篩管護孔技術在弱膠結砂泥巖交互地層疏放水工程中的應用

李盼盼，侯恩科，姬亞東，張澤源

（1.西安科技大學地質(zhì)與環(huán)境學院，陜西西安 710054；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安 710077；3.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西西安 710177）

侏羅系煤層在我國西北地區(qū)分布較廣，其水害類型主要為煤層頂板砂巖水[1]。在工作面開采前對煤層頂板主要砂巖含水層水進行有效疏放，對保證煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。寧東煤炭基地是國家規(guī)劃建設的14 個億噸級煤炭基地之一，在該基地煤炭開采過程中頂板水害是影響基地安全高效生產(chǎn)的主要災害，特別是近幾年該基地礦井在開采2 煤、3煤過程中，煤層頂板多為砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖、細-中粒砂巖互層，存在巷道圍巖強度低，自身承載能力差的特點；且圍巖中含有黏土礦物，遇水后強度損失嚴重，在掘進以及回采期間探放水鉆孔施工過程中易出現(xiàn)鉆孔縮徑、塌孔等鉆孔失穩(wěn)現(xiàn)象，影響疏放水工作的正常進行[2-4]。

針對碎軟煤層中瓦斯抽采鉆孔失穩(wěn)問題前人研究較多[5-8]。但對于煤層頂板弱膠結砂泥巖交互地層疏放水鉆孔失穩(wěn)問題研究較少。為此，借鑒前人在煤層氣抽采過程中對于鉆孔失穩(wěn)問題的解決方案，在寧東煤炭基地某礦井煤層頂板水疏放過程中，探索了在疏放水鉆孔中安裝鋼制篩管，解決弱膠結砂泥巖交互地層塌孔問題，取得了良好的疏水效果。

1 地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

試驗工程位于寧東煤田積家井礦井北部，試驗工作面為110301 工作面其埋深104～202 m，走向長度2 365 m，傾向長度220 m，設計采高3 m。該工作面涉及地層由老至新依次為：三疊系上統(tǒng)上田組（T3s）、侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）、直羅組（J2z）、安定組（J2a）和第四系（Q）。延安組為含煤地層，礦井主要可采煤層為：1、3、5、12、13、18上、18下煤。

目前主要開采煤層為3 煤，其頂?shù)装逖影步M砂巖裂隙承壓含水層為開采工作面直接充水含水層，該含水層淺部富水性中等，深部富水性較弱，巖性呈互層狀，以泥巖、粉砂巖、細-中粒砂巖為主；直羅組砂巖孔隙裂隙承壓含水層為開采工作面間接充水含水層，主要通過裂隙補給延安組砂巖含水層，該含水層富水性中等。3 煤頂板與上覆延安組砂巖含水層間距為1.46～51.2 m，平均26.9 m，部分鉆孔處含水層直接與3 煤接觸，厚度變化大，不均一性明顯。為了減小采后周期性垮落引起工作面峰值涌水，實現(xiàn)“削峰平谷”需在工作面開采前對其靜儲量進行預疏放。110301 工作面頂板疏放水段地層柱狀如圖1。

圖1 110301 工作面頂板疏放水段地層柱狀Fig.1 Strata columnar in roof drainage section of 110301 working face

2 鉆孔失穩(wěn)現(xiàn)象及原因

2020 年3 月至5 月，在110301 工作面回風巷和運輸巷各施工1 個疏放水鉆場，對工作面前300 m 煤層頂板延安組砂巖含水層水進行預疏放，2 個鉆場共施工了13 個疏放水鉆孔，各孔終孔層位按照煤層開采導水斷裂帶發(fā)育高度確定為煤層頂板以上60 m。單孔最大終孔涌水量140 m3/h，最大疏放水量約10.5 萬m3，累計疏放頂板水約48.8 萬m3。疏放水鉆孔布置如圖2。

圖2 110301 工作面疏放水鉆孔布置平面示意圖Fig.2 Plane diagram of drainage borehole arrangement in 110301 working face

2.1 初期疏放水鉆孔失穩(wěn)現(xiàn)象

鉆孔施工過程中大部分鉆孔曾出現(xiàn)夾鉆、鉆壓增大現(xiàn)象，通過往復式起鉆、下鉆可順利通過，說明鉆孔圍巖破碎；終孔起鉆后鉆孔內(nèi)涌出大量粒徑2～5 mm 煤、巖碎塊，分選差，水量不穩(wěn)定，水質(zhì)渾濁，約2 h 后水質(zhì)變清，同時鉆孔涌水量減小，部分鉆孔24 h 后涌水量衰減80%～90%，水量衰減后即開始掃孔，下鉆至40 m 左右時遇到堵塞物，鉆壓明顯增大，需增大沖洗液輸送量并往復式起鉆、下鉆方可通過，掃孔效率較低，且掃孔后未能明顯改善水量不穩(wěn)定及異常衰減現(xiàn)象。110301 工作面部分疏放水鉆孔涌水量歷時曲線如圖3。

圖3 110301 工作面未安裝篩管疏放水鉆孔涌水量歷時曲線圖Fig.3 Water inflow duration curves of drilling hole without screen tube drainage in 110301 working face

2.2 鉆孔失穩(wěn)原因分析

疏放水鉆孔失穩(wěn)是指在鉆孔成孔和疏放水過程中，鉆孔孔壁產(chǎn)生的不同程度變形、垮塌等現(xiàn)象。掌握鉆孔孔壁失穩(wěn)的原因是選用鉆孔護孔技術的基礎。從鉆孔穩(wěn)定性影響因素和室內(nèi)試驗2 方面對鉆孔失穩(wěn)原因進行分析。

2.2.1 鉆孔穩(wěn)定性影響因素

1）內(nèi)在因素。鉆孔孔壁發(fā)生垮塌的力學條件是孔壁周圍巖體的力學載荷超過巖體自身強度而產(chǎn)生的剪切破壞，而巖體的力學性質(zhì)決定了鉆孔所能承受應力載荷的能力，砂泥巖弱膠結巖層自身承載能力較差，且在成巖過程中形成了大量的宏觀和微觀裂隙，導致其強度和完整性顯著下降，因此鉆孔在弱膠結巖層中鉆進其穩(wěn)定性較差[5]。

2）外在因素。疏放水鉆孔穩(wěn)定性的外在影響因素主要為鉆孔的施工工藝，涉及鉆渣反排方式、鉆進速度及鉆桿振動效應等。疏放水鉆孔主要排渣方式為水力排渣，水力排渣時孔壁會長時間受到水流沖刷，對于遇水易軟化、崩解的弱膠結巖層而言，極易造成孔壁的整體垮塌；鉆進速度過快時，一方面產(chǎn)生大量的鉆渣會對孔壁產(chǎn)生擠壓，另一方面孔周圍應力無法及時向深部釋放，造成孔內(nèi)徑向應力增長速度過快，誘發(fā)孔壁失穩(wěn)；鉆桿振動效應指鉆桿轉(zhuǎn)動過程中附加徑向運動，這種運動使鉆桿頻繁撞擊孔壁，造成孔壁破碎，不利于鉆孔穩(wěn)定[5]。

2.2.2 室內(nèi)試驗

110301 工作面疏放水鉆孔區(qū)構造條件簡單，未發(fā)現(xiàn)斷層、褶曲，鉆孔頻繁出現(xiàn)塌孔、堵孔等現(xiàn)象可能與地層結構復雜、巖層穩(wěn)定性差、遇水易膨脹失穩(wěn)等因素有關。為了進一步查明鉆孔失穩(wěn)原因，需了解地層主要礦物成分及耐崩解性，故在J1-1、J1-2、J1-3 鉆孔進行取心鉆進，選取較為完整的巖心制得巖樣，分別標記為1#巖樣（泥巖，頂板以上45～48 m）、2#巖樣（砂質(zhì)泥巖，頂板以上36～38 m）、3#巖樣（細粒砂巖，頂板以上25～26 m），進行礦物成分測試和崩解性測試。

1）礦物成分測試。對上述3 組巖樣采用X 射線衍射試驗（XRD）進行礦物成分測試，通過圖譜比照分析，巖樣礦物主要成分為石英和黏土礦物，次要成分為少量長石、云母、方解石、赤鐵礦和菱鐵礦。巖樣礦物成分組成見表1。

表1 巖樣礦物成分組成Table 1 Mineral composition of rock samples

2）崩解性測試試驗。為考察巖樣遇水穩(wěn)定性，選擇無宏觀裂隙的2#和3#巖樣進行試驗。通過試驗，巖樣耐崩解指數(shù)范圍為26.13%～38.64%，最終崩解量約大于原始質(zhì)量的60%，耐崩解指數(shù)較低，崩解性較強；為了避免因巖樣尺寸差異造成試驗結果誤差，將2 組巖樣原始質(zhì)量分別取10 g 和100 g（質(zhì)量相差10 倍）進行試驗，其試驗結果一致，說明崩解總量受巖樣尺寸（質(zhì)量）影響較小。巖樣耐崩解指數(shù)對比見表2、表3。從表中可以看出，黏土含量較高的2#砂質(zhì)泥巖樣品與黏土含量低的3#細粒砂巖樣品對比，其崩解量大、殘余質(zhì)量小，耐崩解指數(shù)小。

表2 第1 組巖樣耐崩解指數(shù)對比Table 2 Comparison of disintegration resistance index of the first group of rock samples

表3 第2 組巖樣耐崩解指數(shù)對比Table 3 Comparison of disintegration resistance index of the second group of rock samples

通過以上試驗，說明圍巖含有黏土礦物成分，自承載能力差，圍巖強度低，遇水后強度損失嚴重，且軟化膨脹；鉆孔揭露含水層或者原生裂隙溝通含水層后出現(xiàn)淋水，使圍巖強度不斷降低，穩(wěn)定性下降，極易出現(xiàn)塌孔、堵孔現(xiàn)象，反復掃孔會增大對圍巖的擾動，使得塌孔更為嚴重[9-10]。

3 篩管護孔技術及其實施效果

3.1 篩管設計

煤礦井下煤層氣鉆孔使用篩管完孔已成為碎軟煤層瓦斯抽采的最佳護孔措施，有效地解決了穿層鉆孔完孔后孔壁易坍塌而堵塞瓦斯抽采通道，造成瓦斯抽采效率降低的問題。借鑒此方法將篩管護孔工藝引用至疏放水鉆孔中，在疏放水鉆孔中安裝鋼制篩管，根據(jù)鉆孔孔徑以及鉆機型號確定篩管外徑65 mm（與鉆桿外徑一致），壁厚4 mm；考慮篩管孔徑、孔密及相位角對篩管強度的影響，為保證篩管的過流能力，設計篩管孔徑為12 mm，孔密為12 孔/m，相位角90°，布孔方式為螺旋式布孔，單根篩管長度為1 500 mm[11-14]；孔口第1 根篩管使用有焊接“肋條”的法蘭盤與止水套管法蘭盤連接防止篩管外滑發(fā)生安全事故，同時保證孔內(nèi)破碎煤巖塊順利沖出孔口，篩管之間使用絲扣連接，安裝孔內(nèi)最后1 根篩管選用錐形頭設計，防止孔內(nèi)巖屑進入篩管發(fā)生堵塞的同時，也可以減小篩管安裝過程中的阻力，以便順利通過孔內(nèi)堵塞物。

3.2 篩管安裝工藝

鉆孔結構與初期疏放水方案一致，僅對鉆進參數(shù)進行優(yōu)化，為避免鉆進過程中鉆孔塌孔、夾鉆，盡量低轉(zhuǎn)速鉆進，減小鉆桿轉(zhuǎn)動對孔壁的振動，同時調(diào)整沖洗液流量，在充分排渣的情況下減小對孔壁沖刷。鉆孔施工過程中技術人員嚴格按照設計要求記錄巖性，判斷鉆孔在砂泥巖弱膠結巖層中鉆進的深度，鉆孔施工至設計終孔位置后立即安裝篩管，篩管安裝長度不小于實際記錄穿層孔深。根據(jù)記錄，設計單孔安裝長度為100 m；使用鉆機安裝篩管，降低施工人員勞動強度，安裝過程中鉆機帶動篩管低速轉(zhuǎn)動，如遇孔內(nèi)阻塞可通過適當提鉆、下鉆加大鉆壓解決，最后將篩管法蘭盤與止水套管法蘭盤連接固定。

3.3 篩管護孔技術實施后鉆孔涌水量觀測

安裝篩管鉆孔涌水量曲線如圖4。

圖4 110301 工作面安裝篩管疏放水鉆孔涌水量歷時曲線圖Fig.4 Water inflow duration curves of drilling hole with screen tube drainage in 110301 working face

為保證疏放水效果，在F1 和J1 鉆場增加施工的鉆孔（F1-5、F1-6、J1-4、J1-5、J1-6、J1-7）中均安裝了篩管，因F1-6 鉆孔塌孔嚴重，篩管安裝至57 m后無法繼續(xù)安裝，其余鉆孔均安裝至100 m。除F1-6 鉆孔外，其他鉆孔均在2 個月后基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，鉆孔疏放水效率較未安裝篩管鉆孔明顯提升；通過疏放水鉆孔孔口水壓以及地面含水層水位變化觀測數(shù)據(jù)，判斷鉆孔涌水量小幅度衰減屬于含水層靜儲量釋放過程的自然衰減，基本可以排除由于鉆孔塌孔、堵孔造成的非自然衰減，單孔最小累計疏放水量2.86 萬m3（F1-6 鉆孔），最大累計疏放水量10.49 萬m3（J1-5 鉆孔），其余鉆孔單孔累計疏放水量約5～8 萬m3。

3.4 疏放水效果

疏放水過程中采用掃孔和安裝篩管2 種工藝進行鉆孔維護。通過水量觀測發(fā)現(xiàn)采用掃孔工藝維護孔壁時初次掃孔后，鉆孔涌水量明顯增大但是短時間內(nèi)仍出現(xiàn)較明顯衰減，且第2 次掃孔后鉆孔涌水量未出現(xiàn)明顯變化；鉆孔涌水量3 d 衰減率為20.83%～78.755%，平均50.49%；7 d 衰減率為18.52%～93.18%，平均71.22%；14 d 衰減率為85.42%～96.05%，平均90.96%；30 d 衰減率為91.89%～99.38%，平均96.52%；60 d 鉆孔最大疏放水量僅為9 216 m3。采用安裝篩管工藝維護孔壁時，鉆孔涌水量能夠在較長時間內(nèi)保持穩(wěn)定，3 d 衰減率為0%～25.33%，平均9.66%；7 d 衰減率為0%～28.57%，平均16.01%；14 d 衰減率為14.89%～48.12%，平均26.59%；30 d 衰減率為33.33%～87.3%，平均51.85%；60 d 衰減率為40.43%～95.24%，平均60.67%。鉆孔最小疏放水量為2.86 萬m3，最大疏放水量為10.49 萬m3，通過對比說明解決該地質(zhì)條件下鉆孔失穩(wěn)問題安裝篩管工藝明顯優(yōu)于掃孔工藝。2 類鉆孔疏放水量對比圖如圖5。

圖5 2 類鉆孔疏放水量對比圖Fig.5 Comparison chart of drainage quantity of two types of drilling

本次疏放水工程累計疏放水量48.8 萬m3，其中，安裝篩管鉆孔疏放水量44.04 萬m3，占疏放總水量90.25%。

4 結 語

1）在弱膠結砂泥巖交互地層中施工煤層頂板疏放水鉆孔頻繁出現(xiàn)塌孔，一是因為弱膠結砂泥巖地層含黏土礦物，遇水易軟化膨脹，且自身承載能力差；二是因為鉆孔施工過程中鉆機擾動以及鉆孔周圍應力重新分布進一步誘發(fā)了孔壁失穩(wěn)。

2）考慮孔徑、孔密及相位角對篩管強度的影響，設計篩管直徑為65 mm，壁厚為4 mm，孔徑為12 mm，孔密為12 孔/m，相位角為90°，采用螺旋布孔，單根篩管長度為1 500 mm；篩管之間采用絲扣連接，使用探放水鉆機推送至目標層位。

3）在疏放鉆孔中安裝篩管，鉆孔失穩(wěn)塌孔情況得到明顯改善，相同時間段內(nèi)鉆孔疏放效率明顯提高，未安裝篩管的鉆孔涌水量14 d 平均衰減率達到90.96%，安裝篩管后鉆孔涌水量14 d 平均衰減率為26.59%，30 d 平均衰減率為51.85%，60 d 平均衰減率為60.67%；相同的疏放時間、鉆孔數(shù)量，安裝篩管的鉆孔疏放水量占疏放水總量90.25%。因此，篩管護孔方法能夠有效解決弱膠結砂泥巖交互地層疏放水鉆孔高效疏放的問題。