松軟巖層中穿層瓦斯抽采鉆孔“封-護(hù)”工藝研究及工程應(yīng)用

李 磊

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；2.國(guó)家煤礦安全技術(shù)工程研究中心，重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

瓦斯抽采鉆孔封孔質(zhì)量是影響抽采效果的關(guān)鍵因素之一。為提高封孔質(zhì)量，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量有益的研究及工程試驗(yàn)。近年來(lái)，在傳統(tǒng)封孔材料不斷改進(jìn)、廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上，非凝固恒壓漿液、預(yù)制粉料、鉆渣等新型封孔也得到了較好的發(fā)展應(yīng)用；同時(shí)，對(duì)封孔工藝、封孔深度也進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，取得了較好效果。以上科研成果均注重鉆孔封堵，以減少鉆孔漏氣為目的，但對(duì)松軟巖層中穿層鉆孔成孔后，松軟巖層膨脹應(yīng)力對(duì)鉆孔的擠壓導(dǎo)致縮徑甚至閉合問(wèn)題鮮少涉及。為解決破碎松軟巖層組中穿層鉆孔封孔、護(hù)孔方面存在的問(wèn)題，本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法，揭示了巖層膨脹對(duì)抽采鉆孔壁穩(wěn)定性的影響，并在傳統(tǒng)鉆孔封堵的基礎(chǔ)上，提出了“封-護(hù)”一體的鉆孔封孔工藝，解決了松軟巖層膨脹導(dǎo)致穿層鉆孔閉合的問(wèn)題，對(duì)同類型巖層的穿層鉆孔封堵具有一定參考價(jià)值。

1 數(shù)值計(jì)算模型

本文數(shù)值計(jì)算模型采用有限元分析的方法建立。由于底層鉆孔與煤巖層垂直或斜交，深埋鉆孔壁受力包括鉆孔上覆巖層的重力、鉆孔周圍彈塑性區(qū)變形應(yīng)力和巖層膨脹應(yīng)力。鉆孔壁周圍的重力垂直應(yīng)力、重力水平應(yīng)力、彈塑性區(qū)變形應(yīng)力及巖層膨脹應(yīng)力共同作用在鉆孔內(nèi)的封孔料環(huán)、孔內(nèi)套管上。鉆孔煤巖體受力模型如圖1所示。

圖1 鉆孔煤巖體受力模型

根據(jù)文獻(xiàn)資料，松軟巖層膨脹源于濕度場(chǎng)變化，巖層膨脹體積力按照熱-濕類比關(guān)系計(jì)算，其類比關(guān)系如表1所示，熱應(yīng)力計(jì)算公式為：

σ=EαΔt

(1)

式中：σ——熱應(yīng)力，Pa；

E——材料彈性模量，MPa；

α——材料熱膨脹系數(shù)，m/(m·℃)；

Δt——溫度增量，℃。

表1 有限元分析中濕應(yīng)力分析的熱-濕類比關(guān)系

本次模型模擬告成煤礦25011下副巷掘進(jìn)區(qū)域條帶。25011下副巷二1煤層埋深420 m左右，為松軟低透氣性煤層，底抽巷與煤層法向距離10 m。煤層直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度7.2～8.4 m。模型為半徑0.4 m、高0.2 m的圓柱體，圓柱體內(nèi)布置同心鉆孔，鉆孔直徑94 mm。地下煤巖體平均密度2.24～2.62 g/m3，平均密度2.51 g/m3。巖層彈性模量2.2 GPa，泊松比0.232。底板泥巖原始含水率0.75%，對(duì)煤層進(jìn)行水力沖孔增透作業(yè)后含水率2.0%～6%。穿層鉆孔內(nèi)埋放?50 mm PVC管護(hù)壁，采用水泥漿封孔注漿。依據(jù)井下測(cè)量結(jié)果，在模型施加等效于頂板上部巖層自重的豎直荷載、水平荷載8.58 MPa，圓柱體弧形面采用輥約束，底部采用固定約束，水泥封孔環(huán)與鉆孔壁為剛性連接。模型網(wǎng)格劃分由物理場(chǎng)控制，共劃分130977個(gè)單元，如圖2所示。

圖2 鉆孔單元有限元模型網(wǎng)格

2 數(shù)值模擬結(jié)果

本研究主要通過(guò)探討單元體側(cè)限條件下成孔后鉆孔壁的應(yīng)力-應(yīng)變情況，在濕度場(chǎng)中設(shè)置含水率、鉆孔孔徑2個(gè)變量來(lái)計(jì)算鉆孔壁及鉆孔支護(hù)體應(yīng)力的影響，使分析結(jié)果更為可靠。

模型表面鉆孔壁表面應(yīng)力應(yīng)變模擬圖見(jiàn)圖3，巖層含水率2%時(shí)鉆孔壁體表面應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4。由圖3和圖4可以看出，濕度場(chǎng)變量含水率的增加導(dǎo)致泥巖膨脹，鉆孔孔徑含水率為2%、6%時(shí)，泥巖膨脹應(yīng)力峰值在鉆孔壁分別達(dá)到375 MPa、1400 MPa，自鉆孔壁向鉆孔中心位移量分別為3.1 mm、13.31 mm。含水率2%時(shí)，鉆孔壁沿其深度方向的應(yīng)力云圖兩端呈漏斗狀、中部為紡錘形，泥巖膨脹應(yīng)力在泥巖層與其他巖層接觸面最大，鉆孔深度方向的中部應(yīng)力最小，為225 MPa左右。

圖3 模型表面鉆孔壁表面應(yīng)力應(yīng)變

圖4 巖層含水率2%時(shí)鉆孔壁體表面應(yīng)力云圖

圖5 巖層含水率2%時(shí)水泥漿封孔環(huán)表面應(yīng)力云圖

巖層含水率2%時(shí)水泥漿封孔環(huán)表面應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5。由圖5可以看出，封堵鉆孔的水泥漿凝固后與鉆孔壁剛性接觸，由于泥巖膨脹體積應(yīng)力對(duì)水泥漿封孔環(huán)應(yīng)力作用，徑向方向應(yīng)力外小內(nèi)大。封孔水泥漿環(huán)峰值應(yīng)力達(dá)到500 MPa，外壁應(yīng)力與泥巖膨脹體積力一致。

圖6 不同鉆孔孔徑孔壁應(yīng)力散點(diǎn)圖

不同鉆孔孔徑孔壁應(yīng)力散點(diǎn)圖見(jiàn)圖6。由圖6可知，在泥巖膨脹率、含水率增量一定的情況下，隨著鉆孔孔徑的增加，其膨脹應(yīng)力相應(yīng)減少。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，由于泥巖層濕度場(chǎng)的變化，巖層的膨脹應(yīng)力在鉆孔壁產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力的峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)巖層自重應(yīng)力所引起的三軸應(yīng)力。工程實(shí)際中，通過(guò)封孔、護(hù)孔材料的強(qiáng)度來(lái)保證鉆孔壁的穩(wěn)定，對(duì)封孔、護(hù)孔材料的強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)性均提出了較高的要求。鉆孔孔徑的合理增加，可以減少對(duì)泥巖膨脹特別是急速膨脹階段的空間限制，泥巖膨脹應(yīng)力能得到較多的釋放。

3 工程驗(yàn)證及效果

3.1 封孔施工

礦井原瓦斯抽采鉆孔封孔工藝為鉆孔成孔后全孔長(zhǎng)埋放?50 mm PVC管護(hù)孔，埋放PVC管后立即采用馬麗散將鉆孔口封堵，待馬麗散膨脹后注漿。注漿材料為普通硅酸鹽水泥，注漿壓力1.25 MPa，采用一次注漿工藝。注漿后24 h后并網(wǎng)抽放。由于水泥漿凝固收縮、水泥漿自重及未進(jìn)行水泥漿濃度控制，鉆孔內(nèi)水泥漿封堵段均在鉆孔口段，導(dǎo)致煤層底板段鉆孔無(wú)水泥漿環(huán)封堵、護(hù)孔。這種封孔方式屬于非“鉆-護(hù)”一體型封孔。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合原封孔方式存在的缺點(diǎn)，采用了“鉆-護(hù)”一體型封孔工藝。成孔后最短間隔8 h、最長(zhǎng)間隔24 h注漿作業(yè)，利用護(hù)孔PVC管與鉆孔壁之間的空隙減少對(duì)泥巖急速膨脹階段的限制，釋放急速膨脹階段的大部分膨脹應(yīng)力。在注漿材料中瀝加U型膨脹劑作外加劑以減少水泥漿凝固后的收縮，保證巖孔段軸向、徑向全封堵。水泥漿采用濃度控制法保證鉆孔封孔水泥環(huán)強(qiáng)度。采用二次注漿工藝目的是充填一次注漿凝固后的體積收縮空間，保證對(duì)巖孔段全長(zhǎng)封堵。

在25011下副巷分別采用“鉆-護(hù)”一體封孔工藝、非“鉆-護(hù)”一體封孔工藝進(jìn)行不同封孔工藝封孔效果對(duì)比，沿巷道走向(煤層走向)共布置4組鉆孔。2種封孔工藝鉆孔組交替間隔布置，4組鉆孔連續(xù)布置。 煤層傾向每6個(gè)鉆孔匯流形成一組，組內(nèi)鉆孔間距為6 m。鉆孔組間距為6 m。鉆孔布置如圖7所示。

圖7 鉆孔布置圖

3.2 封孔效果考察

并網(wǎng)接放后，采集驗(yàn)證區(qū)2種封孔工藝中每組鉆孔的孔板濃度、流量測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。采用非“鉆-護(hù)”一體封孔工藝的抽采鉆孔的單孔濃度、每組鉆孔濃度均在始抽7～10 d后明顯衰減，而“鉆-護(hù)”一體封孔工藝的2組鉆孔單孔始抽濃度較非全孔段封孔的鉆孔高7%～13%，單孔濃度衰減曲線較平緩。采用“鉆-護(hù)”一體封孔工藝的鉆孔組30 d內(nèi)百米鉆孔平均流量為非全孔段封孔組的2～3倍。非“鉆-護(hù)”一體與“鉆-護(hù)”一體封孔鉆孔抽采濃度如圖8所示。非“鉆-護(hù)”一體與“鉆-護(hù)”一體封孔鉆孔30 d百米鉆孔均流量如圖9所示。圖中1#、3#匯流器為非“鉆-護(hù)”一體封孔，2#、4#匯流器為“鉆-護(hù)”一體封孔。

測(cè)流結(jié)果表明：“鉆-護(hù)”一體封孔工藝的鉆孔瓦斯抽采濃度、百米鉆孔流量增加，一方面是巖孔段軸向有效封孔長(zhǎng)度的增加、徑向密封間隙的減小，提高了封孔氣密性，減少封孔外部漏氣，鉆孔抽采的瓦斯?jié)舛鹊靡蕴岣撸涣硪环矫媸侨锥畏饪椎乃酀{環(huán)強(qiáng)度對(duì)泥巖減速膨脹階段、近水平直線穩(wěn)定膨脹階段的應(yīng)力起到了支撐作用，減緩了鉆孔縮徑的速度，鉆孔抽采流量受鉆孔縮徑影響小。

圖8 非“鉆-護(hù)”一體與“鉆-護(hù)”一體封孔鉆孔抽采濃度

圖9 非“鉆-護(hù)”一體與“鉆-護(hù)”一體封孔鉆孔30 d百米鉆孔均流量

4 結(jié)論

(1)松軟巖層受濕度場(chǎng)影響產(chǎn)生膨脹，膨脹應(yīng)力是影響鉆孔孔壁穩(wěn)定、造成鉆孔縮徑的重要因素之一。煤層瓦斯治理中，應(yīng)當(dāng)慎重選擇瓦斯抽放方法及鉆孔施工工藝，以減少外來(lái)水分導(dǎo)致松軟巖層濕度場(chǎng)改變對(duì)穿層鉆孔孔壁穩(wěn)定的影響。

(2)增加鉆孔孔徑，在巖層急速膨脹階段減少對(duì)巖層膨脹的約束，可以有效減少松軟巖層膨脹應(yīng)力。實(shí)際工程中，可以適當(dāng)增加鉆孔孔徑并在抽采鉆孔孔壁巖層急速膨脹階段之后進(jìn)行鉆孔“封-護(hù)”施工。

(3)在易受濕度場(chǎng)影響膨脹的松軟巖層中的穿層鉆孔，可以采用“封-護(hù)”一體的封孔工藝，采用全孔段封孔，充分利用封孔材料對(duì)鉆孔壁進(jìn)行支護(hù)。