井下塌孔失效钻孔抽采失效判定方法研究

范彦阳，季卫斌，覃晓波

(1.贵州安和矿业科技工程股份有限公司，贵州 贵阳 550081；2.西南地区煤矿瓦斯防治工程研究中心，贵州 贵阳 550081)

0 引言

井下瓦斯钻孔抽采是国内煤矿瓦斯抽采的最主要方式[1]，对于高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井来说，钻孔的利用效率直接关系到瓦斯治理效率和治理效果，由于目前大部分矿井已进入深部开采阶段，且多数煤层为松软煤层，钻孔成孔后的稳定性保持和防护一直是制约瓦斯高效防治的难点。实际因塌孔导致的钻孔失效如何快速检测和判定出来比较困难，有鉴于此，笔者针对我国煤矿特点，从井下抽采钻孔的失效原因分析出发，建立钻孔失效原因模型，对塌孔从影响抽采角度进行分类，对多种失效钻孔原因提出检测方法，形成逐步排查的抽采钻孔失效检测及判定流程，能够有效指导生产实践。

1 抽采钻孔失效原因分析

如图1所示，经统计分析，当前钻孔失效的主要类型包括钻孔塌孔失效、串孔失效以及封孔失效3种。

图1 抽采钻孔失效类型及原因统计

1.1 塌孔原因分析

钻孔塌孔出现概率最高、造成塌孔原因也较多，大致分为4个方面[2]：①各种地质构造因素影响，在断层、陷落柱、破碎带等附近孔壁容易失稳；②岩性较软导致的塌孔，包括在成孔阶段造成的钻孔失稳以及成孔后围岩蠕变造成的钻孔破坏；③在地应力、瓦斯压力复合作用下，原有钻孔破坏后的进一步塌孔；④施钻过程中钻具选用不当或钻进操作水平较差所致，主要为施钻扰动破坏。

1.2 钻孔串孔原因分析

钻孔串孔对抽采钻孔失效影响最大，造成钻孔串孔主要有2个原因[3]：①相邻钻孔因为施钻水平和施钻质量，导致2个钻孔直接串通；②抽采钻孔间距设计不合理，间距过小，在强负压抽采作用下，钻孔之间抽采裂隙导通导致间接串孔。这2种串孔情形随着施钻装备的提升，比如定向钻机和轨迹测量装置的应用，以及钻工作业的操作能力可以通过培训提高，使得当前串孔失效概率大幅降低。

1.3 封孔失效原因分析

抽采封孔一般会形成密闭抽采气室[4]，封堵裂隙空间及漏气通道，造成封孔失效的原因主要有：①封孔材料本身漏气；②煤壁裂隙与外部导通，抽采时空气从裂隙进入，造成负压损失和钻孔失效。

综上，随着封孔工艺的改进、封孔深度的增加，以及随钻轨迹测量技术的推广应用，钻孔串孔和封孔原因导致的钻孔失效逐步减少，但钻孔塌孔导致的抽采钻孔失效难题却一直未得到有效解决，其中一个主要原因在于检测和判定塌孔钻孔比较困难。

2 塌孔钻孔分类研究

2.1 按照对钻孔流量的理论影响分类

图2 钻孔内部变形塌孔堵塞示意

抽采钻孔孔壁形变以后严重影响了瓦斯抽采效率，在抽采负压不变的情况下抽采流量与有效横截面几何特征相关。

对于正常未变形的圆形钻孔，流量表示如下

(1)

式中，ΔP为抽采压差，MPa；L为钻孔长度，m；α为摩擦阻力系数，N·S2/m4；r为钻孔原始半径，m；Q1为瓦斯流量，m3/min。

如将变形后的钻孔孔壁看作表面光滑的曲线，对于形变后的钻孔有

(2)

式中，L0为钻孔变形区长度，m；U为变形后钻孔周界平均长度，m；S为钻孔变形区域的平均横截面面积，m2；k为岩体碎涨系数，常数；Q2为钻孔变形后抽采瓦斯流量，m3/min。

将(1)(2)2式联立，可得

“巴洛克”是一种代表欧洲文化的典型艺术风格，追求宏伟、奔放、夸张的效果，而巴洛克音乐的特色便是“速度与激情”！维瓦尔第是当时意大利巴洛克音乐的“高产大户”，他一生创作过六百多首作品，其中最出名、最有新意的就是《四季》。维瓦尔第给《四季》中的每首协奏曲都单独取了名字，分别是《春》《夏》《秋》《冬》，这就是最早的“标题音乐”。相传他还巧妙地为每首作品配上了唯美的十四行诗，这也是之前的音乐家没做过的（至于那诗到底是不是他本人写的，就无从知晓了）。

(3)

可以看出钻孔变形后的流量与变形后钻孔的几何形貌密切相关，同时也可以把钻孔形变的严重程度用几何形貌函数来表征。所以，钻孔的变形程度可以用抽采流量来直接反映。

表1 钻孔稳定性分级

图3 钻孔塌孔程度分级示意

2.2 按照钻进成孔时间分类

依据塌孔时间与钻进成孔的时间划分如下3种情形[2]：第1种是钻进时严重塌孔，主要塌孔原因是地应力很大或煤体强度很低、孔壁不稳定等影响，在钻进过程中受到钻具钻进扰动的影响出现的塌孔，属于钻机力学直接作用导致塌孔；第2种是钻进后的变形或剥落，同样因地应力较大或者煤体强度较低、孔壁处于塑性区[5]，在钻进过程由于钻具支撑不会出现坍塌，而当退钻后即很快出现孔壁变形或剥落；第3种是钻进后的蠕变缩颈，主要发生在软煤，其中钻孔失稳变形与时间关系较大，故成孔后孔壁的变形一直在随时间持续增加，在一定时间后，孔的直径和截面大幅度减小，孔的形状不再是规则的圆形而是椭圆，或者不规则的类平面橄榄球形，这种缩径对瓦斯抽采通道影响最大，也不容易快速检查判定出来及对应修复。

2.3 按照对负压和流量综合影响分类

部分学者[6-7]认为，塌孔不止影响钻孔的抽采瓦斯流量，在塌孔堵孔区域抽采负压也有较大影响，根据地面模拟试验了完整孔、局部塌孔(后半程钻孔煤渣充填)、堵孔(全孔段煤渣充填)3种情形下的负压和流量变化。

完整钻孔：完整孔抽采负压沿孔长大致呈线性分布，其负压损失较小，钻孔不同部位负压较接近，孔内负压与煤层瓦斯压力差亦比较接近，钻孔不同部位抽采瓦斯量亦基本相同，故钻孔抽采流量沿孔长亦大致呈线性分布。孔口负压越高，钻孔抽采流量越大，钻孔负压损失越大，不过与孔口负压相比仍较小。

局部塌孔：与完整孔相比，塌孔时总负压损失比完整孔总负压损失有所增加，其抽采总流量比完整孔抽采总流量略有降低。可见孔底塌孔对瓦斯抽采效果影响不大。

堵孔：钻孔完整段负压损失较小，堵孔段孔内煤体与周围煤体互相接触成为连续介质，塌孔段瓦斯流动变成了渗流，此段抽采压力变成了此处的煤层瓦斯压力，堵孔段压力为0 kPa；钻孔完整段负压损失有所增加；与完整孔和塌孔时抽采流量相比，堵孔时钻孔抽采流量明显降低，这主要是由于抽采钻孔有效抽采长度减少造成的。

综上所述，不论钻孔塌孔堵孔处于钻进的哪个阶段，反映在抽采时期表现为抽采流量、抽采浓度、抽采负压的变化。因此，通过统计分析依据对理论流量的影响可以实现对钻孔塌孔堵孔的初步排查，并通过对孔内抽采流量和负压的沿程变化趋势可以确定塌孔的程度和塌孔点位置，从而为针对性修复提供思路。

3 塌孔钻孔排查及修复方法

3.1 判定依据设计

3.2 主要指标检测方法

为测定钻孔内沿程负压和流量的变化，借鉴孔内漏气检测技术[8-10]，设计孔内负压测定装置如图4所示，煤矿常用的抽采管直径范围为42～75 mm，薄壁不锈钢管具有质量小、表面光滑、受压不易变形的优势，因此，取气管件采用直径为25 mm的薄壁不锈钢管，每节1～1.5 m，设计长度为100 m。为方便井下操作，接头外连接多功能瓦斯参数测定仪，该装置同时也可直接判断出钻孔明显的物理塌孔位置。

图4 钻孔内负压测定装置示意

3.3 判定流程

设计抽采钻孔失效的判定流程如图5所示。

图5 抽采钻孔失效判定流程

4 现场试验

2021年6月，在某矿应用抽采钻孔失效判定技术，累计发现塌孔或堵孔失效钻孔超过30个，部分塌孔失效钻孔参数见表2。

表2 某矿塌孔判定测定结果

对上述抽采钻孔应用中压注水修复技术，修复至今单孔抽采浓度均保持在40%～65%(对比修复之前钻孔单孔浓度均小于10%)，单孔瓦斯抽采流量也达到同组钻孔平均流量的0.9倍以上。

5 结论

(1)对抽采钻孔塌孔进行了分类，按照塌孔影响瓦斯抽采流量可以分为A～D这4个等级，并给出钻孔抽采流量的理论计算公式和不同稳定性程度钻孔流量与理论流量的关系，A级钻孔稳定性最好；钻进后的围岩变形以及钻孔围岩蠕变是松软煤层塌孔的最主要情形。

(2)提出钻孔漏气和钻孔串孔快速测定技术，钻孔串孔主要依据观测负压和调节邻近影响钻孔后的抽采状态变化来判断，钻孔漏气主要通过测定浅孔段孔内不同位置瓦斯浓度和氧气浓度来判定。

(3)研究了完整钻孔、局部塌孔、堵孔3种情形下不同抽采负压时的钻孔内负压、抽采流量与孔口距离的关系，掌握了堵孔和塌孔时的抽采负压、流量变化规律，最终集成建立了抽采钻孔失效判定流程，实现了逐步排查和分类处理。