沖擊傾向性煤層注水對鉆進中吸鉆卡鉆的影響及試驗

郝志勇，李志偉，潘一山

沖擊傾向性煤層注水對鉆進中吸鉆卡鉆的影響及試驗

郝志勇1，李志偉2，潘一山3

(1. 遼寧工程技術大學 創新實踐學院，遼寧 阜新 123000；2. 遼寧工程技術大學 研究生學院，遼寧阜新 123000；3. 遼寧大學 物理學院，遼寧 沈陽 110136)

應用螺旋鉆桿局部預測和評價沖擊地壓等動力災害時易發生吸鉆、卡鉆等鉆孔動力現象。為研究具有沖擊傾向性煤層注水對吸鉆、卡鉆的影響規律，通過建立鉆桿力學模型分析吸鉆、卡鉆動力現象產生機理，探明煤體應力和鉆屑量是影響吸鉆、卡鉆發生的重要影響因素，推導了注水煤體的鉆桿推力、鉆桿扭矩等鉆削力學參數計算公式，分析煤層注水后煤體應力重分布規律與鉆屑量變化規律，并利用鉆孔多參量測試系統，在井下對不同含水率煤體進行鉆孔試驗，從而研究鉆桿推力、鉆桿扭矩及鉆屑量隨煤體含水率的變化規律，并結合現場觀測到的吸鉆、卡鉆動力現象，深入研究沖擊傾向性煤層注水對煤體力學性質及吸鉆、卡鉆力學特性的影響。研究結果表明：吸鉆時，鉆桿推力值明顯降低，卡鉆時，鉆桿扭矩值急劇升高；鉆桿推力、鉆桿扭矩均值增大幅度和鉆屑量均值減小幅度隨煤體含水率增大呈現先增大后減小的變化趨勢；吸鉆、卡鉆點隨煤體含水率的增大逐漸向煤壁深部轉移；井下鉆桿推力、鉆桿扭矩及鉆屑量的數據變化特征與煤體應力分布具有較好的對應關系。研究結果可為沖擊地壓預測和井下鉆孔安全作業提供一定理論借鑒和工程指導。

沖擊地壓；吸鉆、卡鉆；煤層注水；煤體應力

沖擊地壓是由采礦活動誘發的巷道周圍煤巖體因應力集中而導致突發失穩破壞的動力災害[1-3]。近年來，隨著我國淺部煤炭資源的枯竭和開采深度的加大，沖擊地壓動力災害現象頻繁發生，造成人員傷亡和設備毀壞現象日益嚴重，因此，對其進行準確預測與防治是煤礦安全生產活動中急需解決的重大工程問題[4-6]。煤層注水可提高煤體塑性、降低煤體脆性和強度，使煤體應力重新分布，從而降低煤體沖擊傾向性，減小沖擊地壓發生概率。應用螺旋鉆桿局部預測和評價沖擊地壓動力災害時易發生吸鉆、卡鉆等主要由煤體應力場變化引起的鉆孔動力現象。通過研究沖擊傾向性煤層注水的吸鉆、卡鉆發生機理及其影響因素，以及注水煤體鉆削力學特性，不僅可減少注水煤層鉆孔事故，而且可為沖擊地壓預測提供評判依據。多年來，參與研究鉆孔動力現象的眾多學者和從業人員，對井下鉆孔事故發生原因進行了積極探索并取得了重要成果。張明杰等[7]通過分析鉆桿鉆進過程中煤粉運動規律，確定了因煤粉大量積壓產生吸鉆、卡鉆現象的力學機理；王二鵬等[8]認為煤層地質構造條件、鉆機設備性能易造成孔內事故頻發；程建圣[9]認為采場應力分布、煤層賦存條件是導致鉆孔動力現象的主要因素；彭桂湘等[10]認為巖粉的大量沉淀易造成吸鉆、卡鉆事故；黃勇[11]通過分析吸鉆、卡鉆發生機理，確定鉆孔內外氣壓差是產生吸鉆、卡鉆的主要原因；張祖海等[12]認為煤層裂隙發育情況及鉆孔孔壁穩定性是誘發吸鉆、卡鉆現象發生的重要影響因素；張波[13]認為在鉆進中因瓦斯大量解吸而裹攜煤粉，在短時間內填滿鉆孔，從而引起孔內事故發生；王永龍等[14]通過建立卡鉆力學模型，認為鉆孔堵塞后，其孔內側向壓力是形成卡鉆的主要因素。綜上所述，前人對煤層鉆孔施工事故發生機理及其影響因素進行了大量研究，然而針對具有沖擊傾向性煤層注水對吸鉆、卡鉆的影響及試驗研究尚未展開。因此，筆者在研究吸鉆、卡鉆發生機理及其影響因素的基礎上，通過分析注水煤層鉆削力學特性，探究煤層注水對應力分布和鉆屑量的影響，并結合井下現場鉆孔試驗研究具有沖擊傾向性煤層注水對吸鉆、卡鉆的影響規律，進而為井下安全鉆孔作業和預測沖擊地壓發生提供一定理論和工程指導。

1 吸鉆、卡鉆發生機理及影響因素

1.1 吸鉆發生機理及影響因素

鉆桿在鉆進過程中，鉆屑量的產生與排出是同步進行的，正常情況下，鉆桿排屑量大于鉆屑量，使鉆桿整體載荷表現為推力，鉆進過程正常。但在深部煤層鉆進過程中，鉆桿在鉆進一定深度后，鉆孔周圍煤體應力集中程度較高且應力值較大，導致煤體脆性度增強、鉆桿鉆屑量增加，當鉆屑量大于排屑量時，會因鉆屑的持續積壓而形成壓實段，在鉆屑壓實段會對鉆桿產生附加的阻力，如圖1所示。

圖1 吸鉆時鉆桿受力示意

根據圖1可得：

式中：p為進鉆過程鉆桿推力，kN；n為進鉆過程鉆頭作用在鉆桿的反向作用力，kN；z為進鉆排屑過程鉆屑作用在鉆桿的軸向排屑力，kN；f為進鉆過程煤壁作用在鉆桿的摩擦阻力，kN；yf為進鉆過程壓實段作用在鉆桿的摩擦阻力，kN；yz為進鉆過程壓實段作用在鉆桿的軸向排屑力，kN。

分析可知：鉆屑壓實段形成后，隨鉆屑量的持續增加，鉆屑壓實段達到一定長度時，導致煤體壓實段鉆桿所受軸向排屑力yz增量大于摩擦阻力yf增量；由式(1)可知，當滿足yf

1.2 卡鉆發生機理及影響因素

卡鉆與吸鉆不同，吸鉆時鉆機尚能進行鉆進工作，只是鉆桿推力值等發生異常。而卡鉆屬于鉆進工作無法正常進行，鉆桿既無法前進也無法后退，導致鉆桿報廢。鉆桿在深部煤層鉆進時，煤體應力較大，鉆屑量較多，當鉆屑量大于排屑量的差量累積到一定程度時，將導致鉆孔發生堵塞。此外，由于深部煤層在鉆進過程中孔壁失穩嚴重，極易發生噴孔、塌孔等孔內事故，帶出大量鉆屑瞬間填滿排屑空間，更易造成鉆孔堵塞，在鉆屑堵塞段會對鉆桿產生附加的扭矩，當鉆桿繼續進鉆時，作用在鉆桿上的扭矩如圖2所示。

圖2 卡鉆進鉆時鉆桿扭矩示意

根據圖2可得：

當鉆桿退鉆時，鉆桿受力如圖3所示。

根據圖3可得：

2 注水煤層鉆削力學特性

煤層注水后，水會以多種運動方式滲入到煤體的孔隙和裂隙中，在其表面形成一層水膜，這些水膜通過復雜的物理化學作用使煤體力學性質發生相應改變。因此，在注水煤層中進行鉆孔試驗時，鉆桿的整體受力情況也會隨之發生變化，其受力如圖4所示。

圖4 注水煤層鉆桿受力示意

由圖4得鉆桿受力平衡方程為：

由此可計算當鉆桿鉆進深度為時：

根據文獻[15]計算可得：

由此，根據文獻[16]計算可得：

式中：為鉆頭導熱系數；為刀具前切削面與剪切面夾角，(o)；為刀具與界面摩擦力，kN。

根據文獻[16]，計算推導可得：

將上述公式代入式(4)中可推得鉆桿推力與鉆桿扭矩。

由上述公式可知，煤層注水后，煤體摩擦因數明顯降低，導致鉆孔過程中的鉆桿力學參數隨之減小，從而對吸鉆、卡鉆的發生機制產生顯著影響。

3 煤層注水對吸鉆卡鉆的影響

深部煤體開采前，煤體處于三向應力穩定平衡狀態。當井下進行采掘活動時，工作面前方煤體力學平衡態被打破，使煤體內部應力重新分布，依次形成卸壓區、塑性區、彈性區和原巖應力區[17]。當煤層注水后，由于煤體的多孔屬性，導致其應力分布也會發生相應變化。隨煤體含水率增大，不但軟煤被完全濕潤，部分硬煤也被水濕潤軟化，塑性增加，彈性降低，形成卸壓且應力降低，從而使煤層中卸壓區厚度增大，塑性區、彈性區相應前移，進而使煤體高應力集中區域向煤壁深部轉移。同時，注水后煤體應力集中程度也會下降[18]，如圖5所示。

圖5 注水前后煤體應力分布示意

吸鉆、卡鉆動力現象多發生于煤體高應力集中區域且伴有鉆屑量明顯增多的現象。煤層注水后，煤體應力隨之改變，導致鉆桿發生吸鉆、卡鉆時與之相對應的鉆孔特征值及鉆屑量發生明顯變化，從而對吸鉆、卡鉆動力現象的發生產生顯著影響。隨煤體含水率增大，鉆屑黏聚力逐漸增大，抗剪強度增加，導致鉆孔過程中鉆桿推力和鉆桿扭矩增加，同時因注水后煤體應力降低、高應力集中區域深移且孔壁穩定性增強等特征變化，使得鉆孔過程中鉆屑量明顯降低且最大鉆屑量出現位置明顯滯后，從而導致吸鉆、卡鉆發生時的孔深加大。由于井下煤層構造及埋藏深度不同，導致不同區域煤層含水率各異，因此，需在不同煤體含水率情況下，通過試驗深入探究吸鉆、卡鉆力學特性。

4 現場試驗

4.1 試驗系統

試驗系統主要由注水設備(注水泵、水箱、高壓管路、封孔器等組成)、鉆孔設備、數據采集設備和數據處理終端設備、液壓恒阻力推進系統等組成，本試驗利用推力–扭矩傳感器和稱重傳感器對鉆孔過程中的鉆桿推力、鉆桿扭矩及鉆屑量進行監測，并利用智能數字采集儀和計算機實現對鉆桿推力、鉆桿扭矩及鉆屑量的采集和顯示。

4.2 試驗目的

現場測定注水煤層在不同含水率時發生吸鉆、卡鉆孔的鉆桿推力、鉆桿扭矩及鉆屑量數值，研究煤體不同含水率時測定值的變化規律，獲得沖擊傾向性煤層注水對吸鉆、卡鉆發生的影響規律。

4.3 試驗內容

本次試驗地點位于河南某礦井下深度1 200 m丁戊組原煤處，該處煤層具有一定沖擊傾向性，工作面可采性指數0.98，平均走向長度67 m，平均傾斜長度56 m，面積3 752 m2，煤層厚度約為56 m，煤層傾角約為8°。根據現場對該處煤質及構造進行勘驗分析，最終選定注水壓力為8 MPa。現場對該處煤體進行了濕潤半徑的考察[19-20]，確定在8 MPa注水壓力作用下煤體濕潤半徑為4 m左右。注水前，在回采面中下部利用42 mm螺旋鉆桿依次施工2個孔徑為42 mm、孔深10 m和孔間距9 m的注水孔，然后將注水孔用封孔器封孔后，利用注水系統對兩孔同時進行注水，兩天后在每個注水孔濕潤半徑影響范圍內及未注水煤體處保持鉆機以0.21 m/min的給進速度、614 r/min的回轉速度每隔1 m施工一個試驗鉆孔，每個鉆孔鉆進深度為8.5 m，從而消除回轉速度、給進速度等鉆進參數對測試數據的影響，而固定的給進速度可通過鉆機配套的液壓恒阻力推進系統來實現。利用鉆孔多參量測試系統對各個試驗鉆孔的鉆桿推力、鉆桿扭矩及鉆屑量進行測試。為敘述、對比及數據整理方便，同時為簡化試驗孔分布示意圖，挑選了在兩個注水孔附近均出現吸鉆、卡鉆的鉆孔，一方面便于對比分析注水范圍半徑內，含水率對各鉆孔鉆進參數的影響，另一方面也便于結合現場觀測到的吸鉆、卡鉆動力現象，其中1號—2號孔為未注水鉆孔，3號—10號孔為注水鉆孔，鉆孔位置布置如圖6所示。

圖6 試驗孔分布示意

由圖6觀察可知，發生吸鉆與卡鉆孔的鉆進深度不同，且在卡鉆孔中隨煤體含水率不同，卡鉆孔的最大鉆進深度也不盡相同。

應用刻槽法對煤體鉆進取樣測得各試驗孔含水率(表1)。

表1 試驗孔含水率

由表1可知，該區域煤體原始平均含水率較低，且在注水濕潤半徑影響范圍內，由近及遠煤體平均含水率依次降低，試驗結束后，將上述各試驗孔的相關數據進行采集回收并分析處理。

4.4 試驗結果分析

4.4.1 吸鉆、卡鉆孔試驗分析

1、3、5、7、9號試驗孔為吸鉆孔，2、4、6、8、10號試驗孔為卡鉆孔，卡鉆孔與吸鉆孔不同，其鉆進深度未能達到試驗前設想的8.5 m，試驗完成后將相關數據進行采集回收，并利用數據處理軟件進行整理分析，去掉初始段不合理數據并加以整合，得到各吸鉆孔鉆桿推力隨鉆進深度變化曲線(圖7)，各卡鉆孔鉆桿扭矩隨鉆進深度變化曲線(圖8)，為進一步驗證鉆桿推力、鉆桿扭矩隨孔深的變化規律，繪制各吸鉆孔鉆屑量隨孔深變化曲線(圖9)，各卡鉆孔鉆屑量隨孔深變化曲線(圖10)，為更加直觀反映各鉆進參數變化幅度，計算各鉆孔鉆進過程鉆進參數整體均值，見表2，其隨含水率變化情況如圖11所示。

圖7 吸鉆孔鉆桿推力隨鉆進深度變化曲線

Fig.7 Variation of drill pipe thrust of suction hole with drilling depth

圖8 卡鉆孔鉆桿扭矩隨鉆進深度變化曲線

由圖7和圖9可知，對于未注水1號吸鉆孔的鉆桿推力和鉆屑量有如下特征：①1.0~3.0 m段鉆桿推力和鉆屑量隨鉆進深度增加而增大，而鉆屑量增幅較低，說明煤體處于卸壓區，該區域煤體已屈服并大體破碎，鉆桿推力和鉆屑量隨煤體應力增大而增加；②3.0~4.8 m段鉆桿推力逐漸減小，在4.8 m處達到峰值最低，而鉆屑量逐漸增加，在4.8 m處達到峰值最高，說明煤體處于塑性區，此區域煤體應力升高，煤體脆性度較大，導致鉆桿鉆屑量遠大于排屑量而形成一定長度的鉆屑壓實段，此時鉆桿所受排屑阻力增量大于摩擦阻力增量，導致鉆桿推力減小，鉆桿出現被“吸”的趨勢，吸鉆即發生；③ 4.8~ 8.0 m段鉆桿推力呈增大狀態，但鉆屑量持續降低，說明煤體處于彈性區，此區域煤體應力逐漸降低，鉆屑量隨之減少，此時鉆桿所受摩擦阻力增量大于排屑阻力增量，使鉆桿推力逐漸增大；④鉆進深度大于8 m時煤體處于原巖應力區，此區域煤體應力趨于穩定，因此，鉆桿推力和鉆屑量也達到一個相對穩定值。

圖9 吸鉆孔鉆屑量隨鉆進深度變化曲線

圖10 卡鉆孔鉆屑量隨鉆進深度變化曲線

表2 鉆進參數整體均值

由圖8和圖10可知，對于未注水2號卡鉆孔的鉆桿扭矩和鉆屑量有如下特征：①1.0~4.4 m段鉆桿扭矩和鉆屑量均隨鉆進深度增加而增大，說明此區域煤體應力逐漸升高，導致鉆屑量增加，因此，鉆桿所受排屑力矩逐漸增大，使鉆桿扭矩逐漸增大。② 4.4~4.8 m段鉆桿推進緩慢且鉆屑量驟減，鉆桿扭矩數值也陡然增大，說明此區域隨煤體應力的持續增大，鉆屑量不斷累積，此時鉆桿鉆屑量遠大于排屑量而形成一定長度的鉆屑堵塞段，導致鉆屑無法排出，鉆屑量驟減，鉆桿無法繼續鉆進破煤，此時鉆桿所受總阻力矩大于鉆機所能提供的最大扭矩，鉆桿無法前進。當鉆桿退鉆時，因鉆屑堵塞段鉆屑量的累積，使鉆桿所受總阻力大于鉆機起拔力，鉆桿無法后退。此時，鉆桿既無法前進也無法后退，鉆桿即卡鉆。③由鉆桿扭矩和鉆屑量變化規律可知，該處工作面煤體應力峰值點位于煤體前方4.8 m處，卡鉆點也與其基本吻合。

圖11 鉆進參數均值隨含水率變化曲線

由圖7—圖11可知，對于注水3、5、7、9號吸鉆孔及4、6、8、10號卡鉆孔對應的鉆桿推力、鉆桿扭矩及鉆屑量有如下特征：①煤層注水后，隨各吸鉆、卡鉆孔煤體含水率的增大，鉆桿推力、鉆桿扭矩整體均值逐漸增大、鉆屑量整體均值逐漸減小，說明注水后煤體應力有所降低，導致鉆屑量逐漸減小，而鉆桿推力、鉆桿扭矩值卻并沒有隨煤體應力的降低而減小，原因在于注水后鉆屑的黏聚力增大，抗剪強度增加，因此導致鉆桿推力、鉆桿扭矩逐漸增大；②吸鉆起始點隨相應煤體含水率的增大而依次為3.3(3號)、3.7(5號)、3.9(7號)、4 m(9號)，卡鉆終結點隨相應煤體含水率的增大而依次為5.1(4號)、5.5(6號)、5.7(8號)、5.8 m(10號)，說明煤體含水率越大，煤體卸壓區厚度越大，應力集中區向深部轉移幅度增大，煤層注水后大大延緩了吸鉆、卡鉆發生的位置；③隨煤體含水率增大，鉆桿推力、鉆桿扭矩整體均值增大幅度和鉆屑量減小幅度均呈現先增大后減小的變化趨勢，且煤體含水率為5.84%和6.67%的鉆桿推力、鉆桿扭矩和鉆屑量數值接近，說明煤體含水具有一定的飽和性，其力學性質并不能隨含水率的增大而持續保持相應程度的改變，且含水率為6.67%已接近于該區域煤體水飽和態。

4.4.2 鉆削參數理論與試驗結果驗證分析

以鉆進深度3 m為例，因在相同采深注水煤層附近鉆孔，煤體的物理特性差異性較小，注水煤體物理參數以礦井實際測試和計算數據為準，鉆桿和鉆頭各個參數由實際使用型號確定。根據現場試驗的工作面情況，測試點5號和6號試驗孔的煤體水平地應力均約為1.28 MPa，垂直地應力分別約為3.26 MPa和3.25 MPa，并結合現場實測鉆機參數值計算此時5號和6號孔鉆桿推力值和鉆桿扭矩值分別為5.16 kN和30.9 N·m，較之實測鉆桿推力值(5.33 kN)和鉆桿扭矩值(32.2 N·m)分別減小了3.11%和3.50%，究其原因可能是受煤體濕潤均勻度和地質條件等因素的影響，從而導致實際測試值比理論計算值略大。

5 結論

a.通過對沖擊傾向性煤層注水前后的吸鉆、卡鉆現場試驗測試數據分析可知，吸鉆、卡鉆點隨煤體含水率的增大相應向煤壁深部轉移。

b.吸鉆、卡鉆現象發生時伴有明顯特征：吸鉆時，鉆桿推力值明顯降低；卡鉆時，鉆桿扭矩值急劇升高。因此，可根據鉆桿推力、鉆桿扭矩特征值判斷吸鉆、卡鉆是否發生。

c. 根據現場注水鉆孔試驗表明：鉆桿力學參數的增幅隨煤體含水率的增大而具有一定界限，說明煤體含水具有一定的飽和性，因此，在井下煤層注水防沖試驗中應選擇合理的注水參數。

d. 鉆桿推力、鉆桿扭矩和鉆屑量與煤體應力分布具有較好的對應關系，且吸鉆、卡鉆點與煤體應力峰值具有較好的一致性。

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Influence of water injection in burst-prone coal seam on suction and sticking during drilling

HAO Zhiyong1, LI Zhiwei2, PAN Yishan3

(1. College of Innovation and Practice, Liaoning University of Engineering and Technology, Fuxin 123000, China; 2. Graduate School, Liaoning University of Engineering and Technology, Fuxin 123000, China; 3. College of Physics, Liaoning University, Shenyang 110136, China)

When the spiral drill pipe is used to predict and evaluate the dynamic disasters such as rock burst, the drilling dynamic phenomena such as suction and sticking are easy to occur. In order to study the influence of water injection in burst-prone coal seam on suction and sticking, the mechanism of dynamic phenomenon of suction and sticking was analyzed by establishing the mechanical model of drill pipe, pointing out that the stress of coal body and the amount of drilling cuttings are the important factors that affect the occurrence of suction and sticking, deriving the calculation formula of drilling mechanical parameters such as drill pipe thrust and drill pipe torque under different water content, and clarifying the calculation formula. After the coal seam had been injected with water, the law of stress redistribution and the law of the change of the amount of cuttings in the coal body were studied. The multi parameter drilling test system was used to drill the coal body with different water content in the underground, so as to study the law of the change of the drill pipe thrust, the drill pipe torque and the amount of cuttings with the water content of the coal body. Combined with the dynamic phenomenon of suction and sticking observed in the field, the influence of water injection in burst-prone coal seam on the mechanical properties of coal body and the mechanical properties of suction and sticking was studied. The results show that: During suction , the thrust value of the drill pipe decreased obviously, and during sticking , the torque value of the drill pipe increased sharply ; The increase range of drill pipe thrust, torque mean and the decrease range of drilling cuttings mean increased first and then decreased with the increase of water content in coal body; The suction and sticking points gradually transfer to the depth of coal wall with the increase of water content in coal body; The data variation characteristics of downhole drill pipe thrust, torque and drilling cuttings amount corresponded well with the stress distribution of coal body. The study can provide some theoretical and engineering guidance for the prediction of rock burst and safe drilling operation.

rock burst; suction and sticking; seam water injection; coal stress

TD41

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.033

1001-1986(2020)03-0231-08

2019-06-28；

2020-01-18

國家自然科學基金面上基金項目(51674133)；國家重點研發計劃項目(2017YFC0804208)

National Natural Science Foundation of China(51674133)；National Key R&D Program of China(2017YFC0804208)

郝志勇，1979年生，男，山西代縣人，博士，教授，從事機電系統設計與智能控制、機械裝備動態載荷識別理論與方法研究. E-mail：chinaren_1314@163.com

李志偉，1993年生，男，遼寧阜新人，碩士，從事沖擊地壓災害機理與防治技術研究工作. E-mail：465247216@qq.com

郝志勇，李志偉，潘一山. 沖擊傾向性煤層注水對鉆進中吸鉆卡鉆的影響及試驗[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(3)：231–238.

HAO Zhiyong，LI Zhiwei，PAN Yishan. Influence of water injection in burst-prone coal seam on suction and sticking during drilling[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：231–238.

(責任編輯 聶愛蘭)