松軟煤層瓦斯抽放鉆孔塌孔機(jī)理及改進(jìn)措施研究

尹振林

摘 要：科學(xué)技術(shù)的不斷更新，為煤礦生產(chǎn)效率的提高及設(shè)備性能的優(yōu)化帶來了重要的保障作用，促進(jìn)了現(xiàn)代化煤礦企業(yè)的快速發(fā)展。結(jié)合現(xiàn)階段煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際概況，可知某些影響因素的客觀存在，容易造成松軟煤層瓦斯抽放鉆孔塌孔現(xiàn)象的出現(xiàn)，給相關(guān)生產(chǎn)計(jì)劃的順利完成帶來了潛在威脅。因此，需要加強(qiáng)對(duì)松軟煤層瓦斯抽放鉆孔塌孔機(jī)理的深入理解，制定可靠的改進(jìn)措施有效避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，最大限度增強(qiáng)煤礦生產(chǎn)計(jì)劃實(shí)施的安全可靠性。基于此，該文將對(duì)松軟煤層瓦斯抽放鉆孔塌孔機(jī)理及改進(jìn)措施進(jìn)行必要研究。

關(guān)鍵詞：松軟煤層 瓦斯 鉆孔塌孔機(jī)理 改進(jìn)措施 生產(chǎn)計(jì)劃

中圖分類號(hào)：TD712.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）12（b）-0037-02

從不同的方面提高對(duì)松軟煤層瓦斯抽放鉆孔塌孔機(jī)理的全面認(rèn)識(shí)，制定出切實(shí)有效的改進(jìn)措施，有效避免鉆孔塌孔問題的產(chǎn)生，有利于實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)，在確保生產(chǎn)計(jì)劃順利完成的同時(shí)可以為煤礦企業(yè)帶來更多經(jīng)濟(jì)效益，全面提升該單位綜合市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，在未來松軟煤層瓦斯抽放作業(yè)計(jì)劃開展的過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)信息技術(shù)及各種專業(yè)技術(shù)手段的合理運(yùn)用，促使在這些技術(shù)使用中能夠有效預(yù)防鉆孔塌孔現(xiàn)象的出現(xiàn)，不斷增強(qiáng)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)安全性。

1 松軟煤層瓦斯抽放鉆孔塌孔機(jī)理

1.1 松軟瓦斯抽放鉆孔過程中的應(yīng)力分析

在松軟煤層瓦斯抽放的過程中，需要注重不同應(yīng)力的有效分析，確保其中可能存在的安全隱患可以得到及時(shí)排除。具體的分析要點(diǎn)包括：（1）水平孔周圍彈性應(yīng)力的有效分布。結(jié)合煤層結(jié)構(gòu)特性，可知其包含了孔隙、裂隙等，在瓦斯壓力及其他壓力的影響，容易造成變形現(xiàn)象的出現(xiàn)。松軟煤層瓦斯抽放計(jì)劃實(shí)施時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)水平孔周圍彈性應(yīng)力的深入分析，通過對(duì)彈性理論的深入理解，從彈性多孔材料作用的圍巖狀態(tài)、地層結(jié)構(gòu)的完整性、孔壁破壞準(zhǔn)則等方面進(jìn)行重點(diǎn)考慮，確保鉆孔過程中的受力均勻性；（2）傾斜孔周圍彈性應(yīng)力的有效分布。松軟煤層瓦斯抽放過程應(yīng)考慮傾斜孔周圍彈性應(yīng)力分布，確保鉆孔作業(yè)計(jì)劃的順利實(shí)施。具體分析中應(yīng)構(gòu)建可靠的三維空間坐標(biāo)，將傾斜孔受到不同方向的應(yīng)力在坐標(biāo)上標(biāo)記出來，進(jìn)而對(duì)圍巖孔壁的結(jié)果穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)估。

1.2 瓦斯抽放鉆孔塌孔的相關(guān)條件

相關(guān)的研究資料表明，松軟煤層瓦斯抽放鉆孔塌孔現(xiàn)象的出現(xiàn)，需要滿足一定條件。這些條件包括：（1）水平瓦斯抽放鉆孔塌孔的相關(guān)條件。通過對(duì)鉆孔穩(wěn)定性問題的深入分析，可知不同介質(zhì)的分布對(duì)于孔壁的穩(wěn)定性有著較大影響：當(dāng)鉆孔過程中圍巖周圍的應(yīng)力超過其自身的強(qiáng)度時(shí)，往往會(huì)引發(fā)鉆孔塌孔。不同方向的應(yīng)力差最大時(shí)，鉆孔塌孔現(xiàn)象出現(xiàn)的幾率最大。因此，水平瓦斯抽放中應(yīng)充分考慮地層孔隙壓力及其他的應(yīng)力，提高鉆孔質(zhì)量；（2）傾斜瓦斯抽放鉆孔塌孔的相關(guān)條件。結(jié)合傾斜瓦斯抽放鉆孔作業(yè)方式特點(diǎn)，可知其中發(fā)生鉆孔塌孔問題的前提條件與鉆孔中不同方向的應(yīng)力分布大小有關(guān)。通過對(duì)鉆孔傾角、鉆孔孔壁不同方向應(yīng)力大小的確定等，可以構(gòu)建出傾斜鉆孔與時(shí)間之間的關(guān)系，進(jìn)而確定發(fā)生鉆孔塌孔的臨界值。

1.3 導(dǎo)致瓦斯抽放鉆孔塌孔的相關(guān)因素

各種潛在影響因素的客觀存在，加大了瓦斯抽放鉆孔塌孔問題發(fā)生的概率。這些影響因素主要包括：（1）影響圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的內(nèi)聚力，其具有動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，對(duì)鉆孔過程中煤體的膠結(jié)強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度有著一定要求。當(dāng)不同方向的內(nèi)聚力差較小時(shí)，說明該區(qū)域的煤體較軟，鉆孔中容易發(fā)生塌孔；（2）原始煤層流體壓力越大時(shí)，加大使鉆孔坍塌的臨界值增大，加大了鉆孔塌孔問題產(chǎn)生的幾率；（3）埋設(shè)過程中垂直應(yīng)力不斷增加，也會(huì)使鉆孔坍塌臨界應(yīng)力變大，從而影響了鉆孔的穩(wěn)定性，一定條件下會(huì)出現(xiàn)鉆孔塌孔現(xiàn)象。同時(shí)，隨著煤體內(nèi)摩擦角的動(dòng)態(tài)變化，也會(huì)對(duì)瓦斯抽放鉆孔塌孔造成較大影響。

2 避免松軟煤層瓦斯抽放鉆孔塌孔現(xiàn)象出現(xiàn)的改進(jìn)措施

為了避免松軟煤層瓦斯抽放鉆孔塌孔現(xiàn)象的出現(xiàn)，消除其中可能存在的安全隱患，需要采取必要的改進(jìn)措施進(jìn)行必要預(yù)防，確保作業(yè)計(jì)劃實(shí)施的安全性，增強(qiáng)鉆孔的穩(wěn)定性。這些改進(jìn)措施包括以下幾個(gè)方面。

2.1 改進(jìn)瓦斯抽放過程中的施工工藝

在松軟煤層瓦斯抽放過程中，選擇可靠的施工工藝，有利于提高鉆孔質(zhì)量，最大限度降低鉆孔塌孔問題發(fā)生的概率。具體表現(xiàn)在：（1）及時(shí)改變鉆孔的方位角。瓦市抽放鉆孔施工中將其中的鉆孔傾角控制在60°的范圍內(nèi)時(shí)，可知30°方向的鉆孔方位角產(chǎn)生的臨界坍塌壓力最大，將會(huì)產(chǎn)生鉆孔塌孔問題。因此，鉆孔施工中應(yīng)將其方位角控制在30°范圍內(nèi)進(jìn)行打孔，提高鉆孔質(zhì)量；（2）注重鉆孔傾角的改變。相關(guān)的研究報(bào)告指出，瓦斯抽放鉆孔傾斜角控制在小于22.5°的范圍內(nèi)時(shí)，其中產(chǎn)生的內(nèi)摩擦角較小，應(yīng)力大小不會(huì)超過鉆孔坍塌臨界壓力。因此，鉆孔施工中結(jié)合坍塌臨界壓力的要求，應(yīng)將鉆孔傾角控制在22.5°的范圍內(nèi)；（3）注重鉆孔直徑的改變。通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)軟件的模擬分析，可知瓦斯抽放鉆孔圍巖塑性區(qū)的變壓與鉆孔之間有著緊密聯(lián)系，二者呈正相關(guān)的關(guān)系。當(dāng)鉆孔直徑大時(shí)，塑性區(qū)也會(huì)變大，其中產(chǎn)生的應(yīng)力將會(huì)給鉆孔質(zhì)量帶來潛在威脅。因此，鉆孔施工中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鉆機(jī)的合理運(yùn)用，促使鉆孔直徑保持在94 mm左右，優(yōu)化鉆孔質(zhì)量；（4）對(duì)鉆進(jìn)工藝的改進(jìn)研究。我們與煤科院西安分院合作，選用其研發(fā)的松軟煤層中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)工藝技術(shù)及配套裝備。用中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)及鉆桿內(nèi)部安設(shè)篩管的施工工藝，在西安煤科分院技術(shù)人員的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)下，掌握了鉆進(jìn)設(shè)備的使用性能，提高了在松軟煤層施工鉆孔的成孔率。

2.2 加強(qiáng)側(cè)壓系數(shù)的合理控制

煤層埋設(shè)對(duì)松軟煤層瓦斯抽放鉆孔穩(wěn)定性的臨界值有著一定影響。相對(duì)而言，側(cè)壓系數(shù)對(duì)鉆孔穩(wěn)定性的影響更大。因此，松軟煤層瓦斯抽放鉆孔施工中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)專業(yè)技術(shù)手段的合理運(yùn)用，通過對(duì)煤層斷層、塌落柱等復(fù)雜地質(zhì)條件的有效分析，將鉆孔過程中的側(cè)壓系數(shù)控制在合理的范圍內(nèi)，減少其對(duì)鉆孔的影響。

2.3 提高套管的利用效率

作為解決松軟煤層鉆孔坍塌的重要措施，適當(dāng)增加套管，有利于降低鉆孔塌孔發(fā)生的幾率。在使用套管的過程中，應(yīng)充分考慮鉆孔變形對(duì)瓦斯抽放作業(yè)效率的影響，確保套管的合理運(yùn)用能夠達(dá)到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際要求。同時(shí)，由于套管強(qiáng)度與鉆孔圍巖垂直位移、塑性區(qū)范圍大小等不同因素之間呈反比關(guān)系，因此，在經(jīng)濟(jì)條件允許的前提下，應(yīng)加強(qiáng)PP管及PVC管的合理使用，有效避免瓦斯抽放鉆孔塌孔現(xiàn)象的出現(xiàn)，確保松軟煤層瓦斯抽放作業(yè)效率能夠始終保持在更高層面上。

3 結(jié)語

通過對(duì)松軟煤層瓦斯抽放鉆孔塌孔機(jī)理的深入研究，并制定出相關(guān)的改進(jìn)措施確保生產(chǎn)計(jì)劃的安全實(shí)施，一定程度上加快了現(xiàn)代化煤礦企業(yè)的發(fā)展速度，促使煤礦企業(yè)的生產(chǎn)目標(biāo)能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)順利實(shí)現(xiàn)，全面提升我國煤礦的整體生產(chǎn)水平。與此同時(shí)，結(jié)合市場(chǎng)用煤的實(shí)際需求，可知未來松軟煤層瓦斯抽放過程中需要注重行業(yè)技術(shù)規(guī)范的具體要求，靈活運(yùn)用各種安全措施進(jìn)行針對(duì)性處理，降低作業(yè)計(jì)劃實(shí)施中鉆孔塌孔問題發(fā)生的幾率，為后續(xù)生產(chǎn)計(jì)劃的實(shí)施打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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