煤礦瓦斯抽采鉆孔修護技術研究進展

申 凱，劉延保，巴全斌，張 磊，熊 偉

(1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037； 3.西安科技大學，陜西 西安 710054)

煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸等瓦斯事故極易導致群死群傷，是制約煤礦高效生產(chǎn)的主要安全威脅之一?！睹旱V瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》(安監(jiān)總煤裝〔2011〕163號)要求突出礦井和高瓦斯礦井必須實施瓦斯抽采，抽采達標后方可安排采掘作業(yè)，并做到“應抽盡抽”。隨著瓦斯抽采技術水平的不斷提高及抽采達標覆蓋范圍的不斷擴大，我國煤礦瓦斯抽采總量保持逐年上升的態(tài)勢，由2010年的88億m3增加至2018年的183.9億m3，其中井下的瓦斯抽采量占比始終保持在70%以上。

煤礦井下瓦斯抽采以施工鉆孔抽采為主，鉆孔的瓦斯抽采效果直接影響礦井瓦斯災害的治理效果。我國含瓦斯煤層地質構造復雜，具有瓦斯含量高、煤層滲透率低且普遍松軟等特點，瓦斯抽采難度大[1]。同時，受地應力、煤層強度及開采活動等影響，抽采鉆孔尤其是松軟煤層鉆孔極易發(fā)生孔壁變形甚至垮塌現(xiàn)象，阻塞瓦斯流動通道，導致鉆孔抽采功能部分或者完全失效。鉆孔失效不僅嚴重影響瓦斯抽采效率，產(chǎn)生瓦斯抽采空白帶，而且會造成抽采工程浪費。因此，開展包括鉆孔護孔和堵塞疏通的瓦斯抽采鉆孔修護技術研究，對于保障瓦斯抽采效率尤為重要。

鑒于此，筆者在分析瓦斯抽采鉆孔失穩(wěn)機理的基礎上，擬從鉆孔護孔和堵塞疏通兩方面介紹瓦斯抽采鉆孔修護技術的研究進展，指出其各自優(yōu)缺點，并針對瓦斯抽采鉆孔修護技術的發(fā)展方向給出建議。

1 瓦斯抽采鉆孔失穩(wěn)機理

瓦斯抽采鉆孔失穩(wěn)是指在鉆孔的成孔或抽采過程中，鉆孔孔壁產(chǎn)生的不同程度變形、垮塌等現(xiàn)象。掌握抽采鉆孔孔壁失穩(wěn)的根本原因是研究鉆孔護孔與修復技術的基礎[2]。筆者從鉆孔穩(wěn)定性影響因素、鉆孔周圍煤體應力分布及鉆孔失穩(wěn)機理三方面展開論述。

1.1 瓦斯抽采鉆孔穩(wěn)定性影響因素

1)內部因素

鉆孔孔壁發(fā)生垮塌的力學條件是孔周煤體的應力荷載超過了煤體的自身強度而產(chǎn)生剪切破壞[3]，這表明鉆孔穩(wěn)定性的內部影響因素包括煤體力學性質及應力分布等。煤體的力學性質決定了鉆孔承受應力荷載的能力。松軟煤層由于受多次的擠壓錯動等地質構造作用，產(chǎn)生了大量的宏觀和微觀裂隙，煤體內部連接結構弱化或失效，導致強度與完整性顯著降低，因此松軟煤層鉆孔穩(wěn)定性較差。應力分布是作用在鉆孔周圍煤體上的應力大小、方向及梯度等。由于煤體中瓦斯向鉆孔空間的流動對孔壁產(chǎn)生徑向應力，因此鉆孔周圍煤體應力應考慮地應力及瓦斯壓力的綜合作用。

2)外部因素[4-5]

瓦斯抽采鉆孔穩(wěn)定性的外部影響因素主要為鉆孔的施工工藝，涉及鉆渣返排方式、鉆進速度及鉆桿振動效應等。鉆渣的返排主要有水力排渣、氣力排渣和機械螺旋排渣3種方式，其中水力排渣時孔壁會長時間受到水流沖刷，對于遇水易軟化、崩解的松軟煤層而言，極易造成孔壁的整體垮塌。鉆孔的鉆進速度過快時，一方面產(chǎn)生大量的鉆渣會對煤壁形成擠壓；另一方面孔周應力無法及時向深部釋放，孔周卸壓區(qū)的瓦斯排放量少，造成煤體內徑向應力梯度增長過快，誘發(fā)孔壁失穩(wěn)。鉆桿的振動效應指鉆桿轉動過程中附加的徑向運動，這種運動使鉆桿持續(xù)頻繁地撞擊孔壁，造成煤體的軟化，不利于鉆孔的穩(wěn)定。

1.2 鉆孔周圍煤體應力分布

瓦斯抽采鉆孔周圍煤體先后經(jīng)受了巷道開挖和鉆孔鉆進兩次應力擾動，因此其應力分布是兩次應力平衡后的結果[6]，其支承應力分布如圖1所示。

Ⅰ—應力降低區(qū)；Ⅱ—峰后應力增高區(qū)；Ⅲ—峰前應力增高區(qū)；Ⅳ—原巖應力區(qū)。

1.2.1 巷道周圍煤體應力分布

煤層巷道開挖后，巷道周圍煤體的原始平衡狀態(tài)被打破，應力進行重新分布，煤體受到不同程度的破壞，并產(chǎn)生了應力集中現(xiàn)象。沿垂直于巷道的方向，可將支承應力分布劃分為4個區(qū)域：應力降低區(qū)Ⅰ、峰后應力增高區(qū)Ⅱ、峰前應力增高區(qū)Ⅲ和原巖應力區(qū)Ⅳ。

1.2.2 鉆孔周圍煤體力學狀態(tài)

將鉆孔周邊應力分布狀態(tài)當作平面應變問題進行近似分析，根據(jù)極限平衡理論，孔壁周圍的煤體可以分為破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，如圖2所示。

圖2 鉆孔周圍煤體力學狀態(tài)

1.3 瓦斯抽采鉆孔失穩(wěn)機理

鉆孔失穩(wěn)機理是解釋瓦斯抽采鉆孔發(fā)生失穩(wěn)或變形的本質原因，包括鉆孔周圍煤體受力狀態(tài)、孔壁失穩(wěn)的力學條件，以及失穩(wěn)破壞范圍分析等。

針對成孔過程中的鉆孔失穩(wěn)問題，學者們基于Mohr-Coulomb準則給出了鉆孔失穩(wěn)的力學條件[3，7]，其中王振等[3]將鉆孔鉆進過程劃分為塑性軟化區(qū)內鉆進、峰前應力增高區(qū)內鉆進和峰后應力增高區(qū)內鉆進3個階段，分別建立了鉆孔孔底和孔壁含瓦斯煤體力學模型，并指出應力降低區(qū)內易垮孔，峰后應力增高區(qū)內易垮孔、噴孔，峰值強度前區(qū)域內噴孔的概率則大為降低；Hoek E等[8]提出了基于地質強度指標GSI[9]的廣義Hoek-Brown破壞準則，并給出了相應的巖體強度估算方法[10]。部分學者認為該強度準則更適用于含瓦斯煤體[2,4,11]，劉建林等[4]基于GSI指標，估算了碎軟煤體的力學參數(shù)并用于鉆孔穩(wěn)定性的分析；李松濤等[11]結合廣義Hoek-Brown準則推導了鉆孔圍巖彈塑性區(qū)半徑和應力表達式，同時強調了近鉆孔瓦斯壓力對鉆孔孔壁穩(wěn)定性的影響不容忽視。姚向榮、李志華和朱紅青等對鉆孔穩(wěn)定性進行了數(shù)值模擬研究，其中姚向榮等[12]通過對比理論解算結果和數(shù)值模擬結果，證明了數(shù)值模擬方法可以較準確地反映鉆孔圍巖變形破壞過程；李志華等[13]的模擬結果表明，隨著側壓系數(shù)的升高，鉆孔徑向位移增大，圍巖塑性區(qū)半徑增大,鉆孔穩(wěn)定性降低；朱紅青等[14]指出鉆孔周圍煤巖主要為剪切破壞，且剪應力呈“><”分布，孔壁垂直方向位移大于水平方向位移，鉆孔截面形狀由圓形逐漸變成橢圓形。

與成孔過程中的鉆孔穩(wěn)定性研究相比，針對抽采過程中鉆孔失穩(wěn)問題的研究相對較少。趙洪寶等[15]自主研發(fā)了瓦斯抽采鉆孔穩(wěn)定性動態(tài)監(jiān)測裝置，實測得到鉆孔形變可大致分為快速形變、緩慢形變和基本穩(wěn)定3個階段，各階段間存在較明顯拐點。劉春[16]認為軟煤的蠕變特性是影響抽采過程中鉆孔穩(wěn)定性的主要因素之一，建立了一種能夠反映軟煤加速蠕變特性的黏彈塑性非線性蠕變力學模型，并對鉆孔穩(wěn)定性開展數(shù)值模擬，結果表明：當煤體強度很低時，鉆孔成孔后因煤體蠕變，孔壁的變形隨著時間持續(xù)增大，并在20 d左右趨于定值，變形后鉆孔截面形狀為橢圓或類平面橄欖球形。

綜上所述，我國相關科研人員均認為瓦斯抽采鉆孔處于巷道開挖后與鉆孔鉆進后的二次擾動應力場內，建立了多種鉆孔穩(wěn)定性力學模型與失穩(wěn)條件，其差異主要在于所選用的煤體本構模型與破壞準則。但是，當前煤體力學參數(shù)多采用制備煤樣測試的方式獲取，無法反映煤體的整體力學特性及其非均質特點，如何獲取更切合實際的含瓦斯煤體力學參數(shù)是亟待解決的難題。

2 瓦斯抽采鉆孔修護技術研究進展

研究人員針對鉆進成孔和瓦斯抽采兩個階段的鉆孔失穩(wěn)問題，分別形成了鉆孔加固護孔和堵塞鉆孔疏通兩大類修護技術。

2.1 抽采鉆孔加固護孔技術

2.1.1 鉆孔圍巖注漿加固技術

鉆孔圍巖加固技術是針對鉆孔周圍煤巖中存在大量裂隙、自身強度較低而導致鉆進中易塌孔的難題，在鉆孔周圍或者直接在鉆孔內壓注水泥等固化漿液，充填鉆孔周圍煤巖裂隙，漿液凝固后將破碎煤體固結，從而提高鉆孔圍巖的整體強度與抗變形能力。張超[17]、翟成等[18]提出了一種在待鉆鉆孔周圍施工注漿鉆孔進行注漿加固的固化成孔方法，并通過對加固后鉆孔的穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析驗證了固化成孔技術的有效性，其中張超指出隨著固化材料強度的增大，鉆孔的穩(wěn)定性也隨之提高。針對鉆孔孔口處于巷道松動圈內的煤體破碎嚴重的問題，包若羽[19]、張英[20]提出了一種直接向鉆孔孔口注漿加固后再透孔鉆進的方法，提高了鉆孔孔口段破碎煤體的穩(wěn)定性。鉆孔圍巖注漿加固技術適用于因結構破碎松散、存在大量宏觀裂隙而成孔困難的碎軟煤層鉆孔鉆進，但是這種方法的施工時間長，額外增加的成本較高，且無法有效解決鉆孔深部的失穩(wěn)問題。

2.1.2 篩管護孔技術

篩管護孔技術是基于醫(yī)學領域心臟搭橋重建通道的思路，將護孔篩管送入鉆孔中，從而在鉆孔中預留一段骨架通道，當鉆孔發(fā)生塌孔或較大變形時，護孔篩管將作為瓦斯流動的通道避免鉆孔的完全失效。護孔篩管一般為阻燃、抗靜電的PVC或PE材質篩管，內徑為20～40 mm。在初期，該技術是在鉆桿完全退出后再向鉆孔內送入篩管，但由于鉆進時塌孔、孔斜造成鉆孔內壁不規(guī)則及篩管本身存在彎曲變形，使得這種方式難以將篩管送入至預定深度[21]，針對該問題，目前形成了一種不退鉆桿條件下的下篩管工藝[22-26]：當鉆孔鉆進到位后，不退鉆直接從大通徑的鉆桿中送入護孔篩管，送至下篩管專用鉆頭部位時，篩管將鉆頭的中部可旋轉橫梁頂開，并在前段懸掛裝置的作用下固定，隨后退出鉆桿完成施工，提高了篩管送入效率與成功率。篩管護孔技術可有效解決松軟煤層抽采過程中孔壁變形、塌孔造成的鉆孔堵塞失效，但需要配備專用的鉆桿、鉆頭與篩管，護孔成本較高。

2.2 堵塞鉆孔疏通技術

對于抽采過程中因變形、塌孔堵塞瓦斯流動通道而導致的鉆孔失效問題，需對鉆孔堵塞部位進行疏通才能恢復鉆孔抽采功能。根據(jù)疏通介質的不同，堵塞鉆孔疏通技術可分為機械式疏通和水射流疏通兩類。

2.2.1 機械式疏通技術

機械式疏通技術是較為傳統(tǒng)的鉆孔疏通技術，即在鉆孔堵塞后，利用鉆機和鉆桿或者其他機械裝置打通堵塞鉆孔的煤渣/塊，從而達到疏通鉆孔的目的。但是，機械式疏通技術在重新通孔時難以保證鉆桿沿原鉆孔軌跡前進，反而無法有效疏通堵塞，同時因涉及搬運、鉆桿連接、再次封孔等而顯得效率低下，煤礦現(xiàn)場較少采用這種方式修復鉆孔，該技術并未得到進一步的研究推廣。

2.2.2 水射流疏通技術

水射流疏通技術的原理是通過向鉆孔內送入射流噴頭，利用高壓水射流的沖擊疏通鉆孔堵塞段，同時將擊碎的煤渣排出鉆孔，實現(xiàn)失效鉆孔的水力化疏通修復。蘇現(xiàn)波等[27]研發(fā)了一種瓦斯抽采鉆孔水力作業(yè)機及一套“失效判斷—鉆孔修復—效果評價”的修復流程。該裝備是利用連續(xù)鋼管將噴頭傳送至鉆孔堵塞部位，通入高壓水形成射流對鉆孔進行疏通。劉曉等[28]認為水力作業(yè)機修復失效鉆孔具有三方面的作用：①疏通鉆孔；②擴孔作用；③卸壓作用。程虹銘等[29]在應用水力作業(yè)機時先后采用A、B兩種噴頭，A噴頭采用“前1后3”噴嘴布置形式，具有解堵排渣作用，B噴頭采用“側3后3”噴嘴布置形式，具有水力沖孔、卸壓增透的作用。葛兆龍等[30]提出了利用自進式噴頭牽引軟管結合高壓樹脂硬管推進的噴頭送進方法，以提高修復深度。劉勇等[31]基于煤渣水力輸送臨界流速分析了鉆孔修復水力參數(shù)，提出了最大修復深度計算模型，并通過對比得到“前5后3”的最優(yōu)噴嘴布置方式，為修復噴頭的設計提供了參考。

水射流疏通技術較其他鉆孔修復方法具有疏通效率高、操作簡便、單孔修復成本低等優(yōu)點，是當前鉆孔修復技術的研究熱點。但是現(xiàn)有的水射流疏通技術仍存在一定的問題：以水為介質修復，不適用于易吸水膨脹軟化的煤體鉆孔修復；現(xiàn)有的裝備如水力作業(yè)機、高壓水泵等體積較大，在井下狹小空間中易受限；自進式噴頭在失效鉆孔中的自進能力不穩(wěn)定，成功率較低等，上述問題需繼續(xù)深入研究。

3 鉆孔修護技術發(fā)展方向探討

目前，瓦斯抽采鉆孔修護技術經(jīng)過廣泛研究已初見成效，對于攻克松軟煤層鉆進、鉆孔抽采壽命短等難題具有重要的理論指導和裝備技術支撐的意義。通過對其研究進展的梳理，筆者認為其發(fā)展方向包括以下幾個方面：

1)瓦斯抽采鉆孔修復評價體系建立。判斷鉆孔抽采是否失效是應用修護技術的前提，根據(jù)鉆孔煤體賦存情況選擇適用的修護方法是關鍵，因此建立包括鉆孔失效判斷方法、修復技術適用性評價及修復效果評價在內的瓦斯抽采鉆孔修復評價體系是發(fā)展鉆孔修護技術的重點方向之一。

2)瓦斯抽采鉆孔隨鉆護孔技術研究。固化成孔、篩管護孔等技術是在鉆孔鉆進過程之外實施的護孔措施，增加了鉆孔完孔時間，不利于礦井抽掘采銜接，因此開展不影響鉆孔成孔效率的隨鉆護孔技術是鉆孔修護技術的發(fā)展趨勢之一。

3)堵塞失效鉆孔疏通—護孔一體化技術研究。當前的機械式或水射流疏通技術雖可以有效疏通鉆孔堵塞恢復鉆孔抽采，但是無法防止鉆孔修復后的再次塌孔或變形堵塞，有必要進一步開展例如射流疏通+篩管護孔的疏通—護孔一體化修護技術，同時研發(fā)小型化、高效率、便攜式的修護裝備是亟待解決的問題。

4 結論

1)從內部因素和外部因素兩方面討論了對鉆孔穩(wěn)定性的影響，在分析鉆孔周圍煤體應力分布及力學狀態(tài)的基礎上，對瓦斯抽采鉆孔失穩(wěn)機理研究進展進行了論述。

2)系統(tǒng)性梳理了“注漿加固技術”“篩管護孔技術”“機械式疏通技術”及“水射流疏通技術”等瓦斯抽采鉆孔修護技術的研究現(xiàn)狀，并指出了各自的適用條件及優(yōu)缺點。

3)探討了瓦斯抽采鉆孔修護技術的發(fā)展方向，認為建立系統(tǒng)性的瓦斯抽采鉆孔修復評價體系、研發(fā)隨鉆護孔技術和堵塞失效鉆孔疏通—護孔一體化技術是鉆孔修護技術的未來發(fā)展趨勢。