模擬煤層鉆進(jìn)過程中鉆孔穩(wěn)定性試驗(yàn)研究*

韓 穎，張飛燕，劉少飛

(1. 河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2. 中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；3. 深井巖層控制與瓦斯抽采國家安監(jiān)局科技支撐平臺(tái)，河南 焦作 454000；4. 河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；5. 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454000)

0 引言

高瓦斯松軟煤層、軟硬復(fù)合煤層和突出煤層深孔鉆進(jìn)是公認(rèn)的世界性難題，已成為制約部分高瓦斯和突出礦井瓦斯治理效果的瓶頸。含流體煤卸載過程中，煤層鉆孔在流-固應(yīng)力耦合作用下的失穩(wěn)破壞機(jī)制研究，是破解上述難題的重點(diǎn)方向之一[1]；而鉆孔鉆進(jìn)過程的實(shí)驗(yàn)室模擬及失穩(wěn)現(xiàn)象捕捉，是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)外眾多研究者的焦點(diǎn)多集中于鉆孔施工裝備及工藝改進(jìn)[2-6]、鉆孔穩(wěn)定性分析[7-12]等方面，如：王永龍等[2]提出了一種利用低螺旋鉆桿在松軟突出煤層施工鉆孔的新型鉆進(jìn)技術(shù)；Liu等[8]提出了一種基于損傷效應(yīng)的非線性粘彈塑性流變模型，進(jìn)而對(duì)軟煤鉆孔的穩(wěn)定性進(jìn)行了探討；韓穎等[12]基于Hoek-Brown準(zhǔn)則、地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)與巖石斷裂力學(xué)理論，建立了Ⅰ類煤層鉆孔孔壁失穩(wěn)的力學(xué)判據(jù)，探討了Ⅱ-Ⅳ類煤層鉆孔孔壁失穩(wěn)的力學(xué)條件，并對(duì)鉆孔周圍“三帶(區(qū))”內(nèi)孔壁穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；張學(xué)博等[13]對(duì)深部開采松軟煤層抽采鉆孔變形失穩(wěn)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了鉆孔周圍煤體應(yīng)力及形變分布、卸壓區(qū)演化和滲透特性。上述研究工作對(duì)于破解深孔鉆進(jìn)難題起到了重要作用，但有關(guān)鉆孔失穩(wěn)的實(shí)驗(yàn)室模擬研究成果少見報(bào)道。為此，本文構(gòu)建了模擬煤層鉆進(jìn)過程中鉆孔失穩(wěn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法，對(duì)不同試驗(yàn)條件下的鉆孔穩(wěn)定性展開研究。

1 模擬煤層鉆進(jìn)過程中鉆孔失穩(wěn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法

1.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

模擬煤層鉆進(jìn)過程中鉆孔失穩(wěn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[14]如圖1所示，包括3個(gè)子系統(tǒng)：充氣及抽真空系統(tǒng)Ⅰ、煤層模擬及鉆進(jìn)系統(tǒng)Ⅱ、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Ⅲ，現(xiàn)分述如下：

1.氣瓶；2.減壓閥；3.高壓膠管；4.氣體壓力表；5.缸體蓋；6.密封圈；7.缸體；8.螺旋鉆桿；9.鉆機(jī)；10.正面堵頭；11.側(cè)面堵頭；12.引線孔；13.進(jìn)氣口；14.信號(hào)線；15.電荷電壓濾波積分放大器；16.動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀；17.計(jì)算機(jī)；18.三通閥；19.真空泵。圖1 模擬煤層鉆進(jìn)過程中鉆孔失穩(wěn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Monitoring system for borehole instability during drilling in simulated coal seams

1)充氣及抽真空系統(tǒng)Ⅰ

氣瓶1：提供氣源(N2、CO2或CH4)。

高壓膠管3：氣體通道。

真空泵19：抽真空裝置。

2)煤層模擬及鉆進(jìn)系統(tǒng)Ⅱ

密封圈6：確保缸體蓋5與缸體7之間連接緊密，防止漏氣。

缸體7：模擬煤層制備裝置[15]，結(jié)構(gòu)如圖2所示。其兩端為半徑110 mm的半圓形，中間長度為900 mm，高度為400 mm。

圖2 缸體結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of cylinder block

螺旋鉆桿8與鉆機(jī)9：模擬鉆進(jìn)裝置[16]。

正面堵頭10：安裝于缸體7正面，壓制模擬煤層時(shí)安裝于缸體7上，鉆進(jìn)前取下，伸入螺旋鉆桿8。

平臺(tái)設(shè)計(jì)重點(diǎn)突出現(xiàn)代供應(yīng)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈的特征，涵蓋鮮果農(nóng)產(chǎn)品從種植到包裝、從物流運(yùn)輸?shù)戒N售各個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)囊括涉及鮮果種植環(huán)節(jié)的農(nóng)機(jī)、農(nóng)肥、技術(shù)支持等配套模塊；鮮果銷售環(huán)節(jié)的批發(fā)、零售、加工等企業(yè)的鏈接模塊，保障鮮果農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)銷對(duì)路、廣開銷路，保質(zhì)保量，創(chuàng)收增收。

側(cè)面堵頭11：安裝于缸體7側(cè)面，壓制模擬煤層前安裝于缸體7上，待成型煤樣上部水平面與側(cè)面堵頭11最下端的引線孔12齊平時(shí)，停止壓煤，取下側(cè)面堵頭11，將壓電膜傳感器20埋設(shè)在鉆孔周圍待測(cè)定位置，并將與之連接的信號(hào)線14引出引線孔12外；側(cè)面堵頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 側(cè)面堵頭結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of side plug

進(jìn)氣口13：氣體入口，缸體7左右側(cè)各1個(gè)、后側(cè)1個(gè)，共3個(gè)。

3)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Ⅲ

信號(hào)線14：連接壓電膜傳感器20與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀16的導(dǎo)線。

電荷電壓濾波積分放大器15：將動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀16采集的電信號(hào)放大。

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀16：采集鉆進(jìn)過程中煤層鉆孔動(dòng)態(tài)失穩(wěn)數(shù)據(jù)。

壓電膜傳感器20：感應(yīng)鉆進(jìn)過程中煤層鉆孔動(dòng)態(tài)失穩(wěn)情況，并通過信號(hào)線14傳輸給動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀16。

1.2 監(jiān)測(cè)方法

模擬煤層鉆進(jìn)過程中鉆孔失穩(wěn)監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟：

1)實(shí)驗(yàn)前，每次稱取一定質(zhì)量的煤樣，倒入煤層模擬裝置的缸體7中；用壓力機(jī)施加預(yù)定成型壓力，并保持恒壓30 min，以利于排除成型煤樣內(nèi)的空氣。重復(fù)以上步驟，當(dāng)成型煤樣上部水平面與側(cè)面堵頭11最下端的引線孔12齊平時(shí)，停止壓煤。

2)取下側(cè)面堵頭11，將壓電膜傳感器20(4個(gè)，水平距離20 mm，距鉆孔中心由遠(yuǎn)及近依次編號(hào)為1#，2#，3#，4#)埋設(shè)在鉆孔周圍待測(cè)定位置，如圖4所示，并將與之連接的信號(hào)線14引出引線孔12外。同時(shí)，為防止漏氣，將引線孔12與信號(hào)線14之間的空隙用水泥和環(huán)氧樹脂多次密封。

圖4 壓電膜埋設(shè)位置Fig.4 Burying position of piezoelectric film sensors

3)將側(cè)面堵頭11安裝在缸體7上，將信號(hào)線14的另一端與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀16連接；同時(shí)，分別通過數(shù)據(jù)線、網(wǎng)線將電荷電壓濾波積分放大器15與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀16、計(jì)算機(jī)17相連接，構(gòu)成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

4)按步驟(1)繼續(xù)壓煤，直至成型煤樣基本充滿缸體7后，將缸體蓋5安裝在缸體7上。此時(shí)，模擬裝置內(nèi)的成型煤樣相當(dāng)于一個(gè)小型模擬煤層。

5)模擬煤層制備完畢后，對(duì)成型煤樣抽真空24 h，充入一定壓力待測(cè)氣體48 h，使煤樣吸附平衡。

6)一切準(zhǔn)備就緒后，關(guān)閉氣源，啟動(dòng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

7)取下正面堵頭10，啟動(dòng)鉆機(jī)9，施工煤層鉆孔，鉆桿在煤層中鉆進(jìn)400 mm左右停鉆。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集、存儲(chǔ)應(yīng)力數(shù)據(jù)。

8)煤層鉆孔施工結(jié)束后，將NTS200工業(yè)內(nèi)窺鏡放入鉆孔中，即可觀測(cè)鉆孔周圍及底部的煤層變形情況，同時(shí)拍照、存儲(chǔ)。

2 煤樣采集與試驗(yàn)方案

煤樣物理力學(xué)參數(shù)見表1所示，試驗(yàn)方案見表2所示。

表1 煤樣物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal samples

表2 試驗(yàn)方案Table2 Experiment scheme

3 模擬煤層鉆進(jìn)過程中鉆孔穩(wěn)定性影響因素研究

3.1 軸壓

圖5 不同軸壓下孔周煤體應(yīng)力變化規(guī)律及鉆孔壁、孔底變形情況Fig.5 Stress variation of coal body around borehole and deformation of borehole wall and bottom under different axial pressures

不同軸壓條件下鉆孔周圍(以下簡稱“孔周”)煤體應(yīng)力變化規(guī)律及孔壁、孔底變形情況如圖5所示。可以看出：不同軸壓下每個(gè)壓電膜的峰值應(yīng)力大小不同，當(dāng)軸壓為10 MPa時(shí)，4#壓電膜附近煤體峰值應(yīng)力最大，達(dá)13.5 MPa；隨軸壓增大，峰值應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置由鉆孔中心逐漸向缸體左側(cè)內(nèi)壁轉(zhuǎn)移；當(dāng)軸壓為25 MPa時(shí)，1#壓電膜附近煤體峰值應(yīng)力最大，達(dá)38.0 MPa。此外，在相同吸附平衡壓力下，軸壓越大，處于極限平衡狀態(tài)的煤體范圍越大，打鉆時(shí)解吸的氣體越多，孔壁徑向位移及孔底破壞程度越大；當(dāng)軸壓為10 MPa時(shí)，孔壁成形較好，孔底破壞也較輕微；當(dāng)軸壓為25 MPa時(shí)，孔壁已基本傾塌，孔底破壞也愈發(fā)嚴(yán)重。

孔周煤體卸壓范圍隨軸壓增大而增大，且其增大趨勢(shì)逐漸變緩，兩者近似呈對(duì)數(shù)關(guān)系，公式如下：

Rp=11.915 57+7.109 83×ln(σ0+3.120 12)

(1)

在工程實(shí)踐中，軸壓即為煤體所受地應(yīng)力，與煤層埋深相關(guān)；換言之，煤層埋深越大，地應(yīng)力越高，打鉆時(shí)鉆孔越容易失穩(wěn)。

圖6 不同吸附平衡壓力下孔周煤體應(yīng)力變化規(guī)律及鉆孔壁、孔底變形情況Fig.6 Stress variation of coal body around borehole and deformation of borehole wall and bottom under different adsorption equilibrium pressures

3.2 吸附平衡壓力

不同吸附平衡壓力條件下孔周煤體應(yīng)力變化規(guī)律及鉆孔壁、孔底變形情況如圖6所示。可以看出：當(dāng)吸附平衡壓力為0.30 MPa時(shí)，孔周煤體峰值應(yīng)力最大值為25.5 MPa，出現(xiàn)在4#壓電膜附近，此時(shí)孔壁變形及孔底破壞均不太明顯；隨吸附平衡壓力的增大，孔周煤體峰值應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置逐漸由鉆孔中心向煤層深部轉(zhuǎn)移，孔壁變形逐漸加大，孔底破壞趨于嚴(yán)重；當(dāng)吸附平衡壓力為1.20 MPa時(shí)，孔周煤體峰值應(yīng)力最大值為31.5 MPa，出現(xiàn)在1#壓電膜附近，此時(shí)孔壁變形強(qiáng)烈，孔底破壞極其嚴(yán)重，甚至發(fā)生噴孔現(xiàn)象。

究其原因，鉆孔鉆進(jìn)會(huì)打破煤體和氣體原有的平衡狀態(tài)，加速煤體的破壞變形和氣體解吸；而煤體對(duì)氣體的吸附量隨吸附平衡壓力的增大而增大，致使煤體表面張力減小及骨架膨脹變形加大；同時(shí)，煤體內(nèi)部裂隙發(fā)生擴(kuò)展，顆粒之間粘結(jié)力減小，彈性模量降低，變形量增大；當(dāng)達(dá)到極限平衡狀態(tài)后，煤體內(nèi)部裂隙會(huì)充分?jǐn)U展、貫通，因鉆孔直徑較小且孔壁煤體部分坍塌，致使瓦斯與煤屑無法及時(shí)排出，鉆孔內(nèi)部氣體壓力梯度急劇增加，最終促使煤體顆粒在瓦斯氣流的作用下向孔口噴出，形成噴孔。

孔周煤體卸壓范圍與吸附平衡壓力近似呈指數(shù)關(guān)系，公式如下：

Rp=exp(3.093 61+0.752 74P+0.113 78P2)

(2)

式中：P為吸附平衡壓力， MPa。

3.3 吸附氣體種類

為對(duì)比分析吸附氣體種類對(duì)鉆孔失穩(wěn)的影響，分別選用CO2和N2，在吸附平衡壓力0.60 MPa條件下進(jìn)行模擬煤層鉆進(jìn)試驗(yàn)，孔周煤體應(yīng)力變化規(guī)律及鉆孔壁、孔底變形情況如圖7所示?？梢钥闯觯号c吸附N2相比，當(dāng)煤樣吸附CO2時(shí)，孔周煤體峰值應(yīng)力最大值較大，出現(xiàn)位置偏離鉆孔中心較遠(yuǎn)，孔壁變形及孔底破壞較為嚴(yán)重。究其原因，由于煤體對(duì)CO2的吸附能力高于N2，在相同條件下，煤體對(duì)CO2的吸附量高于N2；在鉆孔鉆進(jìn)過程中，CO2解吸量大于N2，因氣體解吸作用導(dǎo)致的孔壁、孔底變形量較大。

圖7 不同吸附氣體種類下孔周煤體應(yīng)力變化規(guī)律及鉆孔壁、孔底變形情況Fig.7 Stress variation of coal body around borehole and deformation of borehole wall and bottom under different adsorbed gas

3.4 煤的變質(zhì)程度

不同煤的變質(zhì)程度條件下孔周煤體應(yīng)力變化規(guī)律及鉆孔壁、孔底變形情況如圖8所示?？梢钥闯觯涸诓煌冑|(zhì)程度的模擬煤層施工鉆孔時(shí)，孔周煤體峰值應(yīng)力最大值大小不同，出現(xiàn)位置也不盡相同。對(duì)于變質(zhì)程度較小的長焰煤(A煤樣)，其峰值應(yīng)力最大值為25.0 MPa，出現(xiàn)在4#壓電膜附近，其鉆孔成形最好，打鉆也較為順利；而對(duì)于變質(zhì)程度較大的焦煤(C煤樣)，其峰值應(yīng)力最大值為33.5 MPa，出現(xiàn)在1#壓電膜附近，其鉆孔孔壁及孔底破壞最為嚴(yán)重，打鉆時(shí)發(fā)生塌孔現(xiàn)象；對(duì)于弱黏煤(B煤樣)和無煙煤(D煤樣)，其應(yīng)力分布及孔壁、孔底破壞情況介于兩者之間。

究其原因，瓦斯吸附主要受控于煤中的微孔(孔徑<10 nm)和小孔(孔徑10～100 nm)[17]，試驗(yàn)采用煤樣的孔隙比表面積測(cè)試結(jié)果見表3。由表1、表3可知，焦煤(C煤樣)吸附常數(shù)及吸附孔(微孔、小孔)比表面積最大，在同等條件下，其吸附氣體的能力最強(qiáng)，瓦斯含量最高，鉆孔鉆進(jìn)時(shí)瓦斯解吸量最大，應(yīng)力集中現(xiàn)象及孔壁、孔底破壞程度也最嚴(yán)重。

圖8 不同煤的變質(zhì)程度下孔周煤體應(yīng)力變化規(guī)律及鉆孔壁、孔底變形情況Fig.8 Stress variation of coal body around borehole and deformation of borehole wall and bottom under different coal metamorphism

煤樣編號(hào)煤的變質(zhì)程度小孔比表面積/(m2·g-1)微孔比表面積/(m2·g-1)總比表面積/(m2·g-1)A長焰煤0.756 30.594 11.350 4B弱黏煤0.890 20.625 01.515 2C焦煤1.113 71.238 42.352 1D無煙煤0.365 21.264 11.629 3

4 結(jié)論

1)構(gòu)建了模擬煤層鉆進(jìn)過程中鉆孔失穩(wěn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法，為煤層鉆孔失穩(wěn)相關(guān)試驗(yàn)研究提供了設(shè)備與技術(shù)支撐。

2)隨軸壓及吸附平衡壓力的增大，孔周煤體峰值應(yīng)力最大值逐漸增大，應(yīng)力集中帶逐漸向煤體深部轉(zhuǎn)移，孔壁變形及孔底破壞趨于嚴(yán)重，甚至發(fā)生噴孔；孔周煤體卸壓范圍與兩者分別呈對(duì)數(shù)及指數(shù)關(guān)系。

3)與吸附N2相比，當(dāng)煤樣吸附CO2時(shí)，孔周煤體峰值應(yīng)力最大值較大，出現(xiàn)位置偏離鉆孔中心較遠(yuǎn)，孔壁變形及孔底破壞也較為嚴(yán)重。

4)隨煤的變質(zhì)程度的加深，孔周煤體峰值應(yīng)力最大值及卸壓范圍呈先增大后減小的趨勢(shì)；因試驗(yàn)所用焦煤吸附常數(shù)及吸附孔比表面積最大，其應(yīng)力集中現(xiàn)象及孔壁、孔底破壞程度也最為嚴(yán)重。