构造松软煤层钻孔失稳机理研究现状及问题剖析

邸晟钧，李冬辉，丛 毅(.山西焦煤集团有限责任公司 技术中心，山西 太原 0004； .大同煤矿集团有限责任公司 技师学院，山西 大同 0700；.大同煤矿集团有限责任公司 马脊梁矿，山西 大同 0700)

构造煤层俗称软煤，是指在构造应力作用下，煤体原生结构遭受破坏，煤层物理力学特征及瓦斯赋存条件发生改变的一类煤层[1]. 我国绝大部分的煤层均受到过不同程度的构造应力作用影响，因此构造煤层发育分布范围较广；特别是高瓦斯和突出煤层，煤层的构造作用更加明显。由于构造煤层受构造作用的影响，其物理力学特征及瓦斯赋存条件与原生煤层存在很大不同，通常为煤与瓦斯突出事故和低透松软煤层瓦斯难抽采的主要原因。目前，井下钻孔瓦斯抽采是预防煤与瓦斯突出和煤层气开发的主要途径。但与原生结构煤层相比，构造煤层在钻孔施工及瓦斯抽采过程中更易发生塌孔、缩颈等钻孔失稳现象；此外，随着我国煤矿整体采深的不断增加，高瓦斯、强构造煤层引发的安全及资源开发问题愈加凸显，煤层瓦斯安全预抽、煤层气高效开发利用等成为煤与瓦斯共采的主要制约因素。为此，国内学者对钻孔失稳机理及护孔技术等进行大量的研究，由于研究时间较短，虽然取得一定成果，但存在的问题也不能忽视。本文以前人研究成果为基础，针对构造煤层钻孔失稳机理及钻孔防护技术进行深入的分析，并总结分析其研究所存在的问题，为进一步的钻孔失稳研究提供指导意义。

1 松软煤层钻孔失稳理论研究

目前，国内学者一致认为引起构造煤层钻孔失稳的主控因素包括：构造煤层物理力学特征、瓦斯赋存条件、巷道及钻孔采动影响、钻孔钻进方式及钻孔参数、人工操作等其它因素共同耦合作用。对于钻孔失稳的研究，陈志超[2]较早基于钻探的小口径钻孔孔壁稳定问题进行探讨，分析得出造成孔壁坍塌掉块或缩径膨胀等不稳定现象的原因主要有地层应力的作用、冲洗液的破坏、起下钻时产生的压力激动破坏及地质因素。蒋红心[3]等人基于饱和软土地层中的钻孔孔壁的稳定性分析，得出了钻孔孔壁的稳定性与土的内摩擦角有关，且与相对距离(d/a)2(d是计算点到钻孔中心的距离,a是钻孔半径)成正比，并认为土的黏聚力及毛细吸力有利于孔壁的稳定。梁运培[4]基于掘进工作面顺层钻孔应力分布特征及钻孔钻进采动应力的影响分析了地应力及采动应力的叠加作用对钻孔周围煤体的破坏，认为掘进工作面前方应力峰值强度后区域为钻孔喷孔的频发区，并分析了瓦斯对煤体的破坏属孔裂隙瓦斯压力作用下的拉伸破坏，当孔壁单元所受径向空间有效拉应力超过煤体自身抗拉强度和摩擦阻力时，孔壁将发生失稳破坏，从而可能进一步引发钻孔喷孔和工作面突出。

王振等[5]通过建立基于最大拉应力破坏准则的孔底球壳模型及基于Mohr-Coulomb强度准则的钻孔孔壁段圆柱球壳模型，研究了采掘工作面前方防突钻孔的失稳力学条件得出，采掘工作面前方卸压区为易垮孔区，峰后应力集中区为垮孔和喷孔易发生区，而峰前应力集中区则发生喷孔概率降低。

Ping Qu等[6]通过时滞效应对煤层钻孔稳定性的影响得出，孔隙压力变化与煤层存在大量割理是引起时滞效应的主要因素。翟成等[7]通过分析松软煤层水力压裂钻孔失稳得出，巷道围岩应力及钻孔二次采动应力是压裂孔施工后孔壁弱结构易产生失稳、破坏的主要原因。T.Meier等[8]通过实验研究了钻孔孔径对黑页岩钻孔塌孔的影响，认为钻孔尺度效应是其塌孔的主要原因。杨磊等[9]通过研究分析瓦斯抽采钻孔周边瓦斯流场及节理裂隙场，建立了瓦斯抽采钻孔节理裂隙模型，研究得出，钻孔失稳是由瓦斯孔隙压力和节理裂隙共同作用所致；同时得出，瓦斯抽采钻孔失稳在时间上的延迟效应内因是由于煤层节理裂隙的存在，外因则是该节理裂隙内瓦斯孔隙压力的变化所引起的。韩颖等[10]认为钻孔所处应力环境、煤体结构、孔隙压力、钻进速度是影响孔壁稳定性的重要因素，并基于H-B准则，地质强度指标(GSI)与岩石断裂学理论，建立了煤层钻孔失稳力学判据，认为只有满足煤体发生强度破坏、裂纹在应力作用下逐步扩展、裂纹在瓦斯压力作用下继续扩展直至相互贯通这3个要素，Ⅱ-Ⅳ类煤层钻孔孔壁才会发生失稳；同时得出，卸压带易发生垮孔，峰后应力集中带易发生喷孔、顶钻，峰前应力集中带钻孔孔壁失稳概率较低。

张森森等[11]基于钻孔实际瓦斯抽采量与理论瓦斯抽采量的对比，建立了钻孔有效长度与钻孔总长度的y=a(1-e-bx) 数学模型，并依据此模型来判定钻孔失稳位置。

2 松软煤层钻孔失稳机理数值研究

由于井下环境的局限性，钻孔失稳分析研究往往需要借助计算机进行数值模拟来实现，目前主要采用模拟软件包括UDEC、FLAC3D、COMSOL等。其中，姚向荣等[12]根据丁集煤矿-910 m水平11-2回风平巷实测煤岩力学参数，采用大变形FLAC3D软件模拟方法得到的抽采钻孔围岩二次采动应力弹、塑性分布特征与理论计算结果完全一致，并分析钻孔失稳条件得出，当测压系数λ≠1时，钻孔顶部、底部的孔壁位移量为两侧孔壁位移量的2倍；随着λ的增大，钻孔围岩应力集中系数增加，钻孔孔径位移量增加，围岩塑性区半径增大，钻孔稳定性降低；同时得出，软弱岩层中钻孔二次采动影响及钻孔孔壁位移量明显大于坚硬岩层。Jincai Zhang[13]基于弱层理面的各向异性特征对钻孔稳定性分析模型进行改进，并且得出了滑移效应梯度，从而可用于指导模拟井筒滑动破坏与剪切破坏。

郝昌富等[14]基于钻孔周围煤体的力学特性，建立了考虑煤的塑性软化和扩容特性的黏弹塑性模型，并利用COMSOL Multiphysics 对软硬煤层初始时刻受力情况进行数值模拟认为，软煤层钻孔具有更好的卸压效果，硬煤层钻孔更易形成应力集中；软硬煤层钻孔均会随时间发生缩孔现象，软煤层钻孔蠕变变形更为剧烈，更易发生钻孔塌孔现象；而硬煤层钻孔虽然存在缩颈现象，但不发生塌孔现象，但随着深部应力的增大，蠕变变形开始加剧，钻孔失稳现象开始显现。张飞燕等[15]以钻孔周围煤体为各项同性，测压系数λ=1为基础，建立了煤层钻孔力学模型及数值模型，并通过UDEC数字模拟软件对钻孔周围应力场、位移场分布及钻孔失稳破坏形式进行研究得出，煤层钻孔主要以剪切破坏为主，孔壁处呈“V”状破坏和小部分拉伸破坏，孔周煤体深部呈共轭的“X”状剪切破坏。郝晋伟等[16]等基于钻孔所处的多应力环境，利用Malab数值计算软件对基于测压系数λ=1，各向均质的煤层钻孔周围煤体弹塑性区应力峰值及范围的影响进行研究分析得出，初始应力及采动半径的增大或内聚力及内摩擦角的降低均会不同程度造成应力峰值或弹塑性区域的增大，从而增加钻孔失稳的概率及范围，并提出了松软煤层钻孔多应力耦合分区失稳理论。孟晓红[17]基于线性孔隙弹性理论，针对水平及倾斜钻孔，建立了钻孔坍塌失效的线弹性模型，研究了钻孔变形与钻孔坍塌临界应力的关系，分析了煤体内聚力和内摩擦角、埋深、煤层流体压力及钻孔方位角和倾角等因素对钻孔坍塌失效的影响；同时采用 FLAC3D有限元数值模拟手段及对比分析的方法，针对裸眼钻孔和下套管钻孔，分析其变形的应力场、位移场、塑性区范围等的变化情况，研究埋深、侧压系数、钻孔直径等对钻孔变形的影响机制；并得出钻孔直径会直接影响软煤钻孔的变形情况，认为当钻孔直径增大时，钻孔顶部的最大垂直位移也会变大，二者呈正相关。

3 研究存在的问题及展望

针对钻孔失稳机理的研究，目前已取得以上研究成果，对于构造松软煤层瓦斯治理及井下煤层气开发有重要意义及参考价值。但研究过程中无论是理论研究还是数值模拟均未完善，仍有许多问题亟待解决，具体如下：

1) 不同类型构造钻孔失稳评价模型的建立。构建不同构造程度煤层的钻孔失稳的评价模型，有助于其它构造煤瓦斯抽采过程中的初期钻孔施工及参数的选择，为煤层瓦斯抽采提供可靠理论基础。

2) 多应力场耦合作用对钻孔周围煤体的时效性影响研究。通过对多应力场耦合作用下钻孔周围煤岩体影响失稳时效性作用的研究，可以对钻孔密封段长度的合理选择及钻孔瓦斯抽采时间的合理确定给出科学的设计，有助于煤层气的高效开采。

3) 钻孔周围煤岩体裂隙分布及失稳变形特征研究。通过研究钻孔周围裂隙分布规律及失稳变形特征，合理选择钻孔封孔方式及封孔相关参数，对于减少钻孔漏风，提高钻孔瓦斯抽采浓度，从而提高井下煤层气利用率具有重要意义。

4) 煤层层节理及孔裂隙分布规律对钻孔失稳的影响研究。通过研究煤层层节理及孔裂隙分布规律，合理选择钻孔方位，有助于钻孔的稳定性及瓦斯流动。

5) 钻孔失稳段分布的准确预测研究。针对钻孔失稳段分布的准确预测，可合理选择护孔方式及护孔距离，从而大大提高钻孔护孔效率，减少不必要的资源浪费。

[1] 琚宜文，姜 波，王桂樑,等.构造煤结构及储层物性[M].徐州：中国矿业大学出版社，2005：46-47.

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