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煤矿瓦斯抽采钻孔修护技术研究进展

发表时间：2021/5/10 来源：《基层建设》2021年第1期作者：冉庆喜

[导读] 摘要：钻孔是煤矿井下瓦斯抽放的主要方法。

        中国平煤神马集团勘探工程处河南平顶山 467000
        摘要：钻孔是煤矿井下瓦斯抽放的主要方法。钻孔瓦斯抽放的效果直接影响矿井瓦斯灾害的防治效果。我国含气煤层地质构造复杂，瓦斯含量高，渗透率低，煤层普遍较软，瓦斯开采困难。同时，受煤层强度和地应力作用下开采活动的影响，抽采钻孔，特别是软煤层的抽采钻孔，容易发生壁变形或坍塌，堵塞瓦斯流动通道，导致抽采功能部分或完全失效。钻孔损坏不仅严重影响瓦斯抽采效率，产生瓦斯抽采空白区，而且造成瓦斯抽采工程的浪费。因此，开展瓦斯抽采钻孔修复技术研究，包括钻孔保护和堵漏对瓦斯抽采效率的影响显得尤为重要。
        关键词：煤矿瓦斯；抽采钻孔；修护技术
        1瓦斯抽采钻孔失稳机理
        1.1瓦斯抽采钻孔稳定性影响因素
        1.1.1内部因素
        钻孔坍塌的机械条件是，钻孔周围煤体的应力负荷超过煤的强度的身体和导致剪切破坏，这表明钻孔稳定的内部影响因素包括煤的力学性能和应力分布。煤的力学性质决定了钻孔承受应力载荷的能力。软煤层由于多次挤压错位等地质构造，产生大量宏观和微观裂纹，煤体内部连接结构弱化或破坏，导致强度和整体性显著降低，因此软煤层钻探稳定性较差。应力分布是应力作用于钻孔周围煤的方向和梯度。由于瓦斯向钻孔空间流动对钻孔壁产生径向应力，钻孔周围的煤体应力应考虑地应力和瓦斯压力的共同作用。
        1.1.2外部因素
        影响瓦斯抽放钻孔稳定性的外部因素主要是钻孔工艺，包括钻孔速度、钻渣返排方式和钻杆振动效应。钻渣的返排主要有水力排渣、气力排渣和机械螺旋排渣3种方式，其中水力排渣时孔壁会长时间受到水流冲刷，对于遇水易软化、崩解的松软煤层而言，极易造成孔壁的整体垮塌。钻孔的钻进速度过快时，一方面产生大量的钻渣会对煤壁形成挤压；另一方面孔周应力无法及时向深部释放，孔周卸压区的瓦斯排放量少，造成煤体内径向应力梯度增长过快，诱发孔壁失稳。钻杆的振动效应指钻杆转动过程中附加的径向运动，这种运动使钻杆持续频繁地撞击孔壁，造成煤体的软化，不利于钻孔的稳定。
        1.2钻孔周围煤体应力分布
        瓦斯抽采钻孔周围煤体先后经历了巷道开挖和钻孔两种应力扰动，其应力分布是两种应力平衡的结果。
        1.3瓦斯抽采钻孔失稳机理
        钻孔失稳机理包括钻孔周围煤的应力状态下钻孔壁失稳的力学条件和失稳破坏范围的分析，是解释瓦斯抽采钻孔失稳或变形的根本原因。针对成孔过程中的钻孔失稳问题，学者们基于Mohr－Coulomb准则给出了钻孔失稳的力学条件，其中将钻孔钻进过程划分为塑性软化区内钻进、峰前应力增高区内钻进和峰后应力增高区内钻进3个阶段，分别建立了钻孔孔底和孔壁含瓦斯煤体力学模型，并指出应力降低区内易垮孔，峰后应力增高区内易垮孔、喷孔，峰值强度前区域内喷孔的概率则大为降低；提出了基于地质强度指标GSI的广义Hoek－Brown破坏准则，并给出了相应的岩体强度估算方法。部分学者认为该强度准则更适用于含瓦斯煤体，基于GSI指标，估算了碎软煤体的力学参数并用于钻孔稳定性的分析；结合广义Hoek－Brown准则推导了钻孔围岩弹塑性区半径和应力表达式，同时强调了近钻孔瓦斯压力对钻孔孔壁稳定性的影响不容忽视。
        2瓦斯抽采钻孔修护技术研究进展
        2.1抽采钻孔加固护孔技术
        2.1.1钻孔围岩注浆加固技术
        钻孔围岩加固技术是针对钻孔周围煤岩中存在大量裂隙、自身强度较低而导致钻进中易塌孔的难题，在钻孔周围或者直接在钻孔内压注水泥等固化浆液，充填钻孔周围煤岩裂隙，浆液凝固后将破碎煤体固结，从而提高钻孔围岩的整体强度与抗变形能力。

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提出了一种在待钻钻孔周围施工注浆钻孔进行注浆加固的固化成孔方法，并通过对加固后钻孔的稳定性数值模拟分析验证了固化成孔技术的有效性，其中张超指出随着固化材料强度的增大，钻孔的稳定性也随之提高。针对钻孔孔口处于巷道松动圈内的煤体破碎严重的问题，提出了一种直接向钻孔孔口注浆加固后再透孔钻进的方法，提高了钻孔孔口段破碎煤体的稳定性。钻孔围岩注浆加固技术适用于因结构破碎松散、存在大量宏观裂隙而成孔困难的碎软煤层钻孔钻进，但是这种方法的施工时间长，额外增加的成本较高，且无法有效解决钻孔深部的失稳问题。
        2.1.2筛管护孔技术
        筛管护孔技术是基于医学领域心脏搭桥重建通道的思路，将护孔筛管送入钻孔中，从而在钻孔中预留一段骨架通道，当钻孔发生塌孔或较大变形时，护孔筛管将作为瓦斯流动的通道避免钻孔的完全失效。护孔筛管一般为阻燃、抗静电的PVC或PE材质筛管，内径为20～50mm。在初期，该技术是在钻杆完全退出后再向钻孔内送入筛管，但由于钻进时塌孔、孔斜造成钻孔内壁不规则及筛管本身存在弯曲变形，使得这种方式难以将筛管送入至预定深度，针对该问题，目前形成了一种不退钻杆条件下的下筛管工艺：当钻孔钻进到位后，不退钻直接从大通径的钻杆中送入护孔筛管，送至下筛管专用钻头部位时，筛管将钻头的中部可旋转横梁顶开，并在前段悬挂装置的作用下固定，随后退出钻杆完成施工，提高了筛管送入效率与成功率。筛管护孔技术可有效解决松软煤层抽采过程中孔壁变形、塌孔造成的钻孔堵塞失效，但需要配备专用的钻杆、钻头与筛管，护孔成本较高。
        2.2堵塞钻孔疏通技术
        2.2.1机械式疏通技术
        机械式疏通技术是较为传统的钻孔疏通技术，即在钻孔堵塞后，利用钻机和钻杆或者其他机械装置打通堵塞钻孔的煤渣/块，从而达到疏通钻孔的目的。但是，机械式疏通技术在重新通孔时难以保证钻杆沿原钻孔轨迹前进，反而无法有效疏通堵塞，同时因涉及搬运、钻杆连接、再次封孔等而显得效率低下，煤矿现场较少采用这种方式修复钻孔，该技术并未得到进一步的研究推广。
        2.2.2水射流疏通技术
        水射流疏通技术的原理是通过向钻孔内送入射流喷头，利用高压水射流的冲击疏通钻孔堵塞段，同时将击碎的煤渣排出钻孔，实现失效钻孔的水力化疏通修复。研发了一种瓦斯抽采钻孔水力作业机及一套“失效判断—钻孔修复—效果评价”的修复流程。该装备是利用连续钢管将喷头传送至钻孔堵塞部位，通入高压水形成射流对钻孔进行疏通。认为水力作业机修复失效钻孔具有三方面的作用：①疏通钻孔；②扩孔作用；③卸压作用。在应用水力作业机时先后采用A、B两种喷头，A喷头采用“前1后3”喷嘴布置形式，具有解堵排渣作用，B喷头采用“侧3后3”喷嘴布置形式，具有水力冲孔、卸压增透的作用。提出了利用自进式喷头牵引软管结合高压树脂硬管推进的喷头送进方法，以提高修复深度。基于煤渣水力输送临界流速分析了钻孔修复水力参数，提出了最大修复深度计算模型，并通过对比得到“前5后3”的最优喷嘴布置方式，为修复喷头的设计提供了参考。
        水射流疏通技术较其他钻孔修复方法具有疏通效率高、操作简便、单孔修复成本低等优点，是当前钻孔修复技术的研究热点。但是现有的水射流疏通技术仍存在一定的问题：以水为介质修复，不适用于易吸水膨胀软化的煤体钻孔修复；现有的装备如水力作业机、高压水泵等体积较大，在井下狭小空间中易受限；自进式喷头在失效钻孔中的自进能力不稳定，成功率较低等，上述问题需继续深入研究。
        结束语
        瓦斯抽放钻孔修复技术的发展方向进行了探讨，并认为瓦斯抽放钻孔修复技术的未来发展趋势是建立系统的评价体系对瓦斯抽放钻孔修复，保护技术研发洞钻洞疏浚的集成技术和孔堵塞故障时保护。
        参考文献：
        ［1］袁亮，林柏泉，杨威．我国煤矿水力化技术瓦斯治理研究进展及发展方向［J］．煤炭科学技术，2015，43（1）：45－49．
        ［2］韩颖，张飞燕．煤层钻孔失稳机理研究进展［J］．中国安全生产科学技术，2014，10（4）：114－119．