煤礦深部膨脹性泥巖鉆孔變形機理及控制技術數值研究?

侯吉峰 劉 浩 李永明 趙麗娟（山西大同大學煤炭工程學院,山西省大同市,037003）

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煤礦深部膨脹性泥巖鉆孔變形機理及控制技術數值研究?

侯吉峰 劉 浩 李永明 趙麗娟
（山西大同大學煤炭工程學院,山西省大同市,037003）

摘要煤礦深部膨脹性泥巖鉆孔水力排渣過程中,圍巖膨脹變形和巖性軟化,使鉆孔縮徑嚴重。提出一種聚胺鉆孔液成孔新技術,利用數值模擬軟件ANSYS模擬分析了鉆孔液浸泡前后煤礦膨脹性泥巖鉆孔周圍應力場和位移變化,在現場抽放鉆孔進行了應用,穩定孔壁效果顯著。試驗結果表明聚胺鉆孔液浸泡后,鉆孔圍巖等效應力增加,圍巖穩定性增強,鉆孔縮徑量明顯降低,有效防止了膨脹性泥巖鉆孔縮徑卡鉆、夾鉆,增加了鉆孔抽放時間。

關鍵詞瓦斯抽放鉆孔 膨脹性泥巖 聚胺鉆孔液 數值模擬 鉆孔縮徑控制

鉆孔預抽煤層氣（瓦斯）是防治煤礦煤層氣（瓦斯）事故的主要措施之一。在穿層鉆孔時經常穿透膨脹性泥巖（膨脹性泥巖是指在水的物理化學作用下,能產生體積膨脹、物性軟化、碎裂和泥化等現象的一類巖石）,當巖體受到擾動后,特別是環境濕度和地應力條件變化時,膨脹性泥巖的性狀將發生較大的改變,產生體積膨脹和收縮。目前煤礦普遍采用水力壓裂、水力割縫等措施增透,當鉆孔施工進入膨脹性泥巖夾層時,膨脹性泥巖遇水膨脹,鉆孔縮徑造成卡鉆、鉆具夾死等孔內事故;此外泥巖遇水膨脹后巖石強度弱化,在水化膨脹壓力和地應力作用下鉆孔產生變形,使孔眼縮小。因此解決煤礦膨脹性泥巖水力鉆孔縮徑問題,對煤礦煤層氣（瓦斯）災害防治具有重要的意義。

針對泥巖膨脹變形,國內外學者開展了大量的研究。邱正松教授對聚胺抑制劑抑制泥頁巖膨脹特性及作用機理進行了研究;繆協興研究了濕度應力場問題,建立了濕度應力場理論以及濕度場耦合方程,并據此分析了巷道圍巖的變形問題。然而對于煤礦膨脹性泥巖瓦斯抽放鉆孔縮徑的控制問題,國內外目前這方面的研究還比較少。

本文以重慶松藻煤礦地質條件為背景,采用理論分析的方法,對煤礦深部膨脹性泥巖鉆孔縮徑的影響因素進行了分析,據此提出一種聚胺鉆孔液成孔控制新技術,模擬分析了鉆孔液浸泡前后煤礦膨脹性泥巖鉆孔周圍應力場和位移變化,在現場抽放鉆孔進行了應用,穩定孔壁效果顯著,對于解決煤礦膨脹性泥巖鉆孔縮徑卡鉆、夾鉆,防治煤礦煤層氣（瓦斯）災害具有重要的意義。

1　鉆孔縮徑變形理論分析

若煤礦井下有一個半徑為a的穿層鉆孔,該鉆孔受軸對稱濕度應力場q和均勻地應力場p共同作用,則穿膨脹性泥巖鉆孔受力平面圖如圖1所示。

圖1　膨脹性泥巖鉆孔受力分析平面圖

假設在一定含水率范圍內泥巖的力學性質是不變的,根據濕度應力場理論,可簡化求得鉆孔圍巖徑向位移為:

則鉆孔孔壁（r＝a）處徑向位移為:

式中:ur——圍巖徑向位移;

p——地應力;

W0——濕度最大變化值（孔壁處）;

r——圍巖徑向半徑;

a——鉆孔初始半徑;

α——濕度線膨脹系數;

E——彈性模量;

μ——泊松比。

從式（2）可以看出,隨著含水率、地應力、濕度線膨脹系數及泊松比的增大,鉆孔孔壁徑向位移表現為線性增大的趨勢;而彈性模量從小向大取值時,鉆孔孔壁徑向位移表現為減小的趨勢并趨向于一定值,如果彈性模量趨于無窮大時即圍巖強度很大,鉆孔孔壁徑向位移主要表現為濕度變化引起的膨脹變形。可見,在地層比較完整、抗壓強度比較大的弱膨脹巖中,鉆孔圍巖變形較小;相反,在裂隙比較發育、巖性比較差的強膨脹巖中,鉆孔圍巖變形較大,縮徑更明顯,因此鉆遇條件差的膨脹巖地層時,更應注意防止鉆孔縮徑卡鉆。

由理論分析可知,影響煤礦深部膨脹性泥巖鉆孔縮徑變形的因素比較復雜,主要有地應力場、濕度應力場和圍巖性質等。由于膨脹性泥巖自身承載能力比較差,隨著埋深的增大,鉆孔縮徑變形嚴重。鉆孔徑向位移隨著地應力增加、圍巖力學性質降低而增大。人為無法改變地應力,但可以通過改變濕度場、圍巖強度減少鉆孔縮徑卡鉆、夾鉆,從而提高鉆孔鉆進效率。

2　膨脹性泥巖力學特性試驗

為了研究不同鉆孔液浸泡對泥巖力學特性的影響,在實驗室內進行了泥巖的側向約束膨脹試驗和單軸抗壓強度試驗。泥巖的側向約束膨脹試驗采用SCY－2型巖石側向約束膨脹試驗儀。單軸抗壓強度試驗采用MTS815巖石力學測試系統進行。分別配置了3種不同組分鉆孔液,1＃鉆孔液為清水、2＃鉆孔液為清水＋聚胺抑制劑（SDA）、3＃鉆孔液為清水＋聚胺抑制劑＋封堵劑（LWJ－1）。試驗結果表明:聚胺鉆孔液能降低泥巖含水率,有效抑制泥巖水化膨脹變形。鉆孔液中的封堵劑（鋁鹽絡合物LWJ－1）與泥巖中的粘土結合形成具有固結作用的硅鋁酸鹽不滲透地層,阻止水分的進一步侵入,增強泥巖力學性質,與清水浸泡相比,泥巖的抗壓強度可以提高4倍左右,接近原巖強度。

3　泥巖鉆孔變形控制數值模擬

3.1濕度應力場的數值模擬方法

不同鉆孔液浸泡后引起泥巖濕度應力場、強度參數的改變。考慮溫度應力場與濕度應力場具有相似性,采用ANSYS軟件中的溫度應力場模塊來模擬濕度應力場。濕度應力場與溫度應力場的相關參數服從如下關系:

式中:β——溫度線膨脹系數;

ΔW——濕度變化量;

ΔT——溫度變化量。

這樣,β、ΔT就可轉化為濕度場參數對應的溫度場參數。

3.2模型的建立及邊界條件的確定

以重慶松藻煤礦地質條件為背景。鉆孔為圓形,直徑94 mm,圍巖為膨脹性泥巖,埋深在800 m左右,泥巖夾層層面與其他巖層封閉接觸。模型為空心圓柱體,其幾何尺寸為圓柱體高0.6 m、底面半徑0.2 m,模型的邊界條件為沿圓柱體軸向施加軸向位移約束,外圓柱面施加地應力作為壓力邊界條件。為便于觀察孔壁變形,將三維幾何模型沿圓柱體高度方向簡化。濕度場分析采用Brick 20 node 90單元,應力與變形分析采用Solid186結構單元。鉆孔附近設置網格密一些,其它區域的網格稀疏些。

3.3材料參數的選取

根據室內單軸壓縮試驗,測試了不同鉆孔液浸泡條件下泥巖巖樣的變形參數,具體測試結果如表1所示。

為了研究不同鉆孔液浸泡對鉆孔縮徑變形的影響,計算中分別取孔壁處的飽和含水率w為10.25%、14.30%和25.33%共3種情況。含水率為25.33%時,對應溫度變化ΔT＝200℃（前兩種可以通過比例計算出相對應的溫度值）;無窮遠處認為含水率為0,對應溫度為0,則對應溫度變化ΔT＝0℃。圍巖內部含水狀態由有限元程序計算求得。地應力取為15 MPa。

表1　不同鉆孔液浸泡后泥巖變形參數

3.4數值模擬結果與分析

3.4.1鉆孔液浸泡對鉆孔圍巖變形的影響

煤礦膨脹性泥巖鉆孔變形參數主要考慮鉆孔徑向位移量。模擬了地應力為15 MPa、鉆孔分別在上述3種鉆孔液浸泡后鉆孔孔壁最大徑向位移,模擬結果見圖2（a）。

（1）鉆孔經不同液體浸泡后,中心鉆孔孔徑變形有明顯不同。其最大變形量模擬值由清水作用時的9.52 mm降低到聚胺抑制劑液作用時的4.66 mm,降低了51.0%,可見聚胺抑制劑能有效地抑制膨脹性泥巖鉆孔縮徑變形。在聚胺抑制劑溶液中添加具有微裂隙封堵能力的鋁鹽絡合物（LWJ－1）后,鉆孔縮徑量降低為2.97 mm,最終降幅達到68.8%,可見通過改善泥巖巖性強度能進一步降低鉆孔縮徑變形量。

（2）鉆孔經過不同鉆孔液浸泡后的孔壁最大徑向位移理論值與模擬值基本趨勢一致,證明了數值模擬的準確性和可靠性。

圖2　鉆孔分別經3種鉆孔液浸泡后,孔壁最大徑向位移理論值與模擬值對比及鉆孔圍巖最大等效應力

3.4.2 鉆孔液浸泡對鉆孔圍巖應力的影響

由濕度應力場理論可知,含水率的變化不僅對鉆孔圍巖的變形有明顯影響,鉆孔圍巖的應力也會有很大改變。鉆孔分別在上述3種鉆孔液浸泡后鉆孔圍巖的最大等效應力的變化如圖2（b）所示。

鉆孔經不同鉆孔液浸泡后,圍巖應力有較大差別,鉆孔液浸泡過的鉆孔圍巖應力明顯大于清水浸泡過的圍巖應力。主要是由于聚胺鉆孔液浸泡后鉆孔圍巖較清水浸泡后含水率降低,膨脹應力降低,導致最大等效應力的增加。由于聚胺鉆孔液浸泡后鉆孔圍巖強度增加,鉆孔的穩定性反而增強。

4　現場應用

聚胺鉆孔液在重慶松藻煤礦8＃煤層底板巖巷進行了現場應用。8＃煤層比較穩定,平均厚度為2.85 m,瓦斯壓力1.79 MPa,瓦斯含量為17.04 m3/t,煤層頂底板比較松軟,多為膨脹性泥巖,遇水極易發生膨脹軟化。在8＃煤層底板巖巷施工6組瓦斯抽采鉆孔,每組鉆孔分別用清水排渣和聚胺鉆孔液排渣。現場試驗表明,使用聚胺鉆孔液鉆孔施工過程中卡鉆、夾鉆事故明顯減少,鉆進速率提高,打鉆周期大幅縮短,進而增加了抽放時間。6組瓦斯抽采鉆孔鉆進速率如圖3所示。

圖3　使用兩種不同鉆孔液鉆孔鉆進速率比較

由此可見,將聚胺鉆孔液應用到深部煤礦膨脹性泥巖抽采鉆孔施工中,對提高膨脹性泥巖鉆孔的穩定性,解決煤礦膨脹性泥巖鉆孔縮徑卡鉆、夾鉆事故具有重要的指導意義。

5　結論

（1）通過理論分析可知,影響煤礦深部膨脹性泥巖鉆孔縮徑的因素有含水率、地應力、圍巖性質、濕度線膨脹系數;鉆孔縮徑量隨著含水率、地應力和濕度線膨脹系數的增加而增大;隨圍巖強度的增大而減小,并趨向于某一定值。因此鉆孔時遇圍巖條件差的膨脹性泥巖地層更應注意防止鉆孔縮徑卡鉆、夾鉆事故的發生。

（2）通過數值模擬和現場應用可知,煤礦膨脹性泥巖鉆孔遇清水后,鉆孔縮徑變形嚴重,鉆孔易發生失穩破壞;聚胺鉆孔液浸泡后,鉆孔縮徑變形量明顯減小,鉆孔穩定性增強,如果在聚胺鉆孔液中添加封堵劑等,效果更加顯著,有效地防止了煤礦膨脹性泥巖鉆孔縮徑卡鉆、夾鉆事故,提高了鉆進效率,增加了鉆孔抽放時間,對煤礦煤層氣（瓦斯）災害防治具有重要的意義。

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（責任編輯張毅玲）

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

中圖分類號TD713

文獻標識碼A

基金項目:?大同市基礎研究計劃項目（2015113）

作者簡介:侯吉峰（1984－）,男,山東臨朐人,碩士,助教,主要從事煤層氣開發及利用研究工作。