模擬煤層鉆進過程中鉆孔穩定性試驗研究*

韓 穎，張飛燕，劉少飛

(1. 河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000；2. 中原經濟區煤層(頁巖)氣河南省協同創新中心，河南 焦作 454000；3. 深井巖層控制與瓦斯抽采國家安監局科技支撐平臺，河南 焦作 454000；4. 河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000；5. 河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室—省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454000)

0 引言

高瓦斯松軟煤層、軟硬復合煤層和突出煤層深孔鉆進是公認的世界性難題，已成為制約部分高瓦斯和突出礦井瓦斯治理效果的瓶頸。含流體煤卸載過程中，煤層鉆孔在流-固應力耦合作用下的失穩破壞機制研究，是破解上述難題的重點方向之一[1]；而鉆孔鉆進過程的實驗室模擬及失穩現象捕捉，是其中的關鍵環節。目前，國內外眾多研究者的焦點多集中于鉆孔施工裝備及工藝改進[2-6]、鉆孔穩定性分析[7-12]等方面，如：王永龍等[2]提出了一種利用低螺旋鉆桿在松軟突出煤層施工鉆孔的新型鉆進技術；Liu等[8]提出了一種基于損傷效應的非線性粘彈塑性流變模型，進而對軟煤鉆孔的穩定性進行了探討；韓穎等[12]基于Hoek-Brown準則、地質強度指標與巖石斷裂力學理論，建立了Ⅰ類煤層鉆孔孔壁失穩的力學判據，探討了Ⅱ-Ⅳ類煤層鉆孔孔壁失穩的力學條件，并對鉆孔周圍“三帶(區)”內孔壁穩定性進行了分析；張學博等[13]對深部開采松軟煤層抽采鉆孔變形失穩過程進行了數值模擬，分析了鉆孔周圍煤體應力及形變分布、卸壓區演化和滲透特性。上述研究工作對于破解深孔鉆進難題起到了重要作用，但有關鉆孔失穩的實驗室模擬研究成果少見報道。為此，本文構建了模擬煤層鉆進過程中鉆孔失穩監測系統及方法，對不同試驗條件下的鉆孔穩定性展開研究。

1 模擬煤層鉆進過程中鉆孔失穩監測系統及方法

1.1 監測系統

模擬煤層鉆進過程中鉆孔失穩監測系統[14]如圖1所示，包括3個子系統：充氣及抽真空系統Ⅰ、煤層模擬及鉆進系統Ⅱ、動態數據采集系統Ⅲ，現分述如下：

1.氣瓶；2.減壓閥；3.高壓膠管；4.氣體壓力表；5.缸體蓋；6.密封圈；7.缸體；8.螺旋鉆桿；9.鉆機；10.正面堵頭；11.側面堵頭；12.引線孔；13.進氣口；14.信號線；15.電荷電壓濾波積分放大器；16.動態數據采集儀；17.計算機；18.三通閥；19.真空泵。圖1 模擬煤層鉆進過程中鉆孔失穩監測系統Fig.1 Monitoring system for borehole instability during drilling in simulated coal seams

1)充氣及抽真空系統Ⅰ

氣瓶1：提供氣源(N2、CO2或CH4)。

高壓膠管3：氣體通道。

真空泵19：抽真空裝置。

2)煤層模擬及鉆進系統Ⅱ

密封圈6：確保缸體蓋5與缸體7之間連接緊密，防止漏氣。

缸體7：模擬煤層制備裝置[15]，結構如圖2所示。其兩端為半徑110 mm的半圓形，中間長度為900 mm，高度為400 mm。

圖2 缸體結構示意Fig.2 Structure of cylinder block

螺旋鉆桿8與鉆機9：模擬鉆進裝置[16]。

正面堵頭10：安裝于缸體7正面，壓制模擬煤層時安裝于缸體7上，鉆進前取下，伸入螺旋鉆桿8。

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側面堵頭11：安裝于缸體7側面，壓制模擬煤層前安裝于缸體7上，待成型煤樣上部水平面與側面堵頭11最下端的引線孔12齊平時，停止壓煤，取下側面堵頭11，將壓電膜傳感器20埋設在鉆孔周圍待測定位置，并將與之連接的信號線14引出引線孔12外；側面堵頭結構如圖3所示。

圖3 側面堵頭結構Fig.3 Structure of side plug

進氣口13：氣體入口，缸體7左右側各1個、后側1個，共3個。

3)動態數據采集系統Ⅲ

信號線14：連接壓電膜傳感器20與動態數據采集儀16的導線。

電荷電壓濾波積分放大器15：將動態數據采集儀16采集的電信號放大。

動態數據采集儀16：采集鉆進過程中煤層鉆孔動態失穩數據。

壓電膜傳感器20：感應鉆進過程中煤層鉆孔動態失穩情況，并通過信號線14傳輸給動態數據采集儀16。

1.2 監測方法

模擬煤層鉆進過程中鉆孔失穩監測方法，包括以下步驟：

1)實驗前，每次稱取一定質量的煤樣，倒入煤層模擬裝置的缸體7中；用壓力機施加預定成型壓力，并保持恒壓30 min，以利于排除成型煤樣內的空氣。重復以上步驟，當成型煤樣上部水平面與側面堵頭11最下端的引線孔12齊平時，停止壓煤。

2)取下側面堵頭11，將壓電膜傳感器20(4個，水平距離20 mm，距鉆孔中心由遠及近依次編號為1#，2#，3#，4#)埋設在鉆孔周圍待測定位置，如圖4所示，并將與之連接的信號線14引出引線孔12外。同時，為防止漏氣，將引線孔12與信號線14之間的空隙用水泥和環氧樹脂多次密封。

圖4 壓電膜埋設位置Fig.4 Burying position of piezoelectric film sensors

3)將側面堵頭11安裝在缸體7上，將信號線14的另一端與動態數據采集儀16連接；同時，分別通過數據線、網線將電荷電壓濾波積分放大器15與動態數據采集儀16、計算機17相連接，構成動態數據采集系統。

4)按步驟(1)繼續壓煤，直至成型煤樣基本充滿缸體7后，將缸體蓋5安裝在缸體7上。此時，模擬裝置內的成型煤樣相當于一個小型模擬煤層。

5)模擬煤層制備完畢后，對成型煤樣抽真空24 h，充入一定壓力待測氣體48 h，使煤樣吸附平衡。

6)一切準備就緒后，關閉氣源，啟動動態數據采集系統。

7)取下正面堵頭10，啟動鉆機9，施工煤層鉆孔，鉆桿在煤層中鉆進400 mm左右停鉆。動態數據采集系統自動采集、存儲應力數據。

8)煤層鉆孔施工結束后，將NTS200工業內窺鏡放入鉆孔中，即可觀測鉆孔周圍及底部的煤層變形情況，同時拍照、存儲。

2 煤樣采集與試驗方案

煤樣物理力學參數見表1所示，試驗方案見表2所示。

表1 煤樣物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of coal samples

表2 試驗方案Table2 Experiment scheme

3 模擬煤層鉆進過程中鉆孔穩定性影響因素研究

3.1 軸壓

圖5 不同軸壓下孔周煤體應力變化規律及鉆孔壁、孔底變形情況Fig.5 Stress variation of coal body around borehole and deformation of borehole wall and bottom under different axial pressures

不同軸壓條件下鉆孔周圍(以下簡稱“孔周”)煤體應力變化規律及孔壁、孔底變形情況如圖5所示。可以看出：不同軸壓下每個壓電膜的峰值應力大小不同，當軸壓為10 MPa時，4#壓電膜附近煤體峰值應力最大，達13.5 MPa；隨軸壓增大，峰值應力最大值出現位置由鉆孔中心逐漸向缸體左側內壁轉移；當軸壓為25 MPa時，1#壓電膜附近煤體峰值應力最大，達38.0 MPa。此外，在相同吸附平衡壓力下，軸壓越大，處于極限平衡狀態的煤體范圍越大，打鉆時解吸的氣體越多，孔壁徑向位移及孔底破壞程度越大；當軸壓為10 MPa時，孔壁成形較好，孔底破壞也較輕微；當軸壓為25 MPa時，孔壁已基本傾塌，孔底破壞也愈發嚴重。

孔周煤體卸壓范圍隨軸壓增大而增大，且其增大趨勢逐漸變緩，兩者近似呈對數關系，公式如下：

Rp=11.915 57+7.109 83×ln(σ0+3.120 12)

(1)

在工程實踐中，軸壓即為煤體所受地應力，與煤層埋深相關；換言之，煤層埋深越大，地應力越高，打鉆時鉆孔越容易失穩。

圖6 不同吸附平衡壓力下孔周煤體應力變化規律及鉆孔壁、孔底變形情況Fig.6 Stress variation of coal body around borehole and deformation of borehole wall and bottom under different adsorption equilibrium pressures

3.2 吸附平衡壓力

不同吸附平衡壓力條件下孔周煤體應力變化規律及鉆孔壁、孔底變形情況如圖6所示。可以看出：當吸附平衡壓力為0.30 MPa時，孔周煤體峰值應力最大值為25.5 MPa，出現在4#壓電膜附近，此時孔壁變形及孔底破壞均不太明顯；隨吸附平衡壓力的增大，孔周煤體峰值應力最大值出現位置逐漸由鉆孔中心向煤層深部轉移，孔壁變形逐漸加大，孔底破壞趨于嚴重；當吸附平衡壓力為1.20 MPa時，孔周煤體峰值應力最大值為31.5 MPa，出現在1#壓電膜附近，此時孔壁變形強烈，孔底破壞極其嚴重，甚至發生噴孔現象。

究其原因，鉆孔鉆進會打破煤體和氣體原有的平衡狀態，加速煤體的破壞變形和氣體解吸；而煤體對氣體的吸附量隨吸附平衡壓力的增大而增大，致使煤體表面張力減小及骨架膨脹變形加大；同時，煤體內部裂隙發生擴展，顆粒之間粘結力減小，彈性模量降低，變形量增大；當達到極限平衡狀態后，煤體內部裂隙會充分擴展、貫通，因鉆孔直徑較小且孔壁煤體部分坍塌，致使瓦斯與煤屑無法及時排出，鉆孔內部氣體壓力梯度急劇增加，最終促使煤體顆粒在瓦斯氣流的作用下向孔口噴出，形成噴孔。

孔周煤體卸壓范圍與吸附平衡壓力近似呈指數關系，公式如下：

Rp=exp(3.093 61+0.752 74P+0.113 78P2)

(2)

式中：P為吸附平衡壓力， MPa。

3.3 吸附氣體種類

為對比分析吸附氣體種類對鉆孔失穩的影響，分別選用CO2和N2，在吸附平衡壓力0.60 MPa條件下進行模擬煤層鉆進試驗，孔周煤體應力變化規律及鉆孔壁、孔底變形情況如圖7所示。可以看出：與吸附N2相比，當煤樣吸附CO2時，孔周煤體峰值應力最大值較大，出現位置偏離鉆孔中心較遠，孔壁變形及孔底破壞較為嚴重。究其原因，由于煤體對CO2的吸附能力高于N2，在相同條件下，煤體對CO2的吸附量高于N2；在鉆孔鉆進過程中，CO2解吸量大于N2，因氣體解吸作用導致的孔壁、孔底變形量較大。

圖7 不同吸附氣體種類下孔周煤體應力變化規律及鉆孔壁、孔底變形情況Fig.7 Stress variation of coal body around borehole and deformation of borehole wall and bottom under different adsorbed gas

3.4 煤的變質程度

不同煤的變質程度條件下孔周煤體應力變化規律及鉆孔壁、孔底變形情況如圖8所示。可以看出：在不同變質程度的模擬煤層施工鉆孔時，孔周煤體峰值應力最大值大小不同，出現位置也不盡相同。對于變質程度較小的長焰煤(A煤樣)，其峰值應力最大值為25.0 MPa，出現在4#壓電膜附近，其鉆孔成形最好，打鉆也較為順利；而對于變質程度較大的焦煤(C煤樣)，其峰值應力最大值為33.5 MPa，出現在1#壓電膜附近，其鉆孔孔壁及孔底破壞最為嚴重，打鉆時發生塌孔現象；對于弱黏煤(B煤樣)和無煙煤(D煤樣)，其應力分布及孔壁、孔底破壞情況介于兩者之間。

究其原因，瓦斯吸附主要受控于煤中的微孔(孔徑<10 nm)和小孔(孔徑10～100 nm)[17]，試驗采用煤樣的孔隙比表面積測試結果見表3。由表1、表3可知，焦煤(C煤樣)吸附常數及吸附孔(微孔、小孔)比表面積最大，在同等條件下，其吸附氣體的能力最強，瓦斯含量最高，鉆孔鉆進時瓦斯解吸量最大，應力集中現象及孔壁、孔底破壞程度也最嚴重。

圖8 不同煤的變質程度下孔周煤體應力變化規律及鉆孔壁、孔底變形情況Fig.8 Stress variation of coal body around borehole and deformation of borehole wall and bottom under different coal metamorphism

煤樣編號煤的變質程度小孔比表面積/(m2·g-1)微孔比表面積/(m2·g-1)總比表面積/(m2·g-1)A長焰煤0.756 30.594 11.350 4B弱黏煤0.890 20.625 01.515 2C焦煤1.113 71.238 42.352 1D無煙煤0.365 21.264 11.629 3

4 結論

1)構建了模擬煤層鉆進過程中鉆孔失穩監測系統及方法，為煤層鉆孔失穩相關試驗研究提供了設備與技術支撐。

2)隨軸壓及吸附平衡壓力的增大，孔周煤體峰值應力最大值逐漸增大，應力集中帶逐漸向煤體深部轉移，孔壁變形及孔底破壞趨于嚴重，甚至發生噴孔；孔周煤體卸壓范圍與兩者分別呈對數及指數關系。

3)與吸附N2相比，當煤樣吸附CO2時，孔周煤體峰值應力最大值較大，出現位置偏離鉆孔中心較遠，孔壁變形及孔底破壞也較為嚴重。

4)隨煤的變質程度的加深，孔周煤體峰值應力最大值及卸壓范圍呈先增大后減小的趨勢；因試驗所用焦煤吸附常數及吸附孔比表面積最大，其應力集中現象及孔壁、孔底破壞程度也最為嚴重。