松軟巖層中穿層瓦斯抽采鉆孔“封-護”工藝研究及工程應用

李 磊

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區，400037；2.國家煤礦安全技術工程研究中心，重慶市沙坪壩區，400037)

瓦斯抽采鉆孔封孔質量是影響抽采效果的關鍵因素之一。為提高封孔質量，國內學者進行了大量有益的研究及工程試驗。近年來，在傳統封孔材料不斷改進、廣泛應用的基礎上，非凝固恒壓漿液、預制粉料、鉆渣等新型封孔也得到了較好的發展應用；同時，對封孔工藝、封孔深度也進行了改進優化，取得了較好效果。以上科研成果均注重鉆孔封堵，以減少鉆孔漏氣為目的，但對松軟巖層中穿層鉆孔成孔后，松軟巖層膨脹應力對鉆孔的擠壓導致縮徑甚至閉合問題鮮少涉及。為解決破碎松軟巖層組中穿層鉆孔封孔、護孔方面存在的問題，本文通過數值模擬的方法，揭示了巖層膨脹對抽采鉆孔壁穩定性的影響，并在傳統鉆孔封堵的基礎上，提出了“封-護”一體的鉆孔封孔工藝，解決了松軟巖層膨脹導致穿層鉆孔閉合的問題，對同類型巖層的穿層鉆孔封堵具有一定參考價值。

1 數值計算模型

本文數值計算模型采用有限元分析的方法建立。由于底層鉆孔與煤巖層垂直或斜交，深埋鉆孔壁受力包括鉆孔上覆巖層的重力、鉆孔周圍彈塑性區變形應力和巖層膨脹應力。鉆孔壁周圍的重力垂直應力、重力水平應力、彈塑性區變形應力及巖層膨脹應力共同作用在鉆孔內的封孔料環、孔內套管上。鉆孔煤巖體受力模型如圖1所示。

圖1 鉆孔煤巖體受力模型

根據文獻資料，松軟巖層膨脹源于濕度場變化，巖層膨脹體積力按照熱-濕類比關系計算，其類比關系如表1所示，熱應力計算公式為：

σ=EαΔt

(1)

式中：σ——熱應力，Pa；

E——材料彈性模量，MPa；

α——材料熱膨脹系數，m/(m·℃)；

Δt——溫度增量，℃。

表1 有限元分析中濕應力分析的熱-濕類比關系

本次模型模擬告成煤礦25011下副巷掘進區域條帶。25011下副巷二1煤層埋深420 m左右，為松軟低透氣性煤層，底抽巷與煤層法向距離10 m。煤層直接底為砂質泥巖，厚度7.2～8.4 m。模型為半徑0.4 m、高0.2 m的圓柱體，圓柱體內布置同心鉆孔，鉆孔直徑94 mm。地下煤巖體平均密度2.24～2.62 g/m3，平均密度2.51 g/m3。巖層彈性模量2.2 GPa，泊松比0.232。底板泥巖原始含水率0.75%，對煤層進行水力沖孔增透作業后含水率2.0%～6%。穿層鉆孔內埋放?50 mm PVC管護壁，采用水泥漿封孔注漿。依據井下測量結果，在模型施加等效于頂板上部巖層自重的豎直荷載、水平荷載8.58 MPa，圓柱體弧形面采用輥約束，底部采用固定約束，水泥封孔環與鉆孔壁為剛性連接。模型網格劃分由物理場控制，共劃分130977個單元，如圖2所示。

圖2 鉆孔單元有限元模型網格

2 數值模擬結果

本研究主要通過探討單元體側限條件下成孔后鉆孔壁的應力-應變情況，在濕度場中設置含水率、鉆孔孔徑2個變量來計算鉆孔壁及鉆孔支護體應力的影響，使分析結果更為可靠。

模型表面鉆孔壁表面應力應變模擬圖見圖3，巖層含水率2%時鉆孔壁體表面應力云圖見圖4。由圖3和圖4可以看出，濕度場變量含水率的增加導致泥巖膨脹，鉆孔孔徑含水率為2%、6%時，泥巖膨脹應力峰值在鉆孔壁分別達到375 MPa、1400 MPa，自鉆孔壁向鉆孔中心位移量分別為3.1 mm、13.31 mm。含水率2%時，鉆孔壁沿其深度方向的應力云圖兩端呈漏斗狀、中部為紡錘形，泥巖膨脹應力在泥巖層與其他巖層接觸面最大，鉆孔深度方向的中部應力最小，為225 MPa左右。

圖3 模型表面鉆孔壁表面應力應變

圖4 巖層含水率2%時鉆孔壁體表面應力云圖

圖5 巖層含水率2%時水泥漿封孔環表面應力云圖

巖層含水率2%時水泥漿封孔環表面應力云圖見圖5。由圖5可以看出，封堵鉆孔的水泥漿凝固后與鉆孔壁剛性接觸，由于泥巖膨脹體積應力對水泥漿封孔環應力作用，徑向方向應力外小內大。封孔水泥漿環峰值應力達到500 MPa，外壁應力與泥巖膨脹體積力一致。

圖6 不同鉆孔孔徑孔壁應力散點圖

不同鉆孔孔徑孔壁應力散點圖見圖6。由圖6可知，在泥巖膨脹率、含水率增量一定的情況下，隨著鉆孔孔徑的增加，其膨脹應力相應減少。

數值模擬結果表明，由于泥巖層濕度場的變化，巖層的膨脹應力在鉆孔壁產生應力集中，應力的峰值遠遠超過巖層自重應力所引起的三軸應力。工程實際中，通過封孔、護孔材料的強度來保證鉆孔壁的穩定，對封孔、護孔材料的強度、經濟性均提出了較高的要求。鉆孔孔徑的合理增加，可以減少對泥巖膨脹特別是急速膨脹階段的空間限制，泥巖膨脹應力能得到較多的釋放。

3 工程驗證及效果

3.1 封孔施工

礦井原瓦斯抽采鉆孔封孔工藝為鉆孔成孔后全孔長埋放?50 mm PVC管護孔，埋放PVC管后立即采用馬麗散將鉆孔口封堵，待馬麗散膨脹后注漿。注漿材料為普通硅酸鹽水泥，注漿壓力1.25 MPa，采用一次注漿工藝。注漿后24 h后并網抽放。由于水泥漿凝固收縮、水泥漿自重及未進行水泥漿濃度控制，鉆孔內水泥漿封堵段均在鉆孔口段，導致煤層底板段鉆孔無水泥漿環封堵、護孔。這種封孔方式屬于非“鉆-護”一體型封孔。

根據數值模擬結果，結合原封孔方式存在的缺點，采用了“鉆-護”一體型封孔工藝。成孔后最短間隔8 h、最長間隔24 h注漿作業，利用護孔PVC管與鉆孔壁之間的空隙減少對泥巖急速膨脹階段的限制，釋放急速膨脹階段的大部分膨脹應力。在注漿材料中瀝加U型膨脹劑作外加劑以減少水泥漿凝固后的收縮，保證巖孔段軸向、徑向全封堵。水泥漿采用濃度控制法保證鉆孔封孔水泥環強度。采用二次注漿工藝目的是充填一次注漿凝固后的體積收縮空間，保證對巖孔段全長封堵。

在25011下副巷分別采用“鉆-護”一體封孔工藝、非“鉆-護”一體封孔工藝進行不同封孔工藝封孔效果對比，沿巷道走向(煤層走向)共布置4組鉆孔。2種封孔工藝鉆孔組交替間隔布置，4組鉆孔連續布置。 煤層傾向每6個鉆孔匯流形成一組，組內鉆孔間距為6 m。鉆孔組間距為6 m。鉆孔布置如圖7所示。

圖7 鉆孔布置圖

3.2 封孔效果考察

并網接放后，采集驗證區2種封孔工藝中每組鉆孔的孔板濃度、流量測量數據進行對比。采用非“鉆-護”一體封孔工藝的抽采鉆孔的單孔濃度、每組鉆孔濃度均在始抽7～10 d后明顯衰減，而“鉆-護”一體封孔工藝的2組鉆孔單孔始抽濃度較非全孔段封孔的鉆孔高7%～13%，單孔濃度衰減曲線較平緩。采用“鉆-護”一體封孔工藝的鉆孔組30 d內百米鉆孔平均流量為非全孔段封孔組的2～3倍。非“鉆-護”一體與“鉆-護”一體封孔鉆孔抽采濃度如圖8所示。非“鉆-護”一體與“鉆-護”一體封孔鉆孔30 d百米鉆孔均流量如圖9所示。圖中1#、3#匯流器為非“鉆-護”一體封孔，2#、4#匯流器為“鉆-護”一體封孔。

測流結果表明：“鉆-護”一體封孔工藝的鉆孔瓦斯抽采濃度、百米鉆孔流量增加，一方面是巖孔段軸向有效封孔長度的增加、徑向密封間隙的減小，提高了封孔氣密性，減少封孔外部漏氣，鉆孔抽采的瓦斯濃度得以提高；另一方面是全孔段封孔的水泥漿環強度對泥巖減速膨脹階段、近水平直線穩定膨脹階段的應力起到了支撐作用，減緩了鉆孔縮徑的速度，鉆孔抽采流量受鉆孔縮徑影響小。

圖8 非“鉆-護”一體與“鉆-護”一體封孔鉆孔抽采濃度

圖9 非“鉆-護”一體與“鉆-護”一體封孔鉆孔30 d百米鉆孔均流量

4 結論

(1)松軟巖層受濕度場影響產生膨脹，膨脹應力是影響鉆孔孔壁穩定、造成鉆孔縮徑的重要因素之一。煤層瓦斯治理中，應當慎重選擇瓦斯抽放方法及鉆孔施工工藝，以減少外來水分導致松軟巖層濕度場改變對穿層鉆孔孔壁穩定的影響。

(2)增加鉆孔孔徑，在巖層急速膨脹階段減少對巖層膨脹的約束，可以有效減少松軟巖層膨脹應力。實際工程中，可以適當增加鉆孔孔徑并在抽采鉆孔孔壁巖層急速膨脹階段之后進行鉆孔“封-護”施工。

(3)在易受濕度場影響膨脹的松軟巖層中的穿層鉆孔，可以采用“封-護”一體的封孔工藝，采用全孔段封孔，充分利用封孔材料對鉆孔壁進行支護。