井下塌孔失效鉆孔抽采失效判定方法研究

范彥陽，季衛(wèi)斌，覃曉波

(1.貴州安和礦業(yè)科技工程股份有限公司，貴州 貴陽 550081；2.西南地區(qū)煤礦瓦斯防治工程研究中心，貴州 貴陽 550081)

0 引言

井下瓦斯鉆孔抽采是國內(nèi)煤礦瓦斯抽采的最主要方式[1]，對于高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井來說，鉆孔的利用效率直接關(guān)系到瓦斯治理效率和治理效果，由于目前大部分礦井已進入深部開采階段，且多數(shù)煤層為松軟煤層，鉆孔成孔后的穩(wěn)定性保持和防護一直是制約瓦斯高效防治的難點。實際因塌孔導致的鉆孔失效如何快速檢測和判定出來比較困難，有鑒于此，筆者針對我國煤礦特點，從井下抽采鉆孔的失效原因分析出發(fā)，建立鉆孔失效原因模型，對塌孔從影響抽采角度進行分類，對多種失效鉆孔原因提出檢測方法，形成逐步排查的抽采鉆孔失效檢測及判定流程，能夠有效指導生產(chǎn)實踐。

1 抽采鉆孔失效原因分析

如圖1所示，經(jīng)統(tǒng)計分析，當前鉆孔失效的主要類型包括鉆孔塌孔失效、串孔失效以及封孔失效3種。

圖1 抽采鉆孔失效類型及原因統(tǒng)計

1.1 塌孔原因分析

鉆孔塌孔出現(xiàn)概率最高、造成塌孔原因也較多，大致分為4個方面[2]：①各種地質(zhì)構(gòu)造因素影響，在斷層、陷落柱、破碎帶等附近孔壁容易失穩(wěn)；②巖性較軟導致的塌孔，包括在成孔階段造成的鉆孔失穩(wěn)以及成孔后圍巖蠕變造成的鉆孔破壞；③在地應(yīng)力、瓦斯壓力復合作用下，原有鉆孔破壞后的進一步塌孔；④施鉆過程中鉆具選用不當或鉆進操作水平較差所致，主要為施鉆擾動破壞。

1.2 鉆孔串孔原因分析

鉆孔串孔對抽采鉆孔失效影響最大，造成鉆孔串孔主要有2個原因[3]：①相鄰鉆孔因為施鉆水平和施鉆質(zhì)量，導致2個鉆孔直接串通；②抽采鉆孔間距設(shè)計不合理，間距過小，在強負壓抽采作用下，鉆孔之間抽采裂隙導通導致間接串孔。這2種串孔情形隨著施鉆裝備的提升，比如定向鉆機和軌跡測量裝置的應(yīng)用，以及鉆工作業(yè)的操作能力可以通過培訓提高，使得當前串孔失效概率大幅降低。

1.3 封孔失效原因分析

抽采封孔一般會形成密閉抽采氣室[4]，封堵裂隙空間及漏氣通道，造成封孔失效的原因主要有：①封孔材料本身漏氣；②煤壁裂隙與外部導通，抽采時空氣從裂隙進入，造成負壓損失和鉆孔失效。

綜上，隨著封孔工藝的改進、封孔深度的增加，以及隨鉆軌跡測量技術(shù)的推廣應(yīng)用，鉆孔串孔和封孔原因?qū)е碌你@孔失效逐步減少，但鉆孔塌孔導致的抽采鉆孔失效難題卻一直未得到有效解決，其中一個主要原因在于檢測和判定塌孔鉆孔比較困難。

2 塌孔鉆孔分類研究

2.1 按照對鉆孔流量的理論影響分類

圖2 鉆孔內(nèi)部變形塌孔堵塞示意

抽采鉆孔孔壁形變以后嚴重影響了瓦斯抽采效率，在抽采負壓不變的情況下抽采流量與有效橫截面幾何特征相關(guān)。

對于正常未變形的圓形鉆孔，流量表示如下

(1)

式中，ΔP為抽采壓差，MPa；L為鉆孔長度，m；α為摩擦阻力系數(shù)，N·S2/m4；r為鉆孔原始半徑，m；Q1為瓦斯流量，m3/min。

如將變形后的鉆孔孔壁看作表面光滑的曲線，對于形變后的鉆孔有

(2)

式中，L0為鉆孔變形區(qū)長度，m；U為變形后鉆孔周界平均長度，m；S為鉆孔變形區(qū)域的平均橫截面面積，m2；k為巖體碎漲系數(shù)，常數(shù)；Q2為鉆孔變形后抽采瓦斯流量，m3/min。

將(1)(2)2式聯(lián)立，可得

“巴洛克”是一種代表歐洲文化的典型藝術(shù)風格，追求宏偉、奔放、夸張的效果，而巴洛克音樂的特色便是“速度與激情”！維瓦爾第是當時意大利巴洛克音樂的“高產(chǎn)大戶”，他一生創(chuàng)作過六百多首作品，其中最出名、最有新意的就是《四季》。維瓦爾第給《四季》中的每首協(xié)奏曲都單獨取了名字，分別是《春》《夏》《秋》《冬》，這就是最早的“標題音樂”。相傳他還巧妙地為每首作品配上了唯美的十四行詩，這也是之前的音樂家沒做過的（至于那詩到底是不是他本人寫的，就無從知曉了）。

(3)

可以看出鉆孔變形后的流量與變形后鉆孔的幾何形貌密切相關(guān)，同時也可以把鉆孔形變的嚴重程度用幾何形貌函數(shù)來表征。所以，鉆孔的變形程度可以用抽采流量來直接反映。

表1 鉆孔穩(wěn)定性分級

圖3 鉆孔塌孔程度分級示意

2.2 按照鉆進成孔時間分類

依據(jù)塌孔時間與鉆進成孔的時間劃分如下3種情形[2]：第1種是鉆進時嚴重塌孔，主要塌孔原因是地應(yīng)力很大或煤體強度很低、孔壁不穩(wěn)定等影響，在鉆進過程中受到鉆具鉆進擾動的影響出現(xiàn)的塌孔，屬于鉆機力學直接作用導致塌孔；第2種是鉆進后的變形或剝落，同樣因地應(yīng)力較大或者煤體強度較低、孔壁處于塑性區(qū)[5]，在鉆進過程由于鉆具支撐不會出現(xiàn)坍塌，而當退鉆后即很快出現(xiàn)孔壁變形或剝落；第3種是鉆進后的蠕變縮頸，主要發(fā)生在軟煤，其中鉆孔失穩(wěn)變形與時間關(guān)系較大，故成孔后孔壁的變形一直在隨時間持續(xù)增加，在一定時間后，孔的直徑和截面大幅度減小，孔的形狀不再是規(guī)則的圓形而是橢圓，或者不規(guī)則的類平面橄欖球形，這種縮徑對瓦斯抽采通道影響最大，也不容易快速檢查判定出來及對應(yīng)修復。

2.3 按照對負壓和流量綜合影響分類

部分學者[6-7]認為，塌孔不止影響鉆孔的抽采瓦斯流量，在塌孔堵孔區(qū)域抽采負壓也有較大影響，根據(jù)地面模擬試驗了完整孔、局部塌孔(后半程鉆孔煤渣充填)、堵孔(全孔段煤渣充填)3種情形下的負壓和流量變化。

完整鉆孔：完整孔抽采負壓沿孔長大致呈線性分布，其負壓損失較小，鉆孔不同部位負壓較接近，孔內(nèi)負壓與煤層瓦斯壓力差亦比較接近，鉆孔不同部位抽采瓦斯量亦基本相同，故鉆孔抽采流量沿孔長亦大致呈線性分布?？卓谪搲涸礁?，鉆孔抽采流量越大，鉆孔負壓損失越大，不過與孔口負壓相比仍較小。

局部塌孔：與完整孔相比，塌孔時總負壓損失比完整孔總負壓損失有所增加，其抽采總流量比完整孔抽采總流量略有降低。可見孔底塌孔對瓦斯抽采效果影響不大。

堵孔：鉆孔完整段負壓損失較小，堵孔段孔內(nèi)煤體與周圍煤體互相接觸成為連續(xù)介質(zhì)，塌孔段瓦斯流動變成了滲流，此段抽采壓力變成了此處的煤層瓦斯壓力，堵孔段壓力為0 kPa；鉆孔完整段負壓損失有所增加；與完整孔和塌孔時抽采流量相比，堵孔時鉆孔抽采流量明顯降低，這主要是由于抽采鉆孔有效抽采長度減少造成的。

綜上所述，不論鉆孔塌孔堵孔處于鉆進的哪個階段，反映在抽采時期表現(xiàn)為抽采流量、抽采濃度、抽采負壓的變化。因此，通過統(tǒng)計分析依據(jù)對理論流量的影響可以實現(xiàn)對鉆孔塌孔堵孔的初步排查，并通過對孔內(nèi)抽采流量和負壓的沿程變化趨勢可以確定塌孔的程度和塌孔點位置，從而為針對性修復提供思路。

3 塌孔鉆孔排查及修復方法

3.1 判定依據(jù)設(shè)計

3.2 主要指標檢測方法

為測定鉆孔內(nèi)沿程負壓和流量的變化，借鑒孔內(nèi)漏氣檢測技術(shù)[8-10]，設(shè)計孔內(nèi)負壓測定裝置如圖4所示，煤礦常用的抽采管直徑范圍為42～75 mm，薄壁不銹鋼管具有質(zhì)量小、表面光滑、受壓不易變形的優(yōu)勢，因此，取氣管件采用直徑為25 mm的薄壁不銹鋼管，每節(jié)1～1.5 m，設(shè)計長度為100 m。為方便井下操作，接頭外連接多功能瓦斯參數(shù)測定儀，該裝置同時也可直接判斷出鉆孔明顯的物理塌孔位置。

圖4 鉆孔內(nèi)負壓測定裝置示意

3.3 判定流程

設(shè)計抽采鉆孔失效的判定流程如圖5所示。

圖5 抽采鉆孔失效判定流程

4 現(xiàn)場試驗

2021年6月，在某礦應(yīng)用抽采鉆孔失效判定技術(shù)，累計發(fā)現(xiàn)塌孔或堵孔失效鉆孔超過30個，部分塌孔失效鉆孔參數(shù)見表2。

表2 某礦塌孔判定測定結(jié)果

對上述抽采鉆孔應(yīng)用中壓注水修復技術(shù)，修復至今單孔抽采濃度均保持在40%～65%(對比修復之前鉆孔單孔濃度均小于10%)，單孔瓦斯抽采流量也達到同組鉆孔平均流量的0.9倍以上。

5 結(jié)論

(1)對抽采鉆孔塌孔進行了分類，按照塌孔影響瓦斯抽采流量可以分為A～D這4個等級，并給出鉆孔抽采流量的理論計算公式和不同穩(wěn)定性程度鉆孔流量與理論流量的關(guān)系，A級鉆孔穩(wěn)定性最好；鉆進后的圍巖變形以及鉆孔圍巖蠕變是松軟煤層塌孔的最主要情形。

(2)提出鉆孔漏氣和鉆孔串孔快速測定技術(shù)，鉆孔串孔主要依據(jù)觀測負壓和調(diào)節(jié)鄰近影響鉆孔后的抽采狀態(tài)變化來判斷，鉆孔漏氣主要通過測定淺孔段孔內(nèi)不同位置瓦斯?jié)舛群脱鯕鉂舛葋砼卸ā?/p>

(3)研究了完整鉆孔、局部塌孔、堵孔3種情形下不同抽采負壓時的鉆孔內(nèi)負壓、抽采流量與孔口距離的關(guān)系，掌握了堵孔和塌孔時的抽采負壓、流量變化規(guī)律，最終集成建立了抽采鉆孔失效判定流程，實現(xiàn)了逐步排查和分類處理。