西 大同 0700)

構造煤層俗稱軟煤，是指在構造應力作用下，煤體原生結構遭受破壞，煤層物理力學特征及瓦斯賦存條件發(fā)生改變的一類煤層[1]. 我國絕大部分的煤層均受到過不同程度的構造應力作用影響，因此構造煤層發(fā)育分布范圍較廣；特別是高瓦斯和突出煤層，煤層的構造作用更加明顯。由于構造煤層受構造作用的影響，其物理力學特征及瓦斯賦存條件與原生煤層存在很大不同，通常為煤與瓦斯突出事故和低透松軟煤層瓦斯難抽采的主要原因。目前，井下鉆孔瓦斯抽采是預防煤與瓦斯突出和煤層氣開發(fā)的主要途徑。但與原生結構煤層相比，構造煤層在鉆孔施工及瓦斯抽采過程中更易發(fā)生塌孔、縮頸等鉆孔失穩(wěn)現(xiàn)象；此外，隨著我國煤礦整體采深的不斷增加，高瓦斯、強構造煤層引發(fā)的安全及資源開發(fā)問題愈加凸顯，煤層瓦斯安全預抽、煤層氣高效開發(fā)利用等成為煤與瓦斯共采的主要制約因素。為此，國內學者對鉆孔失穩(wěn)機理及護孔技術等進行大量的研究，由于研究時間較短，雖然取得一定成果，但存在的問題也不能忽視。本文以前人研究成果為基礎，針對構造煤層鉆孔失穩(wěn)機理及鉆孔防護技術進行深入的分析，并總結分析其研究所存在的問題，為進一步的鉆孔失穩(wěn)研究提供指導意義。

1 松軟煤層鉆孔失穩(wěn)理論研究

目前，國內學者一致認為引起構造煤層鉆孔失穩(wěn)的主控因素包括：構造煤層物理力學特征、瓦斯賦存條件、巷道及鉆孔采動影響、鉆孔鉆進方式及鉆孔參數(shù)、人工操作等其它因素共同耦合作用。對于鉆孔失穩(wěn)的研究，陳志超[2]較早基于鉆探的小口徑鉆孔孔壁穩(wěn)定問題進行探討，分析得出造成孔壁坍塌掉塊或縮徑膨脹等不穩(wěn)定現(xiàn)象的原因主要有地層應力的作用、沖洗液的破壞、起下鉆時產生的壓力激動破壞及地質因素。蔣紅心[3]等人基于飽和軟土地層中的鉆孔孔壁的穩(wěn)定性分析，得出了鉆孔孔壁的穩(wěn)定性與土的內摩擦角有關，且與相對距離(d/a)2(d是計算點到鉆孔中心的距離,a是鉆孔半徑)成正比，并認為土的黏聚力及毛細吸力有利于孔壁的穩(wěn)定。梁運培[4]基于掘進工作面順層鉆孔應力分布特征及鉆孔鉆進采動應力的影響分析了地應力及采動應力的疊加作用對鉆孔周圍煤體的破壞，認為掘進工作面前方應力峰值強度后區(qū)域為鉆孔噴孔的頻發(fā)區(qū)，并分析了瓦斯對煤體的破壞屬孔裂隙瓦斯壓力作用下的拉伸破壞，當孔壁單元所受徑向空間有效拉應力超過煤體自身抗拉強度和摩擦阻力時，孔壁將發(fā)生失穩(wěn)破壞，從而可能進一步引發(fā)鉆孔噴孔和工作面突出。

王振等[5]通過建立基于最大拉應力破壞準則的孔底球殼模型及基于Mohr-Coulomb強度準則的鉆孔孔壁段圓柱球殼模型，研究了采掘工作面前方防突鉆孔的失穩(wěn)力學條件得出，采掘工作面前方卸壓區(qū)為易垮孔區(qū)，峰后應力集中區(qū)為垮孔和噴孔易發(fā)生區(qū)，而峰前應力集中區(qū)則發(fā)生噴孔概率降低。

Ping Qu等[6]通過時滯效應對煤層鉆孔穩(wěn)定性的影響得出，孔隙壓力變化與煤層存在大量割理是引起時滯效應的主要因素。翟成等[7]通過分析松軟煤層水力壓裂鉆孔失穩(wěn)得出，巷道圍巖應力及鉆孔二次采動應力是壓裂孔施工后孔壁弱結構易產生失穩(wěn)、破壞的主要原因。T.Meier等[8]通過實驗研究了鉆孔孔徑對黑頁巖鉆孔塌孔的影響，認為鉆孔尺度效應是其塌孔的主要原因。楊磊等[9]通過研究分析瓦斯抽采鉆孔周邊瓦斯流場及節(jié)理裂隙場，建立了瓦斯抽采鉆孔節(jié)理裂隙模型，研究得出，鉆孔失穩(wěn)是由瓦斯孔隙壓力和節(jié)理裂隙共同作用所致；同時得出，瓦斯抽采鉆孔失穩(wěn)在時間上的延遲效應內因是由于煤層節(jié)理裂隙的存在，外因則是該節(jié)理裂隙內瓦斯孔隙壓力的變化所引起的。韓穎等[10]認為鉆孔所處應力環(huán)境、煤體結構、孔隙壓力、鉆進速度是影響孔壁穩(wěn)定性的重要因素，并基于H-B準則，地質強度指標(GSI)與巖石斷裂學理論，建立了煤層鉆孔失穩(wěn)力學判據(jù)，認為只有滿足煤體發(fā)生強度破壞、裂紋在應力作用下逐步擴展、裂紋在瓦斯壓力作用下繼續(xù)擴展直至相互貫通這3個要素，Ⅱ-Ⅳ類煤層鉆孔孔壁才會發(fā)生失穩(wěn)；同時得出，卸壓帶易發(fā)生垮孔，峰后應力集中帶易發(fā)生噴孔、頂鉆，峰前應力集中帶鉆孔孔壁失穩(wěn)概率較低。

張森森等[11]基于鉆孔實際瓦斯抽采量與理論瓦斯抽采量的對比，建立了鉆孔有效長度與鉆孔總長度的y=a(1-e-bx) 數(shù)學模型，并依據(jù)此模型來判定鉆孔失穩(wěn)位置。

2 松軟煤層鉆孔失穩(wěn)機理數(shù)值研究

由于井下環(huán)境的局限性，鉆孔失穩(wěn)分析研究往往需要借助計算機進行數(shù)值模擬來實現(xiàn)，目前主要采用模擬軟件包括UDEC、FLAC3D、COMSOL等。其中，姚向榮等[12]根據(jù)丁集煤礦-910 m水平11-2回風平巷實測煤巖力學參數(shù)，采用大變形FLAC3D軟件模擬方法得到的抽采鉆孔圍巖二次采動應力彈、塑性分布特征與理論計算結果完全一致，并分析鉆孔失穩(wěn)條件得出，當測壓系數(shù)λ≠1時，鉆孔頂部、底部的孔壁位移量為兩側孔壁位移量的2倍；隨著λ的增大，鉆孔圍巖應力集中系數(shù)增加，鉆孔孔徑位移量增加，圍巖塑性區(qū)半徑增大，鉆孔穩(wěn)定性降低；同時得出，軟弱巖層中鉆孔二次采動影響及鉆孔孔壁位移量明顯大于堅硬巖層。Jincai Zhang[13]基于弱層理面的各向異性特征對鉆孔穩(wěn)定性分析模型進行改進，并且得出了滑移效應梯度，從而可用于指導模擬井筒滑動破壞與剪切破壞。

郝昌富等[14]基于鉆孔周圍煤體的力學特性，建立了考慮煤的塑性軟化和擴容特性的黏彈塑性模型，并利用COMSOL Multiphysics 對軟硬煤層初始時刻受力情況進行數(shù)值模擬認為，軟煤層鉆孔具有更好的卸壓效果，硬煤層鉆孔更易形成應力集中；軟硬煤層鉆孔均會隨時間發(fā)生縮孔現(xiàn)象，軟煤層鉆孔蠕變變形更為劇烈，更易發(fā)生鉆孔塌孔現(xiàn)象；而硬煤層鉆孔雖然存在縮頸現(xiàn)象，但不發(fā)生塌孔現(xiàn)象，但隨著深部應力的增大，蠕變變形開始加劇，鉆孔失穩(wěn)現(xiàn)象開始顯現(xiàn)。張飛燕等[15]以鉆孔周圍煤體為各項同性，測壓系數(shù)λ=1為基礎，建立了煤層鉆孔力學模型及數(shù)值模型，并通過UDEC數(shù)字模擬軟件對鉆孔周圍應力場、位移場分布及鉆孔失穩(wěn)破壞形式進行研究得出，煤層鉆孔主要以剪切破壞為主，孔壁處呈“V”狀破壞和小部分拉伸破壞，孔周煤體深部呈共軛的“X”狀剪切破壞。郝晉偉等[16]等基于鉆孔所處的多應力環(huán)境，利用Malab數(shù)值計算軟件對基于測壓系數(shù)λ=1，各向均質的煤層鉆孔周圍煤體彈塑性區(qū)應力峰值及范圍的影響進行研究分析得出，初始應力及采動半徑的增大或內聚力及內摩擦角的降低均會不同程度造成應力峰值或彈塑性區(qū)域的增大，從而增加鉆孔失穩(wěn)的概率及范圍，并提出了松軟煤層鉆孔多應力耦合分區(qū)失穩(wěn)理論。孟曉紅[17]基于線性孔隙彈性理論，針對水平及傾斜鉆孔，建立了鉆孔坍塌失效的線彈性模型，研究了鉆孔變形與鉆孔坍塌臨界應力的關系，分析了煤體內聚力和內摩擦角、埋深、煤層流體壓力及鉆孔方位角和傾角等因素對鉆孔坍塌失效的影響；同時采用 FLAC3D有限元數(shù)值模擬手段及對比分析的方法，針對裸眼鉆孔和下套管鉆孔，分析其變形的應力場、位移場、塑性區(qū)范圍等的變化情況，研究埋深、側壓系數(shù)、鉆孔直徑等對鉆孔變形的影響機制；并得出鉆孔直徑會直接影響軟煤鉆孔的變形情況，認為當鉆孔直徑增大時，鉆孔頂部的最大垂直位移也會變大，二者呈正相關。

3 研究存在的問題及展望

針對鉆孔失穩(wěn)機理的研究，目前已取得以上研究成果，對于構造松軟煤層瓦斯治理及井下煤層氣開發(fā)有重要意義及參考價值。但研究過程中無論是理論研究還是數(shù)值模擬均未完善，仍有許多問題亟待解決，具體如下：

1) 不同類型構造鉆孔失穩(wěn)評價模型的建立。構建不同構造程度煤層的鉆孔失穩(wěn)的評價模型，有助于其它構造煤瓦斯抽采過程中的初期鉆孔施工及參數(shù)的選擇，為煤層瓦斯抽采提供可靠理論基礎。

2) 多應力場耦合作用對鉆孔周圍煤體的時效性影響研究。通過對多應力場耦合作用下鉆孔周圍煤巖體影響失穩(wěn)時效性作用的研究，可以對鉆孔密封段長度的合理選擇及鉆孔瓦斯抽采時間的合理確定給出科學的設計，有助于煤層氣的高效開采。

3) 鉆孔周圍煤巖體裂隙分布及失穩(wěn)變形特征研究。通過研究鉆孔周圍裂隙分布規(guī)律及失穩(wěn)變形特征，合理選擇鉆孔封孔方式及封孔相關參數(shù)，對于減少鉆孔漏風，提高鉆孔瓦斯抽采濃度，從而提高井下煤層氣利用率具有重要意義。

4) 煤層層節(jié)理及孔裂隙分布規(guī)律對鉆孔失穩(wěn)的影響研究。通過研究煤層層節(jié)理及孔裂隙分布規(guī)律，合理選擇鉆孔方位，有助于鉆孔的穩(wěn)定性及瓦斯流動。

5) 鉆孔失穩(wěn)段分布的準確預測研究。針對鉆孔失穩(wěn)段分布的準確預測，可合理選擇護孔方式及護孔距離，從而大大提高鉆孔護孔效率，減少不必要的資源浪費。

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