軟煤瓦斯抽采鉆孔失穩(wěn)特性及控制技術研究現(xiàn)狀

徐超平，李 賀，魯 義，路潔心，施式亮

(湖南科技大學 資源環(huán)境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201)

松軟煤層是指堅固性系數(shù)f小于1的煤層，主要由于斷層和層滑等原因所形成，因此也稱為構造煤層[1]。松軟高瓦斯煤層廣泛分布于淮南、松藻、平頂山、鐵法、盤江等礦區(qū)，其瓦斯資源儲量為56 073億m3，占全國瓦斯儲量的39.2%[2]。然而，松軟煤層厚度變化大、力學強度低，在鉆頭和鉆桿的旋轉擾動下，瓦斯抽采鉆孔極易發(fā)生大范圍變形甚至坍塌。并且，松軟煤層滲透率普遍較低，瓦斯含量和壓力高、解吸速度快，瓦斯抽采鉆孔前方易形成高壓區(qū)，容易誘發(fā)頂鉆、噴孔等瓦斯動力現(xiàn)象。隨著煤炭資源深部開采趨于常態(tài)，地層深部的高溫、高應力環(huán)境導致松軟煤層瓦斯治理難度急劇增大[3]。提高瓦斯抽采鉆孔成孔率及穩(wěn)定性是松軟煤層瓦斯治理的關鍵之一。筆者系統(tǒng)總結松軟煤層瓦斯抽采鉆孔失穩(wěn)機理及規(guī)律，并結合現(xiàn)有鉆孔成孔技術及鉆孔失穩(wěn)控制技術，探討松軟煤層瓦斯抽采鉆孔高效成孔的發(fā)展方向。

1 軟煤鉆孔失穩(wěn)機理及規(guī)律

1.1 鉆孔變形、坍塌機理及規(guī)律

1)煤體結構?？蓪@孔失穩(wěn)描述為在外界擾動下鉆孔周圍含瓦斯煤體應力場重新分布引起的動力失穩(wěn)現(xiàn)象。煤體結構直接決定鉆孔失穩(wěn)特征及影響范圍，然而，現(xiàn)有研究僅從煤體破壞程度、形態(tài)特征及成因等方面對煤體結構進行定性描述，缺乏能定量表征煤體結構并進一步揭示鉆孔失穩(wěn)機理的方法。地質強度指標GSI是當前對煤體結構定量表征的主要方法[4]，如表1所示。另外，Hoek-Brown準則可作為Ⅰ類煤層鉆孔失穩(wěn)的判定條件[5]。而Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類煤層鉆孔失穩(wěn)的必要條件為：煤體強度不足發(fā)生破壞、裂紋在應力作用下擴展、裂紋在瓦斯壓力作用下繼續(xù)擴展至相互貫通。因此，GSI和鉆孔圍巖應力的不均衡性是影響鉆孔穩(wěn)定的關鍵因素[6]。

表1 煤體結構類型與GSI值的對應關系[4]

2)圍巖應力。國內外學者通過實驗和數(shù)值模擬對鉆孔圍巖穩(wěn)定性進行了研究。張學博[7]、李志華[8]等根據(jù)FLAC3D模擬結果指出了由埋深和側壓系數(shù)決定的地應力是影響鉆孔穩(wěn)定性的主控因素；煤層埋深越大、側壓系數(shù)越高、煤體力學強度越低，則鉆孔穩(wěn)定性越差。王志明等[9]通過“升壓→恒壓→卸壓”應力循環(huán)加載鉆孔失穩(wěn)試驗表明：①鉆孔成孔初期，圍巖損傷劇烈，但孔壁裂紋不明顯，損傷效應主要表現(xiàn)為鉆孔收縮；②卸壓階段孔壁損傷較小，恒壓階段孔壁持續(xù)損傷，升壓階段則會加劇鉆孔收縮并擴大孔壁損傷范圍；③多次循環(huán)后，孔壁裂紋擴展、貫通最終導致鉆孔失穩(wěn)。由于煤體力學強度、側壓系數(shù)及初始應力等影響因素難以通過現(xiàn)有技術方法改變，因此，增大圍巖力學強度，減小塑性區(qū)范圍及鉆孔徑向位移是提高抽采鉆孔穩(wěn)定性和成孔率的重點研究方向。

3)孔隙壓力。松軟煤層在鉆進過程中，由于瓦斯放散初速度和涌出量較大[10]，急劇增大的瓦斯孔隙壓力會導致孔壁煤體軟化變形；同時，煤體流變會導致鉆孔收縮，松軟煤層強度低，流變現(xiàn)象更為嚴重，鉆孔失穩(wěn)破壞可能性也更大[11]。隨著抽采時間延長，孔隙壓力逐漸減小至與抽采負壓持平，導致煤層節(jié)理裂隙受力加劇，進而誘發(fā)鉆孔失穩(wěn)，即鉆孔失穩(wěn)是由瓦斯孔隙壓力和節(jié)理裂隙共同造成的，且鉆孔失穩(wěn)存在時間延遲效應[12]。另一方面，軟煤在地應力作用下發(fā)生蠕變，蠕變煤體進入鉆孔會阻礙后續(xù)煤體流變和卸壓范圍擴展，致使鉆孔變形、垮落甚至坍塌[2]，進而降低瓦斯抽采效率，如圖1所示。此外，煤層初始瓦斯壓力也是孔壁變形、坍塌的主要影響因素，鉆孔坍塌危險性隨煤體黏聚力增大而減小，隨煤層初始瓦斯壓力增大而增大[2]。

圖1 鉆孔失穩(wěn)的主要形式[2]

4)鉆進方式。鉆進方式是影響瓦斯抽采鉆孔穩(wěn)定性的外部因素，主要體現(xiàn)在鉆桿擾動、鉆進速度、鉆孔直徑與深度、介質沖洗方法等方面。松軟煤層受鉆進擾動影響，裂隙發(fā)育擴展、強度降低，在高壓瓦斯作用下易發(fā)生瞬間失穩(wěn)。實踐表明：擾動作用和煤與瓦斯突出危險性隨鉆進速度增大而增大[13]。此外，鉆孔形變會經(jīng)歷快速形變、緩慢形變和基本穩(wěn)定3個階段。鉆孔形變量隨鉆孔直徑增大而增大，隨鉆孔深度增大而減小[14]。沖洗鉆孔時，水流或空氣流動對孔壁的沖刷作用也會導致煤層強度下降、膨脹崩解，進而引發(fā)鉆孔整體性失穩(wěn)[10]。

1.2 鉆孔噴孔機理及規(guī)律

鉆孔噴孔的宏觀表現(xiàn)為煤巖體與瓦斯在高應力和鉆進擾動作用下，短時間內以極高速度和極大沖擊力猛烈噴出。鉆孔噴孔前，必然先發(fā)生煤體的失穩(wěn)破壞，煤體破壞分為以地應力作用為主的剪切破壞和以瓦斯作用為主的拉伸破壞。鉆孔發(fā)生拉伸破壞后，根據(jù)積蓄能量的不同會產(chǎn)生2種情況[15]：①裂隙擴展并噴出瓦斯；②粉碎煤體并引發(fā)強烈噴孔。忽略鉆進擾動的情況下，孔底周圍剛揭露煤體的應力狀態(tài)可分為以下情況進行討論[16]：

1)鉆孔鉆進至煤巖破碎區(qū)時，鉆孔應力狀態(tài)如圖2(a)所示，此時煤體承載力較弱且形變量大易發(fā)生垮孔，即：

σr+αprδij≥C+f

(1)

式中：σr為煤體徑向應力，MPa；α為等效孔隙壓力系數(shù)；pr為徑向瓦斯壓力，MPa；δij為Kronecker符號；C為黏聚力，MPa；f為摩擦阻力，MPa。

圖2 鉆孔應力狀態(tài)[16]

2)鉆孔鉆進至煤巖塑性區(qū)時，鉆孔應力狀態(tài)如圖2(b)所示，此時裂隙發(fā)育和圍壓的控制作用會積蓄較高的彈性潛能與瓦斯內能，當形變潛能超過孔壁所能承受的載荷時會造成垮孔甚至噴孔，即：

(2)

3)鉆孔鉆進至煤巖彈性區(qū)時，應力梯度逐漸減小，孔裂隙發(fā)育程度弱，鉆孔失穩(wěn)概率較低。

因此，孔壁失穩(wěn)坍塌可歸結為孔壁周圍煤體所受應力超過其自身強度而發(fā)生的剪切破壞。忽略鉆進擾動的影響，噴孔也分為2種情況：①在高應力梯度下，孔壁煤體突發(fā)性破壞導致噴孔；②孔壁煤體發(fā)生破壞并大面積垮落，堵塞鉆孔進而引發(fā)噴孔。

實際施工鉆孔時，煤巖體在高應力環(huán)境下，內部裂隙萌生、擴展及貫通，而鉆進擾動使煤巖體由三向應力狀態(tài)變?yōu)殡p向甚至單向受力狀態(tài)，繼而形成應力增高區(qū)，使圍巖由彈性狀態(tài)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)，降低鉆孔圍巖承載力及穩(wěn)定性[17]。當應力超過圍巖屈服極限時，孔壁煤體隨彈性應變能的突然釋放而瞬間崩落，引發(fā)鉆孔噴孔。

根據(jù)鉆孔圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律(鉆孔圍巖塑性區(qū)分布范圍隨GSI增大而減小)，鉆孔失穩(wěn)破壞類型可歸納為3類，如表2所示。

表2 煤層鉆孔失穩(wěn)破壞類型及其控制因素[5]

由于軟煤節(jié)理、裂隙破壞嚴重，煤體處于塑性狀態(tài)且積聚大量瓦斯，施工鉆孔時，煤體在瓦斯內能及切向應力的擠壓作用下，極易發(fā)生噴孔破壞[5]。

綜上所述，鉆孔失穩(wěn)主要受煤體基本力學性質、孔周應力環(huán)境、孔隙壓力及鉆進方式影響，而地應力與瓦斯壓力的共同作用，導致圍巖裂隙進一步擴展，最終發(fā)生煤與瓦斯噴出。迄今為止，關于鉆孔失穩(wěn)機理的認識與研究都是假說性的，如何探究鉆孔失穩(wěn)階段所包含的力學及非力學過程，揭示誘發(fā)鉆孔失穩(wěn)的主導因素及其作用機制，是亟待解決的難題。

2 軟煤鉆孔失穩(wěn)綜合防治技術

2.1 護孔防噴技術裝置

1)打鉆防噴技術。軟煤瓦斯抽采鉆孔通常采用回旋式鉆機施工，鉆進時產(chǎn)生的煤渣經(jīng)由鉆桿與孔壁間隙排出，易造成孔內支撐力不足，繼而引發(fā)鉆孔失穩(wěn)。另一方面，煤渣不及時排出易造成堵孔，進而導致瓦斯應力梯度驟增引發(fā)噴孔。為此，目前主要采用可實現(xiàn)氣(瓦斯)、水(打鉆水)、渣(煤渣)有效分離的鉆孔噴孔防護裝置[18]，如圖3所示，將瓦斯預抽鉆孔穿透煤層時噴出的高壓瓦斯流直接抽入瓦斯抽放管，既能延長穿煤時間、增加穿煤深度，又能提高瓦斯抽采效率。然而，此類裝置只適用于噴出煤渣量少、持續(xù)時間短的噴孔，若發(fā)生劇烈噴孔則會導致收集容器被煤渣瞬間填滿，失去護孔防噴作用。

圖3 鉆孔噴孔防護裝置[18]

2)篩管護孔技術。鉆孔成孔后的失穩(wěn)防治技術主要是在鉆孔內下放篩管，篩管不僅起到護壁作用，還能在鉆孔失穩(wěn)后充當瓦斯流動通道。松軟煤層穩(wěn)定性極差，退鉆后安設篩管的方法易造成孔壁失穩(wěn)坍塌，加之孔壁形狀不規(guī)則及篩管本身的彎曲變形，篩管難以送至預定深度。因此，全孔段下放篩管護孔技術[19]應運而生，如圖4所示。該方法先采用大通孔開閉式鉆頭施工鉆孔，再將篩管和固定裝置從鉆桿與鉆頭的內通孔送至孔底，最后提出鉆桿與鉆頭并將篩管留在鉆孔內。該方法不僅能加深篩管安設深度，還能增加瓦斯抽采鉆孔的穩(wěn)定性、提高抽采瓦斯?jié)舛萚20]。然而，該方法需要配備專用的鉆桿、鉆頭和篩管，成本較高，且由于鉆孔應力狀態(tài)復雜多變，護孔效果難以保證。

圖4 全孔段下放篩管護孔技術及關鍵裝置[19]

3)鉆孔攝影技術。近年來，鉆孔攝影技術逐步應用于觀察煤礦井下鉆孔圍巖結構，主要使用設備有光導纖維鉆孔窺視儀和電子鉆孔窺視儀2種[21]。然而，該方法只能用于成孔初期的孔壁觀測，且相較于施工鉆孔的長度，觀測距離較短。與此同時，針對孔內事故處理中存在的不可視、盲目性等問題，基于礦用鉆孔成像儀的孔內事故可視處理技術[22]應時而生，該技術配套相應的打撈工具和推送裝置，不僅提高了卡鉆塌孔等事故處理的成功率，還能滿足深孔事故處理的需要。鉆孔成像技術主要在孔內事故處理時起輔助判斷的作用，但裝置的推送深度仍需進一步提升。

2.2 鉆孔圍巖注漿加固技術

鉆孔圍巖注漿加固技術是指向鉆孔內壓注水泥等材料充填圍巖裂隙并固結破碎煤體，從而提高圍巖的抗變形能力的一種技術[23]。目前主要采用“大孔鉆進→注漿護壁→小孔抽采”的加固密封技術[24]，即先施工一個“大孔徑”鉆孔，然后采用高強度的注漿材料加固該鉆孔，待漿液凝固后在該鉆孔加固段以“小孔徑”打孔，最后密封鉆孔。該方法不僅能提高煤體黏聚力、增強煤巖體穩(wěn)定性，還能降低煤巖體的內部應力和尖端拉力，減少外力破壞，從而提高施工鉆孔的成孔率。

2.2.1 充填膠凝材料

迄今為止，有關科研人員針對注漿加固材料做了大量的研究，認為漿液的黏結性是決定其與煤體結合程度及結合體固化強度的重要因素。其中，水泥基類無機注漿材料與煤壁結合性較強，能有效防止因鉆孔失穩(wěn)引起的圍巖膨脹破裂；而聚氨酯類有機注漿材料與煤壁結合性較差，圍巖膨脹破裂時易出現(xiàn)中空區(qū)域[25]。漿液流經(jīng)破碎煤巖體時會填充孔裂隙，隨后開始凝結，從而形成類似骨架的固結脈狀結構，起到支撐煤巖體的作用。因此，減小注漿材料粒徑、提高充填程度能降低固結體的孔隙率進而增大抗壓強度。

鑒于此，有學者采用超細加工處理硫鋁酸鹽水泥基注漿材料以減小顆粒粒徑、降低漿液的泌水率、縮短凝結時間，從而提高漿液穩(wěn)定性與抗壓強度[26]。通過在超細水泥漿液中添加高分散性SiO2[27]和聚羧酸高效減水劑[28]能有效降低漿液黏度，延長其在圍巖裂隙中的擴散距離。此外，在超細化硫鋁酸鹽水泥基注漿材料中添加有機調節(jié)劑HA而配制出的無機—有機復合注漿材料[29]，利用HA與煤表面接觸反應形成的氫鍵作用使?jié){液與煤界面緊密結合，提高了其與煤的黏結強度，如圖5所示。

圖5 無機—有機復合材料黏結機理模型[29]

2.2.2 水泥基泡沫材料

水泥基泡沫材料是由水泥漿體與水基泡沫混合而成的材料，初始呈泡沫流體狀，凝結固化后形成多孔塑性泡沫體，既能承受采動應力影響，又能減少煤巖固結體二次裂隙發(fā)育。水泥基泡沫材料的抗壓強度取決于漿體強度、黏結性及內部孔隙結構，且漿體強度對材料抗壓強度的影響程度會隨著內部氣孔體積增大而減小。當水膠比較低時，材料抗壓強度隨水膠比增大而增大[30]；而當水膠比增大到一定程度時，材料孔隙率雖然降低，但孔徑增大使內部氣孔分布不均勻，易產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，導致抗壓強度降低[31]。即通過控制宏觀孔(孔徑大于200×103nm)的數(shù)量，既能提高材料的透氣性，又能削弱微孔隙增多導致抗壓強度降低的不利影響。此外，泡沫摻量的增加會導致孔隙率急劇增大而抗壓強度逐漸降低[32]，如圖6所示，但兩者變化存在一個平衡點，即通過調節(jié)泡沫摻量可使材料兼具高強度與高透氣性。

圖6 泡沫摻量對材料抗壓強度與孔隙率的影響[32]

綜上所述，現(xiàn)有研究多致力于提高注漿材料的黏結性、滲透性及抗壓強度，忽略了固化材料的透氣性，導致注漿加固材料僅能維持鉆孔穩(wěn)定，無法兼顧釋放瓦斯壓力、促進瓦斯?jié)B流的作用，嚴重制約了護孔材料和注漿加固技術的深入發(fā)展。

3 結語

1)鉆孔失穩(wěn)主要受煤體基本力學性質、孔周應力環(huán)境、孔隙壓力及鉆進方式的影響，當前關于鉆孔失穩(wěn)機理的認識與研究都是假說性的，仍需進一步研究揭示誘發(fā)鉆孔失穩(wěn)的主導因素及其作用機制。

2)系統(tǒng)梳理了鉆孔失穩(wěn)控制技術的研究現(xiàn)狀，并總結了各項技術的適用條件及優(yōu)缺點，認為研發(fā)隨鉆護孔防噴與可視化疏通修復一體化技術是鉆孔失穩(wěn)防治的未來發(fā)展方向。

3)研制可注性強、力學強度高、開放孔隙多、滲透率高的納米漿泡材料，既能固孔抑噴、釋放瓦斯?jié)撃?，又能促進瓦斯?jié)B流，延長鉆孔服務周期，在松軟高瓦斯煤層礦區(qū)將具有廣泛的應用前景。