松軟煤層瓦斯抽采鉆孔“同心環(huán)”加固密封技術(shù)研究與應(yīng)用

包 若 羽

(1.應(yīng)急管理部信息研究院，北京 100029；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

對煤層進(jìn)行瓦斯抽采可以有效提升礦井采掘效率、減少瓦斯災(zāi)害導(dǎo)致的礦井生產(chǎn)安全問題，瓦斯治理效果表明，瓦斯預(yù)抽可以有效消除高瓦斯礦井巷道瓦斯體積分?jǐn)?shù)超限問題，并從源頭上降低和消除采掘工作面的瓦斯突出危險(xiǎn)性[1-3]。我國的松軟煤層礦井?dāng)?shù)量多且分布廣泛，松軟煤層強(qiáng)度低和穩(wěn)定性較差等特點(diǎn)造成了松軟煤層瓦斯抽采鉆孔密封難的問題，也直接導(dǎo)致了松軟煤層瓦斯抽采效果較差的現(xiàn)狀[4-6]。

煤層瓦斯抽采的前提是進(jìn)行鉆孔鉆進(jìn)，松軟煤層因其自身特點(diǎn)，在瓦斯場、應(yīng)力場以及采動(dòng)擾動(dòng)等復(fù)雜環(huán)境干擾下，鉆孔孔口區(qū)域易發(fā)生失穩(wěn)變形甚至塌孔的情況。在松軟煤層礦井現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，松軟煤層鉆孔成孔退鉆后孔口時(shí)常發(fā)生塌孔情況，這就造成打鉆結(jié)束后鉆孔無法及時(shí)下管密封等問題，再次疏孔掏孔不管從經(jīng)濟(jì)上還是時(shí)間角度考慮都會造成極大的浪費(fèi)，塌孔后的孔口段產(chǎn)生的大量漏氣通道也給礦井安全帶來隱患[7-8]。

近年來，大量國內(nèi)外研究集中在抽采鉆孔失穩(wěn)以及加固密封技術(shù)等的問題上。周福寶[8]考慮鉆孔漏氣數(shù)學(xué)模型后理論計(jì)算了抽采濃度與裂隙發(fā)育寬度的關(guān)系。梁運(yùn)培等[9]通過開展力學(xué)理論分析建立鉆孔失穩(wěn)的力學(xué)模型，分析了深孔處和孔壁處煤體失穩(wěn)破壞規(guī)律。王振等[10]將鉆孔受力分為3個(gè)區(qū)域并開展了詳細(xì)的理論力學(xué)建模。孫玉寧等[11]在基于傳統(tǒng)一次性囊袋密封技術(shù)提出并開發(fā)了密封與漏氣處置一體化技術(shù)理念。翟成等[12-13]針對高瓦斯、易突出松軟煤層鉆孔的變形失穩(wěn)問題開展了一系列理論研究，得到了巷道周圍巖層應(yīng)力和應(yīng)力2次分布是造成這些現(xiàn)象的本質(zhì)原因。在此基礎(chǔ)上的鉆孔加固密封技術(shù)也報(bào)道頻出，張超等[14]研究獲取了加固鉆孔與孔周位移減少量之間的關(guān)系，以此提出并現(xiàn)場工業(yè)性應(yīng)用了“強(qiáng)弱強(qiáng)”加固式動(dòng)態(tài)密封技術(shù)。但是目前針對松軟煤層鉆孔密封段失穩(wěn)情況的研究大多處于定性研究階段，對鉆孔孔口位置塌孔原因分析研究較少，特別是目前加固密封技術(shù)沒有解決鉆孔成孔過程中的塌孔問題，造成當(dāng)前松軟煤層瓦斯抽采鉆孔密封前鉆孔已經(jīng)變形失效無法密封的問題，最終導(dǎo)致松軟煤層礦井瓦斯抽采鉆孔密封效果仍不理想。

筆者根據(jù)已有抽采鉆孔密封段穩(wěn)定性研究結(jié)果[15]，結(jié)合松軟煤層自身特點(diǎn)，理論分析松軟煤層鉆孔孔口區(qū)域煤體受力情況和塌孔原因，在此基礎(chǔ)上，提出“同心環(huán)”加固密封方法，并詳細(xì)闡述該方法密封工藝流程，最后為驗(yàn)證新型加固密封效果，在山西某礦區(qū)N2106運(yùn)輸巷進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，上述研究可以為松軟煤層鉆孔合理密封提供技術(shù)職稱好理論依據(jù)，對松軟煤層瓦斯抽采鉆孔密封合理改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 松軟煤層鉆孔孔口煤體塌孔原因

井下巷道掘進(jìn)完成后，煤巖層原始應(yīng)力平衡被打破，應(yīng)力重新分布平衡過程中造成煤體產(chǎn)生彈塑性破壞變形，應(yīng)力集中向煤體深部逐漸轉(zhuǎn)移，由巷道表面圍巖向深部依次呈現(xiàn)出應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)、原始應(yīng)力區(qū)。在煤層中的鉆孔鉆進(jìn)完成后，鉆孔孔內(nèi)煤壁由孔徑方向向深部依次呈現(xiàn)出破碎區(qū)、軟化區(qū)以及彈黏性區(qū)，應(yīng)力分區(qū)與受力情況如圖1所示[9,12]。

Ⅰ—應(yīng)力降低區(qū)；Ⅱ,Ⅲ—應(yīng)力集中區(qū)；Ⅳ—原始應(yīng)力區(qū)圖1 巷道周圍應(yīng)力與鉆孔孔周應(yīng)力分區(qū)示意Fig.1 Schematic diagram of the stress around the roadway and the stress around the borehole

1.1 松軟煤層鉆孔孔口應(yīng)力環(huán)境分析

巷道掘進(jìn)與打鉆鉆進(jìn)雙重破壞下的鉆孔成孔后孔口區(qū)域易發(fā)生塌孔，對鉆孔煤體沿孔徑方向受力分析可以得到，鉆孔成孔后該區(qū)域煤體會發(fā)生瞬間變形，此過程伴隨時(shí)間效應(yīng)，煤體應(yīng)力到達(dá)峰值強(qiáng)度后會出現(xiàn)明顯的應(yīng)變軟化效應(yīng)，鉆孔孔周煤體力學(xué)模型如圖2所示，可將孔周煤體分為3個(gè)區(qū)域：破碎區(qū)、軟化區(qū)以及彈黏性區(qū)[16]。

Ⅰ—密封材料；Ⅱ—破碎區(qū)；Ⅲ—軟化區(qū)；Ⅳ—彈黏性區(qū)圖2 孔口區(qū)域煤體受力分區(qū)Fig.2 Zoning map of coal body force in the orifice area

(1)

(2)

式中：σc為煤體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；jc為軟化系數(shù)；A(t)為時(shí)間效應(yīng)方程；Rp為塑性區(qū)半徑，m；r為距離鉆孔中心點(diǎn)距離，m；kp為系數(shù)。

由于A(t)為含時(shí)間變量方程且與時(shí)間正相關(guān)關(guān)系，因此根據(jù)上式可以得到，孔口破碎區(qū)的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力隨時(shí)間呈現(xiàn)減小趨勢。由于松軟煤層自身具有流變性強(qiáng)、強(qiáng)度低等特點(diǎn)，鉆孔成孔后孔口破碎區(qū)煤體很快進(jìn)入加速變形階段，極短的時(shí)間效應(yīng)下就會造成鉆孔失穩(wěn)坍塌，致使鉆孔無法密封，如圖3所示。

圖3 鉆孔塌孔情況Fig.3 Drilling hole collapse

1.2 松軟煤層鉆孔孔口受外界環(huán)境影響分析

松軟煤層鉆孔極易受到外界環(huán)境的影響[18-19]，這也一定程度上加劇了鉆孔孔口塌孔情況的發(fā)生，具體分析如下：

1)松軟煤體易吸水后膨脹，煤體在水化作用下膨脹產(chǎn)生體積變形，鉆孔孔口區(qū)域在打鉆過程中時(shí)含水率較高，也易導(dǎo)致孔口破碎區(qū)域煤體吸水后膨脹變形。

2)松軟煤層吸附瓦斯能力更強(qiáng)，大多數(shù)松軟煤層礦井都為高瓦斯礦井，而賦存于松軟煤層中的瓦斯在鉆孔鉆進(jìn)過程中大量解吸溢出，破壞了原有應(yīng)力-瓦斯場的平衡，也易引起孔口破碎區(qū)域煤體失穩(wěn)。

3)松軟煤層相對其他條件煤層，更容易受到周圍鄰近層開采和掘進(jìn)等外界條件的影響。同時(shí)，在松軟煤層中打鉆，鉆孔偏移情況也較為常見，這也直接導(dǎo)致了鉆桿對鉆孔孔口卸壓區(qū)的劇烈擾動(dòng)，如圖4所示，也直接造成了退鉆后鉆孔孔口區(qū)域極易短時(shí)間發(fā)生塌孔的情況。

圖4 鉆進(jìn)偏移后鉆桿對孔口煤體擾動(dòng)Fig.4 Drill pipe disturbance to the coal body of the hole after drilling offset

因此，松軟煤層鉆孔孔口區(qū)域塌孔問題的合理解決需要一種預(yù)先加固鉆孔的密封工藝，在以往傳統(tǒng)密封工藝基礎(chǔ)上，利用混凝土噴涂支護(hù)與加固密封等技術(shù)技術(shù)思想[20-22]，筆者對新型密封段孔口預(yù)加固密封技術(shù)進(jìn)行探究。

2 “同心環(huán)”加固密封技術(shù)研究與應(yīng)用

2.1 “同心環(huán)”加固密封技術(shù)

松軟煤層鉆孔孔口塌孔問題亟需解決的是預(yù)先對鉆孔進(jìn)行加固，基于此課題組提出了“同心環(huán)”新型加固密封方法。其中，由圓形中心位置沿孔徑方向向外依次為“注漿密封環(huán)”和“護(hù)壁巖孔環(huán)”，“注漿密封環(huán)”依靠“兩堵一注”注漿工藝實(shí)現(xiàn)，位置位于鉆孔密封段應(yīng)力集中區(qū)域；“護(hù)壁巖孔環(huán)”依靠預(yù)先預(yù)注漿加固工藝實(shí)現(xiàn)，位置位于鉆孔孔口破碎區(qū)，“同心環(huán)”加固密封物理模型如圖5所示。

圖5 “同心環(huán)”加固密封模型示意Fig.5 Schematic diagram of the “concentric ring” reinforced seal model

其基本技術(shù)原理為:① 以將松軟煤層鉆孔孔口區(qū)較破碎、易失穩(wěn)的“煤孔”變?yōu)檩^為密實(shí)穩(wěn)定的“巖孔”為主體思路，利用常規(guī)鉆機(jī)鉆頭鉆進(jìn)5～10 m(通過文獻(xiàn)規(guī)律分析[15]得到合理加固深度為巷道的2倍寬度)。② 利用大孔徑鉆孔進(jìn)行加固段擴(kuò)孔，通過現(xiàn)場試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)孔直徑一般在預(yù)先鉆孔直徑的基礎(chǔ)上增加10～20 cm為宜。③ 利用注漿系統(tǒng)對孔口破碎區(qū)即加固段進(jìn)行注漿加固，待加固段完全凝固后再進(jìn)行常規(guī)抽采鉆孔鉆進(jìn)，最終形成“護(hù)壁巖孔”，“護(hù)壁巖孔”可有效增強(qiáng)鉆孔孔口區(qū)域穩(wěn)定性防止鉆孔坍塌，如圖6所示。

圖6 孔口預(yù)加固前后鉆孔對比 Fig.6 Comparison of drilling holes before and after pre-reinforcement

在上述“護(hù)壁巖孔”完成的基礎(chǔ)上，利用注漿系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力集中區(qū)域的“兩堵一注”加固密封注漿。經(jīng)過前后雙重帶壓注漿，不僅保證孔口位置早期漏氣裂隙封堵，又能對應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生的裂隙進(jìn)行有效密封。

總體來看，“同心環(huán)”加固密封工藝不僅縮短密封長度、節(jié)省囊袋式密封器等材料，也從技術(shù)上保證打鉆和密封工序的合理有序進(jìn)行。

2.2 “同心環(huán)”加固密封方法現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)選在山西某礦區(qū)N2106運(yùn)輸巷工作面，經(jīng)測試該工作面煤體堅(jiān)固性系數(shù)f<0.5屬于松軟煤層，N2106運(yùn)輸巷無特殊地質(zhì)構(gòu)造，煤層瓦斯含量現(xiàn)場實(shí)測為7.82 m3/t，總瓦斯涌出量為2.16 m3/min。

現(xiàn)場試驗(yàn)鉆孔選擇本煤層順層瓦斯抽采鉆孔，鉆孔由N2106運(yùn)輸巷向煤體打鉆，鉆孔垂直煤體設(shè)計(jì)孔深為130 m，鉆孔傾角-1°～2°成孔鉆孔平均深度127 m。鉆孔鉆進(jìn)完成后及時(shí)注漿密封并合網(wǎng)，圖7為試驗(yàn)鉆孔布置情況，2組試驗(yàn)鉆孔選取鉆進(jìn)進(jìn)尺、地質(zhì)情況、瓦斯涌出等條件均為相似的鉆孔以保證現(xiàn)場試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

圖7 測試地點(diǎn)N2106運(yùn)輸巷工作面布置Fig.7 The layout of the N2106 tape along the groove working surface at the test site

現(xiàn)場試驗(yàn)鉆孔分為A,B組，A組試驗(yàn)鉆孔采用正常打鉆方式配合普通“兩堵一注”密封技術(shù)，B組試驗(yàn)鉆孔采用“同心環(huán)”新型加固密封技術(shù)，2組試驗(yàn)鉆孔注漿均選擇CF膨脹固化密封材料。將兩組試驗(yàn)鉆孔分別記為A1～A10,B1～B10。

結(jié)合礦井實(shí)際情況并根據(jù)技術(shù)要求，B組試驗(yàn)鉆孔選擇直徑為140 mm的鉆頭進(jìn)行預(yù)加固區(qū)域打鉆，如圖8a和8b所示(抽采鉆孔為120 mm)、預(yù)加固深度為6 m，孔口處用膨脹膠囊(圖8c)封堵后注漿形成“預(yù)加固巖孔”，A組鉆孔選擇16 m的普通“兩堵一注”密封，B組鉆孔在6～16 m用囊袋式“兩堵一注”密封，囊袋式密封器如圖8d所示，井下現(xiàn)場試驗(yàn)情況如圖9所示。

圖8 現(xiàn)場試驗(yàn)所用裝置 Fig.8 Device diagram used in field test

圖9 現(xiàn)場鉆孔試驗(yàn)情況 Fig.9 Diagram of on-site drilling test

統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)鉆孔成孔情況可以發(fā)現(xiàn)，施工采用普通“兩堵一注”密封的A組鉆孔12個(gè)，得到的10個(gè)有效抽采鉆孔中7個(gè)鉆孔出現(xiàn)了退鉆后塌孔的情況，后經(jīng)2次疏孔通孔后方可進(jìn)行密封。施工“同心環(huán)”新型加固密封B組鉆孔14個(gè)，得到的10個(gè)有效抽采鉆孔均未出現(xiàn)退鉆后塌孔的情況，且由于孔口位置孔壁光滑致密，現(xiàn)場下管密封所用時(shí)間也極大縮減。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)效果考察

在N2106運(yùn)輸巷對2組試驗(yàn)鉆孔進(jìn)行3個(gè)月抽采濃度檢測，鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)測試頻率為兩天一次，測試當(dāng)天3班各測試一次后取平均值，現(xiàn)場測試結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 A組試驗(yàn)鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)測試結(jié)果Fig.10 Test results of gas concentration in the test boreholes of group A

通過對圖10、圖11測試結(jié)果對比分析后可以發(fā)現(xiàn)，圖10中A組試驗(yàn)鉆孔瓦斯抽采濃度在開始抽采后就出現(xiàn)明顯衰減，在抽采第30天時(shí)的平均濃度為21.2%，之后抽采體積分?jǐn)?shù)均在30%以下，抽采第60天和90天時(shí)的抽采平均濃度僅為10.1%和2.0%。

圖11中B組試驗(yàn)鉆孔瓦斯抽采濃度在前30 d基本都在30%以上，經(jīng)過30 d抽采后，瓦斯體積分?jǐn)?shù)逐漸出現(xiàn)明顯衰減，抽采第60天和第90天的平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為18.4%和10.9%，由此說明采用“同心環(huán)”加固密封試驗(yàn)鉆孔密封效果好于普通“兩堵一注”密封試驗(yàn)鉆孔。

圖11 B組試驗(yàn)鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)測試結(jié)果Fig.11 Test results of gas concentration in test boreholes in Group B

為進(jìn)一步考察“同心環(huán)”新型加固密封效果，在抽采后的第30 天時(shí)，從A,B兩組試驗(yàn)鉆孔中選擇具有代表性的4個(gè)鉆孔，測試鉆孔孔口負(fù)壓并計(jì)算瓦斯純流量，結(jié)果見表1。

表1 N2106試驗(yàn)鉆孔密封效果參數(shù) Table 1 N2106 test drilling sealing effect parameter table

從上表可以分析得到，試驗(yàn)鉆孔在抽采進(jìn)行到30 d時(shí)，A組試驗(yàn)鉆孔孔口負(fù)壓明顯小于B組試驗(yàn)鉆孔，最大孔口負(fù)壓差值達(dá)到0.029 m3/min，A組試驗(yàn)鉆孔瓦斯純流量較B組也明顯較小，B組試驗(yàn)鉆孔最大瓦斯純流量達(dá)到0.053 m3/min，這也進(jìn)一步表明B組試驗(yàn)鉆孔密封質(zhì)量較高。

綜上現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果可以得到，“同心環(huán)”加固密封技術(shù)不僅可以有效解決松軟煤層鉆孔退鉆后塌孔的問題，且由于兩次帶壓注漿作用影響，其封堵漏氣通道更完全，密封效果也好于傳統(tǒng)密封技術(shù)。

4 結(jié) 論

1) 理論分析了鉆孔孔口受力情況，并結(jié)合軟化區(qū)強(qiáng)度求解力學(xué)模型，分析發(fā)現(xiàn)在時(shí)間效應(yīng)下鉆孔成孔后孔口破碎區(qū)煤體容易發(fā)生失穩(wěn)坍塌。

2)松軟煤層由于其強(qiáng)吸附性、易膨脹性等特點(diǎn)易失穩(wěn)變形，且由于打鉆偏移后鉆桿對孔口的劇烈擾動(dòng)，也加劇了鉆孔孔口退鉆后易塌孔的情況。

3) 在山西某礦區(qū)N2106運(yùn)輸巷現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明，采用“同心環(huán)”加固密封的試驗(yàn)鉆孔均未出現(xiàn)退鉆后塌孔的問題，且抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)在前30 d均保持在30%以上，較采用普通“兩堵一注”試驗(yàn)鉆孔密封效果更好。

4) 通過對比抽采第30天的孔口負(fù)壓和瓦斯純流量結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，采用“同心環(huán)”加固密封試驗(yàn)鉆孔最大瓦斯純流量達(dá)到0.053 m3/min，進(jìn)一步證明采用“同心環(huán)”加固密封的鉆孔密封質(zhì)量更高。