煤矿深部膨胀性泥岩钻孔变形机理及控制技术数值研究∗

侯吉峰 刘 浩 李永明 赵丽娟（山西大同大学煤炭工程学院,山西省大同市,037003）



煤矿深部膨胀性泥岩钻孔变形机理及控制技术数值研究∗

侯吉峰 刘 浩 李永明 赵丽娟
（山西大同大学煤炭工程学院,山西省大同市,037003）

摘要煤矿深部膨胀性泥岩钻孔水力排渣过程中,围岩膨胀变形和岩性软化,使钻孔缩径严重。提出一种聚胺钻孔液成孔新技术,利用数值模拟软件ANSYS模拟分析了钻孔液浸泡前后煤矿膨胀性泥岩钻孔周围应力场和位移变化,在现场抽放钻孔进行了应用,稳定孔壁效果显著。试验结果表明聚胺钻孔液浸泡后,钻孔围岩等效应力增加,围岩稳定性增强,钻孔缩径量明显降低,有效防止了膨胀性泥岩钻孔缩径卡钻、夹钻,增加了钻孔抽放时间。

关键词瓦斯抽放钻孔 膨胀性泥岩 聚胺钻孔液 数值模拟 钻孔缩径控制

钻孔预抽煤层气（瓦斯）是防治煤矿煤层气（瓦斯）事故的主要措施之一。在穿层钻孔时经常穿透膨胀性泥岩（膨胀性泥岩是指在水的物理化学作用下,能产生体积膨胀、物性软化、碎裂和泥化等现象的一类岩石）,当岩体受到扰动后,特别是环境湿度和地应力条件变化时,膨胀性泥岩的性状将发生较大的改变,产生体积膨胀和收缩。目前煤矿普遍采用水力压裂、水力割缝等措施增透,当钻孔施工进入膨胀性泥岩夹层时,膨胀性泥岩遇水膨胀,钻孔缩径造成卡钻、钻具夹死等孔内事故;此外泥岩遇水膨胀后岩石强度弱化,在水化膨胀压力和地应力作用下钻孔产生变形,使孔眼缩小。因此解决煤矿膨胀性泥岩水力钻孔缩径问题,对煤矿煤层气（瓦斯）灾害防治具有重要的意义。

针对泥岩膨胀变形,国内外学者开展了大量的研究。邱正松教授对聚胺抑制剂抑制泥页岩膨胀特性及作用机理进行了研究;缪协兴研究了湿度应力场问题,建立了湿度应力场理论以及湿度场耦合方程,并据此分析了巷道围岩的变形问题。然而对于煤矿膨胀性泥岩瓦斯抽放钻孔缩径的控制问题,国内外目前这方面的研究还比较少。

本文以重庆松藻煤矿地质条件为背景,采用理论分析的方法,对煤矿深部膨胀性泥岩钻孔缩径的影响因素进行了分析,据此提出一种聚胺钻孔液成孔控制新技术,模拟分析了钻孔液浸泡前后煤矿膨胀性泥岩钻孔周围应力场和位移变化,在现场抽放钻孔进行了应用,稳定孔壁效果显著,对于解决煤矿膨胀性泥岩钻孔缩径卡钻、夹钻,防治煤矿煤层气（瓦斯）灾害具有重要的意义。

1　钻孔缩径变形理论分析

若煤矿井下有一个半径为a的穿层钻孔,该钻孔受轴对称湿度应力场q和均匀地应力场p共同作用,则穿膨胀性泥岩钻孔受力平面图如图1所示。

图1　膨胀性泥岩钻孔受力分析平面图

假设在一定含水率范围内泥岩的力学性质是不变的,根据湿度应力场理论,可简化求得钻孔围岩径向位移为:

则钻孔孔壁（r＝a）处径向位移为:

式中:ur——围岩径向位移;

p——地应力;

W0——湿度最大变化值（孔壁处）;

r——围岩径向半径;

a——钻孔初始半径;

α——湿度线膨胀系数;

E——弹性模量;

μ——泊松比。

从式（2）可以看出,随着含水率、地应力、湿度线膨胀系数及泊松比的增大,钻孔孔壁径向位移表现为线性增大的趋势;而弹性模量从小向大取值时,钻孔孔壁径向位移表现为减小的趋势并趋向于一定值,如果弹性模量趋于无穷大时即围岩强度很大,钻孔孔壁径向位移主要表现为湿度变化引起的膨胀变形。可见,在地层比较完整、抗压强度比较大的弱膨胀岩中,钻孔围岩变形较小;相反,在裂隙比较发育、岩性比较差的强膨胀岩中,钻孔围岩变形较大,缩径更明显,因此钻遇条件差的膨胀岩地层时,更应注意防止钻孔缩径卡钻。

由理论分析可知,影响煤矿深部膨胀性泥岩钻孔缩径变形的因素比较复杂,主要有地应力场、湿度应力场和围岩性质等。由于膨胀性泥岩自身承载能力比较差,随着埋深的增大,钻孔缩径变形严重。钻孔径向位移随着地应力增加、围岩力学性质降低而增大。人为无法改变地应力,但可以通过改变湿度场、围岩强度减少钻孔缩径卡钻、夹钻,从而提高钻孔钻进效率。

2　膨胀性泥岩力学特性试验

为了研究不同钻孔液浸泡对泥岩力学特性的影响,在实验室内进行了泥岩的侧向约束膨胀试验和单轴抗压强度试验。泥岩的侧向约束膨胀试验采用SCY－2型岩石侧向约束膨胀试验仪。单轴抗压强度试验采用MTS815岩石力学测试系统进行。分别配置了3种不同组分钻孔液,1＃钻孔液为清水、2＃钻孔液为清水＋聚胺抑制剂（SDA）、3＃钻孔液为清水＋聚胺抑制剂＋封堵剂（LWJ－1）。试验结果表明:聚胺钻孔液能降低泥岩含水率,有效抑制泥岩水化膨胀变形。钻孔液中的封堵剂（铝盐络合物LWJ－1）与泥岩中的粘土结合形成具有固结作用的硅铝酸盐不渗透地层,阻止水分的进一步侵入,增强泥岩力学性质,与清水浸泡相比,泥岩的抗压强度可以提高4倍左右,接近原岩强度。

3　泥岩钻孔变形控制数值模拟

3.1湿度应力场的数值模拟方法

不同钻孔液浸泡后引起泥岩湿度应力场、强度参数的改变。考虑温度应力场与湿度应力场具有相似性,采用ANSYS软件中的温度应力场模块来模拟湿度应力场。湿度应力场与温度应力场的相关参数服从如下关系:

式中:β——温度线膨胀系数;

ΔW——湿度变化量;

ΔT——温度变化量。

这样,β、ΔT就可转化为湿度场参数对应的温度场参数。

3.2模型的建立及边界条件的确定

以重庆松藻煤矿地质条件为背景。钻孔为圆形,直径94 mm,围岩为膨胀性泥岩,埋深在800 m左右,泥岩夹层层面与其他岩层封闭接触。模型为空心圆柱体,其几何尺寸为圆柱体高0.6 m、底面半径0.2 m,模型的边界条件为沿圆柱体轴向施加轴向位移约束,外圆柱面施加地应力作为压力边界条件。为便于观察孔壁变形,将三维几何模型沿圆柱体高度方向简化。湿度场分析采用Brick 20 node 90单元,应力与变形分析采用Solid186结构单元。钻孔附近设置网格密一些,其它区域的网格稀疏些。

3.3材料参数的选取

根据室内单轴压缩试验,测试了不同钻孔液浸泡条件下泥岩岩样的变形参数,具体测试结果如表1所示。

为了研究不同钻孔液浸泡对钻孔缩径变形的影响,计算中分别取孔壁处的饱和含水率w为10.25%、14.30%和25.33%共3种情况。含水率为25.33%时,对应温度变化ΔT＝200℃（前两种可以通过比例计算出相对应的温度值）;无穷远处认为含水率为0,对应温度为0,则对应温度变化ΔT＝0℃。围岩内部含水状态由有限元程序计算求得。地应力取为15 MPa。

表1　不同钻孔液浸泡后泥岩变形参数

3.4数值模拟结果与分析

3.4.1钻孔液浸泡对钻孔围岩变形的影响

煤矿膨胀性泥岩钻孔变形参数主要考虑钻孔径向位移量。模拟了地应力为15 MPa、钻孔分别在上述3种钻孔液浸泡后钻孔孔壁最大径向位移,模拟结果见图2（a）。

（1）钻孔经不同液体浸泡后,中心钻孔孔径变形有明显不同。其最大变形量模拟值由清水作用时的9.52 mm降低到聚胺抑制剂液作用时的4.66 mm,降低了51.0%,可见聚胺抑制剂能有效地抑制膨胀性泥岩钻孔缩径变形。在聚胺抑制剂溶液中添加具有微裂隙封堵能力的铝盐络合物（LWJ－1）后,钻孔缩径量降低为2.97 mm,最终降幅达到68.8%,可见通过改善泥岩岩性强度能进一步降低钻孔缩径变形量。

（2）钻孔经过不同钻孔液浸泡后的孔壁最大径向位移理论值与模拟值基本趋势一致,证明了数值模拟的准确性和可靠性。

图2　钻孔分别经3种钻孔液浸泡后,孔壁最大径向位移理论值与模拟值对比及钻孔围岩最大等效应力

3.4.2 钻孔液浸泡对钻孔围岩应力的影响

由湿度应力场理论可知,含水率的变化不仅对钻孔围岩的变形有明显影响,钻孔围岩的应力也会有很大改变。钻孔分别在上述3种钻孔液浸泡后钻孔围岩的最大等效应力的变化如图2（b）所示。

钻孔经不同钻孔液浸泡后,围岩应力有较大差别,钻孔液浸泡过的钻孔围岩应力明显大于清水浸泡过的围岩应力。主要是由于聚胺钻孔液浸泡后钻孔围岩较清水浸泡后含水率降低,膨胀应力降低,导致最大等效应力的增加。由于聚胺钻孔液浸泡后钻孔围岩强度增加,钻孔的稳定性反而增强。

4　现场应用

聚胺钻孔液在重庆松藻煤矿8＃煤层底板岩巷进行了现场应用。8＃煤层比较稳定,平均厚度为2.85 m,瓦斯压力1.79 MPa,瓦斯含量为17.04 m3/t,煤层顶底板比较松软,多为膨胀性泥岩,遇水极易发生膨胀软化。在8＃煤层底板岩巷施工6组瓦斯抽采钻孔,每组钻孔分别用清水排渣和聚胺钻孔液排渣。现场试验表明,使用聚胺钻孔液钻孔施工过程中卡钻、夹钻事故明显减少,钻进速率提高,打钻周期大幅缩短,进而增加了抽放时间。6组瓦斯抽采钻孔钻进速率如图3所示。

图3　使用两种不同钻孔液钻孔钻进速率比较

由此可见,将聚胺钻孔液应用到深部煤矿膨胀性泥岩抽采钻孔施工中,对提高膨胀性泥岩钻孔的稳定性,解决煤矿膨胀性泥岩钻孔缩径卡钻、夹钻事故具有重要的指导意义。

5　结论

（1）通过理论分析可知,影响煤矿深部膨胀性泥岩钻孔缩径的因素有含水率、地应力、围岩性质、湿度线膨胀系数;钻孔缩径量随着含水率、地应力和湿度线膨胀系数的增加而增大;随围岩强度的增大而减小,并趋向于某一定值。因此钻孔时遇围岩条件差的膨胀性泥岩地层更应注意防止钻孔缩径卡钻、夹钻事故的发生。

（2）通过数值模拟和现场应用可知,煤矿膨胀性泥岩钻孔遇清水后,钻孔缩径变形严重,钻孔易发生失稳破坏;聚胺钻孔液浸泡后,钻孔缩径变形量明显减小,钻孔稳定性增强,如果在聚胺钻孔液中添加封堵剂等,效果更加显著,有效地防止了煤矿膨胀性泥岩钻孔缩径卡钻、夹钻事故,提高了钻进效率,增加了钻孔抽放时间,对煤矿煤层气（瓦斯）灾害防治具有重要的意义。

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（责任编辑张毅玲）

Numerical study on boreholes deformation mechanism and control technology in expansive mudstone in deep coal mine

Hou Jifeng,Liu Hao,Li Yongming,Zhao Lijuan
（School of Coal Engineering,Shanxi Datong University,Datong,Shanxi 037003,China）

AbstractIn the process of hydraulic slagging in expansive mudstone borehole in deep coal mine,surrounding rock deformation and softening and borehole shrinkage were obvious and serious.A new drilling technique using polyamine drilling fluid was proposed,and the stress field and displacement changes around the borehole in the expansive mudstone before and after drilling fluid soaking were analyzed by numerical simulation software ANSYS. The results were applied to gas drainage and drilling,and the stabilizing effect was great. The test results showed that when the surrounding rocks were soaked by the polyamine drilling fluid,the equivalent stress of borehole surrounding rock was increased,while the stability of surrounding rock was improved and the borehole shrinkage was decreased,which effectively prevented the jamming and sticking of drilling tool in expansive mudstone and increased the borehole gas drainage time.

Key wordsgas drainage borehole,expansive mudstone,polyamines drilling fluid,numerical simulation,borehole shrinkage control

中图分类号TD713

文献标识码A

基金项目:∗大同市基础研究计划项目（2015113）

作者简介:侯吉峰（1984－）,男,山东临朐人,硕士,助教,主要从事煤层气开发及利用研究工作。