深部松軟煤層鉆孔孔周煤體變形產(chǎn)渣特征研究

黃長(zhǎng)國(guó)

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001；3.貴州安和礦業(yè)科技工程股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081；4.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

深部高瓦斯軟煤順煤層長(zhǎng)鉆孔采前預(yù)抽煤層瓦斯是控制煤礦瓦斯災(zāi)害、有效開(kāi)發(fā)煤層氣資源的重要手段[1]。隨著煤礦開(kāi)采深度的增加，煤層上覆巖層自重增加，地應(yīng)力相應(yīng)增大，煤層內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，力學(xué)強(qiáng)度降低，瓦斯抽采鉆孔施工深孔難度增大。對(duì)于堅(jiān)硬煤層，由于其結(jié)構(gòu)完整，鉆孔孔壁穩(wěn)定性高，水力鉆孔即可取得較好的排渣效果。然而，深部高瓦斯軟煤、突出煤層因地質(zhì)構(gòu)造破壞，其堅(jiān)固性系數(shù)小、瓦斯含量與地應(yīng)力高，鉆孔時(shí)產(chǎn)渣量大，若排渣不及時(shí)，孔內(nèi)積存大量殘余煤渣，經(jīng)重復(fù)破碎和壓實(shí)后形成煤餅或煤楔。鉆桿及鉆頭回轉(zhuǎn)阻力急劇增加，極易造成鉆孔縮徑、煤渣堵塞、卡鉆、噴孔、頂鉆等孔內(nèi)事故，使得深孔鉆進(jìn)極為困難[2-5]。針對(duì)松軟煤層瓦斯抽采鉆孔塌孔嚴(yán)重、瓦斯抽采效果差的問(wèn)題，孫銳[6]采用全程下篩管護(hù)孔技術(shù)解決松軟煤層瓦斯抽采鉆孔失效問(wèn)題，并配合三棱深凹槽鉆桿進(jìn)行鉆孔施工，在工程技術(shù)上促進(jìn)解決松軟煤層鉆孔塌孔引起的抽采效果差的難題。同時(shí)，為了克服松軟煤層瓦斯抽采鉆孔過(guò)程中的塌孔問(wèn)題，王建強(qiáng)提出了適用于軟煤成孔的沖洗液鉆孔工藝，從而有效提高沖洗介質(zhì)攜渣能力[7]。此外，路桂英采用固壁漿液隨鉆注漿護(hù)壁的方式解決鉆孔松散段孔壁失穩(wěn)問(wèn)題，從工程上促進(jìn)解決了松軟煤層鉆孔塌孔難題[8]。文獻(xiàn)檢索表明，國(guó)內(nèi)外科研工作者與工程師們主要致力于鉆孔與護(hù)孔技術(shù)研究[9-14]，缺乏高瓦斯軟煤順層鉆孔孔周煤體的變形規(guī)律與排渣動(dòng)力特征的基礎(chǔ)理論成果。

在不同孔徑、地應(yīng)力、瓦斯壓力作用下，深部高瓦斯軟煤順層鉆孔變形與產(chǎn)渣量變化規(guī)律各異。相關(guān)研究極少涉及到深部軟煤順層孔周煤體的非連續(xù)變形規(guī)律，不能揭示復(fù)合應(yīng)力作用下深部軟煤順層孔周煤體應(yīng)力應(yīng)變動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征[15]。為了揭示井下高瓦斯軟煤順層鉆孔孔周煤體變形破壞失效規(guī)律，獲得順層長(zhǎng)鉆孔孔周煤體應(yīng)力應(yīng)變及塌孔孔段分布情況，擬采用FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)，開(kāi)展不同地應(yīng)力、徑向位移等因素作用下鉆孔變形特征數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果對(duì)提高深部軟煤鉆孔孔身穩(wěn)定性及鉆孔成孔率具有重要的理論指導(dǎo)意義。

1 孔周松軟煤體變形機(jī)理

井下深部高瓦斯軟煤順層鉆孔過(guò)程中，原生煤體結(jié)構(gòu)受切削/擠壓、瓦斯壓力與地應(yīng)力等綜合作用而發(fā)生變形破壞，煤層節(jié)理沿不同方向擴(kuò)展，原生煤體結(jié)構(gòu)致變?yōu)榉沁B續(xù)破壞體，單點(diǎn)最大與最小主應(yīng)力分布復(fù)雜，孔周非連續(xù)單顆粒煤體受力分布如圖1所示。由于松軟煤體仍是具有一定膠結(jié)程度的多孔介質(zhì)，其有效應(yīng)力為骨架應(yīng)力與孔隙壓力之差，則鉆孔孔周松軟煤體單顆粒受力如式(1)：

σeff=σc-αPp

(1)

式中，σeff為有效應(yīng)力，MPa；σc為骨架應(yīng)力，MPa；Pp為孔隙壓力，MPa；α為煤層有效應(yīng)力系數(shù)。

圖1 孔周非連續(xù)單顆粒煤體受力分布圖

取孔周煤體單一質(zhì)點(diǎn)建立極坐標(biāo)分析，可分別計(jì)算出半徑為r處質(zhì)點(diǎn)煤體徑向與切向應(yīng)力如式(2)與式(3)所示：

假設(shè)孔周變形松軟煤體為單一均質(zhì)體且處于平面應(yīng)變狀態(tài)，當(dāng)其所受應(yīng)力大于自身強(qiáng)度極限時(shí)即發(fā)生剪切破壞，則有：

σ1=σ3cot2(45°-φ/2)+2Ccot(45°-φ/2)

(4)

式中，C為煤體顆粒間粘聚力，MPa；φ為煤體顆粒內(nèi)摩擦角，(°)。

由式(4)可知，最大主應(yīng)力σ1與最小主應(yīng)力σ3的差值越大，孔周煤體越易坍塌失效。當(dāng)孔周煤體顆粒質(zhì)點(diǎn)矢徑與最大地應(yīng)力方向夾角θ=90°與θ=270°處時(shí)，σθ-σr的差值最大，孔周非連續(xù)煤體首先發(fā)生坍塌失效。

2 孔周松軟煤體變形數(shù)值模擬研究

2.1 模型建立及模擬過(guò)程

圖2 數(shù)值模擬計(jì)算模型示意圖

本次數(shù)值計(jì)算模型主要變量參數(shù)包括松軟煤層埋深與距鉆孔中心的徑向距離，建立的數(shù)值模型如圖2所示，計(jì)算的模型尺寸為1000mm×1000mm×1000mm，鉆孔直徑為95mm。模型尺寸與鉆孔直徑在水平方向之比大于10，故模型邊界四周及底板均設(shè)置為固定位移邊界。垂向受地應(yīng)力及采動(dòng)應(yīng)力作用而發(fā)生變形破壞，故模型在垂直方向邊界為自由邊界。數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)采用單因素分析法，即變化單一變量，在保持其余變量恒定條件下分析順層深孔孔周受力煤體應(yīng)力應(yīng)變與孔段變形分布。由于原生狀態(tài)下松軟煤體處于顆粒與顆粒的非膠結(jié)狀態(tài)，而煤層實(shí)際受地應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力等作用，導(dǎo)致非膠結(jié)的煤體顆粒之間存在一定的粘接力與摩擦力，在軟煤鉆孔形成過(guò)程中，鉆孔孔周非連續(xù)煤體還沒(méi)有完全滑落，孔周煤體中軟弱結(jié)構(gòu)面首先遭到破壞，同時(shí)由于松動(dòng)卸壓作用，非連續(xù)煤體中吸附的瓦斯被逐漸釋放，使得孔周煤體應(yīng)力得到二次重新分布。形成鉆孔后，繼續(xù)受地應(yīng)力與采動(dòng)應(yīng)力影響，孔周變形煤體顆粒逐層脫落，出現(xiàn)塌孔。因此，本文基于廣義 H-B 失效準(zhǔn)則，采用四面體網(wǎng)格離散模型，同時(shí)忽略鉆孔變形后瓦斯場(chǎng)流動(dòng)及氣固耦合對(duì)孔周煤體變形影響，開(kāi)展了單一變量條件下順層深孔孔周松軟煤體應(yīng)力應(yīng)變模擬計(jì)算。模擬實(shí)驗(yàn)中選用的煤層為石壕礦K3煤層，其煤層屬性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 石壕礦K3煤層屬性參數(shù)表

數(shù)值模擬計(jì)算設(shè)計(jì)方案中，保持孔徑95mm、孔深1000mm、煤層硬度1MPa、瓦斯壓力1MPa，模擬不同埋深條件對(duì)應(yīng)的垂直應(yīng)力作用下孔周不同徑向距離的松軟煤體應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。深部軟煤順層鉆孔模擬參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 深部軟煤順層鉆孔模擬參數(shù)表

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 鉆孔孔周煤體變形特征

模擬計(jì)算了孔徑95mm、孔深1000mm、煤層硬度1MPa、瓦斯壓力1MPa條件下不同埋深的軟煤層鉆孔孔周煤體應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。為了減少模擬運(yùn)算時(shí)間與計(jì)算難度，模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)未考慮采動(dòng)應(yīng)力的影響，并將鉆孔軸向與垂直方向簡(jiǎn)化為互相垂直，以減少側(cè)向應(yīng)力對(duì)孔周非連續(xù)煤體變形擾動(dòng)影響，增加數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。深部軟煤層孔周煤體水平變形位移如圖3所示，鉆孔孔周煤體受地應(yīng)力、瓦斯壓力等復(fù)合應(yīng)力作用下發(fā)生變形，鉆孔垂向被壓縮變形，導(dǎo)致水平方向發(fā)生拉伸變形，鉆孔水平變形位移為1.22mm，在鉆孔施工過(guò)程中，水平及垂直方向的變形勢(shì)必增加了鉆孔垮塌的風(fēng)險(xiǎn)，且鉆孔兩個(gè)方向的變形直接增加了鉆孔過(guò)程中的產(chǎn)渣量。因此，鉆孔過(guò)程中合理控制鉆孔變形及產(chǎn)渣量，對(duì)防治鉆孔垮塌、埋鉆等孔內(nèi)事故具有指導(dǎo)作用。

圖3 深部軟煤層孔周煤體水平變形位移

深部軟煤層孔周煤體垂向位移如圖4所示，數(shù)值模擬結(jié)果顯示，深部軟煤順層鉆孔孔周煤體在垂直方向上發(fā)生擠壓變形，且鉆孔孔周煤體變形最大處位于鉆孔徑向直徑最小處，其最大垂向位移為10.7mm。沿著鉆孔徑向分布，孔周煤體垂向變形呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)，且垂向變形明顯大于鉆孔水平變形。分析可知，在深部高瓦斯軟煤層鉆孔施工過(guò)程中，剛出露的鉆孔孔壁處煤體產(chǎn)生了應(yīng)力集中，導(dǎo)致孔壁處煤體發(fā)生連續(xù)的塑性變形破壞，且隨著孔徑與孔深的增加，此種變形破壞仍會(huì)延續(xù)，導(dǎo)致鉆孔孔壁煤體脫離原生煤體，加劇了孔周煤體的垮孔。

圖4 深部軟煤層孔周煤體垂向位移

為了降低深部高瓦斯軟煤順層深孔垮孔風(fēng)險(xiǎn)，鉆孔過(guò)程中應(yīng)盡量減少鉆孔應(yīng)力集中。鉆孔變形失效的初始原因即為應(yīng)力平衡條件被破壞，在深部高瓦斯軟煤層鉆孔過(guò)程中，應(yīng)避免鉆具對(duì)鉆孔孔壁的二次破壞，防止處于應(yīng)力平衡臨界條件的孔周煤體因鉆孔擾動(dòng)而發(fā)生大體積突然垮落。

2.2.2 鉆孔孔周煤體應(yīng)力變化規(guī)律

為了獲得深部高瓦斯軟煤鉆孔過(guò)程中孔周松軟煤體應(yīng)力變化規(guī)律，數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)在鉆孔孔周徑向設(shè)置了1-8個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別測(cè)試鉆孔孔周不同位置處煤體應(yīng)力變化情況，如圖5所示，在水平方向上設(shè)置四個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為1—4；垂直方向上亦設(shè)置四個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為5—8，各測(cè)點(diǎn)上的應(yīng)力變化分別代表孔徑方向上煤體應(yīng)力變化。隨著徑向距離的增加，鉆孔孔周煤體應(yīng)力分布逐漸降低，鉆孔孔壁處煤體的應(yīng)力出現(xiàn)最大值，表明鉆孔應(yīng)力集中發(fā)生在孔壁處，且垂直方向處應(yīng)力為最大，其最大應(yīng)力值為69.5MPa。

圖5 深部軟煤層孔周煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)

在水平方向上，鉆孔孔周煤體的應(yīng)力分布呈現(xiàn)先增大再逐漸減小的變化規(guī)律，如圖6所示。深部高瓦斯軟煤順層鉆孔施工過(guò)程當(dāng)中，水平應(yīng)力主要為拉伸應(yīng)力，即鉆孔受到地應(yīng)力、瓦斯壓力及采動(dòng)應(yīng)力作用后發(fā)生的軸向壓縮應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生水平方向的拉伸應(yīng)力，引起孔周煤體在水平方向的拉伸變形。受地應(yīng)力應(yīng)力條件影響，水平方向上鉆孔孔周煤體應(yīng)力先增大，表明軸向壓縮變形對(duì)水平方向鉆孔應(yīng)力起到正作用，而隨著徑向距離的增加，水平方向上孔周煤體的應(yīng)力又逐漸減小，表明水平方向上孔周煤體應(yīng)力得到消減，即水平方向上的應(yīng)力沿著徑向逐漸釋放。當(dāng)達(dá)到一定距離后，水平方向上的應(yīng)力只受瓦斯壓力及孔隙壓力的影響，孔周煤體水平應(yīng)力變化趨于平緩。

圖6 深部軟煤層孔周煤體水平應(yīng)力分布示意圖

根據(jù)上述分析可知，深部高瓦斯軟煤順層鉆孔孔周煤體在水平方向上的應(yīng)力分布規(guī)律如圖7所示，各測(cè)點(diǎn)處應(yīng)力分布完全不同，且隨著徑向距離的增加，相鄰測(cè)點(diǎn)之間的應(yīng)力差距逐漸縮小，表明徑向距離對(duì)孔周松軟煤體水平方向上的應(yīng)力變化影響較大。測(cè)點(diǎn)1處水平方向的應(yīng)力變化最大，其應(yīng)力初始值為6MPa左右，受力后應(yīng)力先急劇增加，然后迅速降低至某一值后再緩慢變大，應(yīng)力變化過(guò)程中應(yīng)力最大值達(dá)到13MPa。此變化過(guò)程表明深部高瓦斯軟煤鉆孔受復(fù)雜應(yīng)力作用后，孔周煤體測(cè)點(diǎn)1處受到過(guò)應(yīng)力集中，然后水平方向應(yīng)力在短時(shí)間內(nèi)有快速釋放。

圖7 孔周非連續(xù)煤體水平方向各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分布圖

測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)2的水平應(yīng)力差距較大，測(cè)點(diǎn)2處的應(yīng)力變化趨勢(shì)與測(cè)點(diǎn)1處剛好相反，其經(jīng)歷了應(yīng)力快速下降然后緩慢上升的階段。測(cè)點(diǎn)2處的水平應(yīng)力值最大為21MPa，最小為17MPa，平均水平應(yīng)力在20MPa左右。測(cè)點(diǎn)2處應(yīng)力與測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4的應(yīng)力差距不大，表明徑向距離對(duì)水平應(yīng)力分布的影響逐漸減小。

深部高瓦斯軟煤鉆孔過(guò)程中孔周煤體垂直應(yīng)力分布如圖8所示。與水平應(yīng)力分布相比，垂直應(yīng)力明顯大于水平應(yīng)力。受瓦斯壓力、地應(yīng)力及采動(dòng)應(yīng)力等綜合影響下，孔周煤體垂向的應(yīng)力分布明顯增大。測(cè)點(diǎn)5處的應(yīng)力最大值為18MPa，而測(cè)點(diǎn)8處的最大應(yīng)力達(dá)到40MPa以上。數(shù)值模擬結(jié)果顯示：孔周徑向測(cè)點(diǎn)8處的松軟煤體最大水平應(yīng)力為22MPa，垂直應(yīng)力為43MPa，側(cè)向應(yīng)力系數(shù)為0.5左右。然而，測(cè)點(diǎn)5處由于距離鉆孔中心距離近，其水平應(yīng)力釋放較快，故測(cè)壓系數(shù)接近1。垂直方向上應(yīng)力分布規(guī)律中，測(cè)點(diǎn)5處的應(yīng)力波動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，表明鉆孔施工過(guò)程中孔壁處應(yīng)力最為復(fù)雜，不同的應(yīng)力來(lái)源均增加了鉆孔垮塌的風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 孔周煤體垂直方向各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分布圖

3 結(jié) 論

1)在鉆孔施工過(guò)程中，水平及垂直方向的變形增加了鉆孔垮塌的風(fēng)險(xiǎn)，鉆孔兩個(gè)方向的變形直接增加了鉆孔過(guò)程中的產(chǎn)渣量。

2)研究結(jié)果顯示：鉆孔水平最大變形位移為1.22mm，垂直方向最大變形位移為10.7mm；沿著鉆孔徑向分布，孔周松軟煤體垂向變形呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)，且垂向變形明顯大于鉆孔水平變形；與水平應(yīng)力分布相比，垂直應(yīng)力明顯大于水平應(yīng)力。

3)隨著徑向距離的增加，鉆孔孔周煤體應(yīng)力分布逐漸降低，鉆孔孔壁處煤體的應(yīng)力出現(xiàn)最大值，鉆孔應(yīng)力集中發(fā)生在孔壁處，且垂直方向處應(yīng)力值最大。