松軟突出煤層鉆孔護壁力學作用機理分析

摘要：為了解決松軟突出煤層鉆進問題，提高鉆進深度，為了有效阻止松軟煤層抽采鉆孔塌孔的情況，在討論了不同鉆孔護壁方法的技術原理的基礎上，結合彈塑性“圍巖-支護”理論，建立鉆孔護壁力學模型，采用數值分析的方法，分析鉆孔在不同內壓條件下，鉆孔周圍煤體應力、變形量變化規律。研究結果表明，伴隨孔壁內壓增大，鉆孔變形量呈減小趨勢，最大主應力σ 1峰值位置左移，塑性松動區呈縮小趨勢；次主應力σ 3對應曲線整體上移，鉆孔周邊的應力集中現象有增長趨勢。通過鉆孔護壁力學作用機理分析，應用鉆孔護壁技術，可有效減小或阻止鉆孔變形，預防塌孔，保證鉆孔的最大排渣空間，有利于施工較深的瓦斯抽采鉆孔。

關鍵詞：鉆孔護壁；松軟煤層；瓦斯抽采

中圖分類號：TD823.82文獻標志碼：A

[WT]文章編號：1672-1098（2012）04-0050-06

作者簡介：王永龍（1980-），男，河北承德人，在讀博士，從事瓦斯抽采及其關鍵裝備方面的研究。

本煤層深孔鉆進技術是井下瓦斯抽采的關鍵技術之一。鉆孔深度決定著瓦斯抽采的范圍和效率，同時也間接影響回采的效率。由于我國煤層條件復雜多變，本煤層深孔鉆進的難易程度差別很大，有很多技術難題和技術矛盾并沒有得到根本解決。在我國，河南平煤集團、鄭煤集團、義煤集團，山西晉煤集團、陽煤集團，安徽淮南礦業集團，許多礦區煤層為松軟突出煤層，煤堅固性系數為0.2～0.5，煤體松軟，且瓦斯壓力波動較大，施工鉆孔難度大。在施工過程中，鉆孔在地應力、瓦斯壓力和鉆桿擾動力的作用下，鉆孔變形量大，在鉆孔深部易出現塌孔，卡鉆、斷鉆事故頻發，嚴重影響鉆進深度和鉆進效率。

多年來，國內外科研人員進行了各種技術途徑的研究，取得了一些成果。鉆機方面，引進了國外的千米鉆機[1]；國內鉆機逐步趨于大扭矩，如ZDY3200、ZDY4000、ZDY6000等系列鉆機[2]；同時，近幾年煤炭科學研究總院西安研究院開發研制了ZDY6000LD（A）型履帶式全液壓千米定向鉆機[3]。鉆具方面，先后提出扒孔降溫鉆具[4-5]、低螺旋鉆桿[6-7]和三棱鉆桿[8]。上述鉆進裝備方面的研究，對于提高松軟煤層鉆進深度，緩解松軟煤層的鉆進問題具有一定的推動作用。

為解決松軟突出煤層的鉆進難題，科研人員將鉆孔護壁技術應用于松軟煤層鉆進，如研制套管，配合鉆機，實現跟管鉆進；應用保壓鉆進技術，在孔內形成高壓流體，即，孔壁形成內壓，預防塌孔；在鉆進過程中，向孔壁噴涂泥漿，提高孔壁強度等系列措施。

上述系列鉆孔護壁措施，其根本原理是在鉆孔內壁形成預防鉆孔塌孔的內壓，因此，鉆孔護壁技術中孔壁內壓是一個極為重要的參數。本文通過系統分析常用鉆孔護壁技術的原理，基于彈塑性“圍巖-支護”體系理論分析，建立相應數學模型；通過設置不同的鉆孔內壓，對比分析鉆孔孔壁施加內壓后，對鉆孔變形、應力的影響，讓工程技術人員更加清晰的認識鉆孔護壁技術的作用機理，同時，也可為鉆孔護壁技術提供可參考的技術參數及分析方法。

1常用鉆孔護壁技術

根據常用鉆孔護壁技術特點，將鉆孔護壁技術分為主動式鉆孔護壁和被動式鉆孔護壁。

1.1主動式鉆孔護壁方法

主動式鉆孔護壁，是指成孔與鉆孔護壁同步進行。

1）國外專用套管鉆機。主動式鉆孔護壁方法的應用較早，同時應用也較為廣泛。國外套管鉆機的研制與應用也是套管護壁技術的一種體現，套管鉆機為法國貝諾脫首創，隨后在日本、英國等國引進并改進，已有60多年的歷史。套管鉆機主要應用于鉆孔灌注樁的各類施工，但也有應用于煤礦鉆孔施工的，如日本太平洋興發株式會社研制的雙重管鉆機，2004年該鉆機在鶴煤業集團六礦進行了試驗。該鉆機的原理是：套管護孔鉆進，鉆屑由套管與鉆桿之間的夾層排出，防止鉆孔塌孔和堵塞。在本煤層打鉆的過程，由于地質構造（斷層、構造煤）的因素使得深孔鉆進難以實現，多數鉆孔深度50～100m。該鉆機配套設備龐大，需要較大鉆場，難以適應井下條件，鉆套去除困難，鉆進工藝復雜，鉆進效率偏低。

2）國內跟管鉆進技術。在我國，松軟突出煤層，煤體松散，鉆孔變形嚴重，施工時鉆孔隨鉆隨垮，出現卡鉆、抱鉆等鉆孔事故，鉆孔長度難以達到設計要求，無法實現成孔退鉆后，再下套管護孔?？紤]到頂鉆、卡鉆只在塌孔地段發生，如在該區段內考慮拖埋護孔鋼管或塑料管，就能防止噴孔塌孔后鉆孔堵塞。湖南省煤炭科學研究所研制了采用拖動式下套管方式，有針對性地對煤孔縮徑區段進行下套護孔[9]，通過工業性試驗取得了不錯的效果。

3）孔內水壓護壁技術?？變人畨鹤o壁技術主要應用于鉆進工程中，在鉆孔中通入一定壓力的水或泥漿，即可排出鉆屑，同時可預防孔壁失穩形成塌孔。文獻[10]提出突出煤層保壓鉆進切縫設備及其方法可以防止在鉆進過程中發生噴孔或者塌孔，實現松軟突出煤層深孔鉆進。

1.2被動式鉆孔護壁方法

被動式鉆孔護壁的重要技術特點是先成孔，后護壁。鉆孔完成后，通過鉆桿內部向已成孔的煤層中下入篩管，篩管為鋼管或塑料管（鋼化管），防止煤層塌孔后鉆孔堵塞。延長瓦斯的抽采時間。下篩管的方法有兩種：一種是鉆孔打到位后，先起出鉆桿再下套管；另一種是從鉆桿內直接下套管。鉆桿內直接下套管近幾年應用較為廣泛，具體方法是鉆孔到達預定孔深后，將抗靜電阻燃可碎性篩管通過大通孔鉆桿的內孔下到鉆孔內，并將鉆頭頂脫，然后將鉆桿提出孔外，將篩管留在孔內并成為瓦斯排出煤層或抽采瓦斯的通道[11]。

該方法也可歸類于護壁技術的應用，是被動式鉆孔護壁方法最為被動的一種方式，由于不能與鉆進過程同步，因此，它只能是鉆孔施工完成后，為防止鉆孔變形量過大造成塌孔而影響瓦斯抽采，也就是說它對于后期抽采具有不錯的效果，但對于成孔過程遇到的卡鉆、塌孔無任何預防作用。

綜上分析，無論主動式鉆孔護壁方法，還是被動式鉆孔護壁方法，其基本原理都是通過在鉆孔內部加支撐管或直接加內壓形式，由于采取的方式不同，內壓形成的時間和方式有所不同，支撐管對孔壁形成的支護壓力，時間上滯后于鉆孔變形，直接加內壓形式可與鉆進同步，但需要解決的技術問題較多。

2鉆孔護壁力學模型

2.1基本假設

瓦斯抽采鉆孔可視為微型圓形巷道，基于鉆孔護壁原理及其采用的技術手段，相當于在鉆孔內壁形成內壓，減少或阻止鉆桿變形的進一步擴大。設煤層圍巖為均質，各向同性彈塑性材料服從Mohr-Coulomb強度準則。鉆孔斷面為圓形，且鉆孔沿軸向長度較長，當埋深遠大于或等于20倍開挖巷道半徑時，可忽略巷道影響范圍內巖石的重力，從而可將此開挖問題簡化為平面應變模型進行分析[12-13]。

2.2鉆孔模型的彈塑性分析

鉆孔成孔后，由于應力重新分布，鉆孔周圍煤巖中形成塑性區和彈性區，在考慮內壓的情況下，可應用彈塑性支護理論，將“支護-圍巖”作為一個體系，通過對圍巖的彈塑性分析，獲得圍巖應力、變形和塑性區半徑的計算方法[14]（見圖1）。

隨著距孔壁距離增大，徑向應力σ r由零逐漸增大，應力狀態由孔壁的單向應力狀態逐漸轉化為雙向應力狀態，圍巖也就由塑性狀態逐漸轉化為彈性狀態。圍巖中形成塑性區1、2，彈性區3，原巖應力區4。塑性區1為應力降低區，一般稱之為“松動圈”，設其半徑為r c，塑性松動圈的出現，使圈內一定范圍內的應力因釋放而明顯降低，而最大應力集中由原來的洞壁移至塑性圈、彈性圈交界處，使彈性區的應力明顯升高。塑性區2與彈性區3相當于原巖應力為應力升高區，一般稱之為“承載區”。

1）塑性區應力、位移求解方程。

2）彈性區與塑性區交界面應力求解方程。

3）彈性區應力、位移求解方程式（適用范圍：R p≤r≤∞）。

4）鉆孔壁應力求解方程。塑性圈內鉆孔壁圍巖重分布應力與巖體天然應力σ 0無關，而取決于巖體強度c、φ值，其求解方程為

3鉆孔護壁力學原理數值計算

3.1計算模型及材料參數

基于彈塑性“支護-圍巖”體系理論分析，采用有限元方法，對鉆孔開挖進行數值計算。設鉆孔平均直徑為0.2m，煤層埋深為600m?；阢@孔護壁原理，通過在鉆孔內壁設置內壓的形式進行數值計算，鉆孔內壁設置內壓方式為kγH，k為內壓系數，γH為原始地應力。

本計算建立k=0.12、k=0.08、k=0.04、k=0.01、k=0五種模型（見圖2）。

3.2內壓作用機理初步分析

首先將圖2b和圖2e計算結果進行對比分析，即考慮有內壓和無內壓時，孔壁變形量、應力變化情況。

為分析鉆孔在不同內壓作用下，鉆孔變形及應力變化情況（見圖3），將OA線作為計算結果數據提取觀測線，起點為O，終點為A。

鉆孔變形量、應力沿觀測線長度變化趨勢如圖4所示。坐標以鉆孔中心為坐標圓點，沿鉆孔觀測線長度方向，對照圖2鉆孔周圍彈塑性應力分布，同樣分為四個區域：Ⅰ塑性松動區、Ⅱ塑性承載區、Ⅲ彈性承載區和Ⅳ原巖應力區。鉆孔周邊虛線代表當k=0時鉆孔周圍彈塑性應力分布區域，實線表示當k=0.08時鉆孔周圍彈塑性應力分布區域。

孔壁施加內壓后，基于圖4結果，進行如下分析：

1）內壓系數由k=0到k=0.08，塑性松動區Ⅰ與塑性承載區Ⅱ交界線、塑性承載區Ⅱ與彈性承載區Ⅲ交界線由虛線位置收縮到實線位置，在孔壁內壓作用下，塑性松動區呈縮小趨勢，最大主應力σ1的初值上移增大，峰值位置左移。

2）內壓系數由k=0到k=0.08，次主應力σ3的初值上移增大，在鉆孔周邊的應力區域，σ3對應曲線整體上移。

3）內壓系數由k=0到k=0.08，孔壁最大變形量減小了接近1倍，沿觀測線長度方向鉆孔變形量逐漸減小。

3.3孔壁變形量、應力變化規律分析

1）鉆孔變形量。鉆孔變形量沿觀測線長度變化趨勢如圖5所示。當k=0時，即，未采取孔壁支護技術，孔壁變形量達到最大值，煤孔的變形量接近4.5mm，根據鉆孔的對稱性，鉆孔底部凸起變形也將達到4.5mm，排渣空間平均高度縮小9mm，由于鉆孔空間縮小，排渣阻力增大，易出現鉆孔堵塞、卡鉆等現象，使鉆進難以進行；當在鉆孔內壁加內壓時，隨著內壓的逐漸增大，鉆孔壁的變形量逐漸縮小，這也證明采用鉆孔護壁技術，可有效的減小或阻止鉆孔變形量，保證鉆孔上部有較大的排渣空間，相應保障了排渣順暢。

2）鉆孔應力分析。提取最大主應力σ 1沿觀測線OA的應力值（見圖6），σ 1在本計算中為切向應力，伴隨孔壁內壓逐漸增大，即內壓系數由k=0

增長到k=0.12，最大主應力曲線整體向鉆孔中心線移動。隨著孔壁內壓增大，鉆孔周邊最大主應力峰值也呈增大趨勢，可見，隨著內壓的增大，塑性承載區Ⅱ與彈性承載區Ⅲ交界處的應力集中程度也明顯增高。

通過提取次主應力σ 3沿觀測線OA的應力變化對比圖（見圖7），σ 3在本計算中為徑向應力，伴隨孔壁內壓逐漸增大，σ 3曲線整體上移。在鉆孔的內壁，當k=0時，孔壁的徑向應力為0，伴隨孔壁內壓逐漸增大，孔壁的徑向應力值與內壓值相等，結合圖7，這與式（10）的理論計算結果保持一致。

3）鉆孔塑性范圍分析。當孔壁未施加內壓時，即當k=0

時，鉆孔周邊屈服百分比為100%，表明該范圍之內，煤體受剪切破壞或拉伸破壞影響，形成塑性松動區（見圖8），未施加內壓時，形成的松動圈半徑約為0.3m，從該位置向煤體深處延伸，煤體的屈服百分比逐漸降低，即煤體進入塑性承載區，到接近0.4m處，屈服百分比為0，表明煤體由塑性承載區向彈性過渡。當孔壁內壓逐漸增大時，鉆孔周邊的塑性松動區半徑逐漸減小，當k=0.12時，塑性松動區半徑已縮小到0.2m以內。

4結論

1）基于彈塑性“圍巖-支護”體系理論，結合Mohr-Coulomb強度準則，對鉆孔開挖進行數值計算，通過設置不同的鉆孔內壓，對比分析鉆孔孔壁施加內壓后，對鉆孔變形、應力的影響。計算結果表明鉆孔孔壁施加內壓后，伴隨孔壁內壓增大，可有效減小鉆孔變形量，本計算中，鉆孔變形量減小了近1倍；塑性松動區呈縮小趨勢，最大主應力σ 1的初值上移增大，峰值位置左移；次主應力σ 3對應曲線整體上移，鉆孔周邊的應力集中現象有增長趨勢，且應力集中區域向鉆孔中心靠近。

2）孔壁施加內壓后，通過對鉆孔周邊變形量的分析可知，采取鉆孔護壁技術方案后，當采用的方案能夠在孔壁形成主動內壓時，可有效減小鉆孔變形量，預防塌孔，保證鉆孔的最大排渣空間，有利于施工較深的瓦斯抽采鉆孔；當采用的方案未能在孔壁形成主動內壓時，也可預防鉆孔松動區失穩并形成塌孔，有利于后期的瓦斯抽采。

3）孔壁施加內壓后，通過對鉆孔周邊σ 1、σ 3變化規律的分析可知，在實際工程中，采取鉆孔護壁技術后，鉆孔周邊的應力分布發生了明顯的變化，內壓越大，在鉆孔周邊的應力集中現象越明顯，考慮鉆孔周邊煤體流變效應，如采用套管護孔時，套管材料要有一定的耐壓能力，同時要有一定的韌性，不宜采用脆性材料。因此，結合實際煤層地質條件，匹配最佳護壁方案，可采用本文闡述的分析手段，計算鉆孔形成后的應力分布特點，根據計算結果科學的選擇護孔方案及材料。

4）對于較為松軟煤體，鉆孔形成后，鉆孔未采取鉆孔護壁技術方案時，鉆孔周邊煤體存在著較大范圍的松動區，該區域的煤體，在外界擾動作用下，隨時有可能發生失穩、塌孔，影響鉆孔或后期瓦斯抽采，因此，深入開展松軟煤層瓦斯抽采護孔技術，具有重要的現實意義。

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（責任編輯：何學華，吳曉紅）