侯吉峰 劉 浩 李永明 趙麗娟（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)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(jī)理及控制技術(shù)數(shù)值研究?

侯吉峰 劉 浩 李永明 趙麗娟
（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)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(yán)重。提出一種聚胺鉆孔液成孔新技術(shù),利用數(shù)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(yīng)力場(chǎng)和位移變化,在現(xiàn)場(chǎng)抽放鉆孔進(jìn)行了應(yīng)用,穩(wěn)定孔壁效果顯著。試驗(yàn)結(jié)果表明聚胺鉆孔液浸泡后,鉆孔圍巖等效應(yīng)力增加,圍巖穩(wěn)定性增強(qiáng),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(shí)間。

關(guān)鍵詞瓦斯抽放鉆孔 膨脹性泥巖 聚胺鉆孔液 數(shù)值模擬 鉆孔縮徑控制

鉆孔預(yù)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(shí)經(jīng)常穿透膨脹性泥巖（膨脹性泥巖是指在水的物理化學(xué)作用下,能產(chǎn)生體積膨脹、物性軟化、碎裂和泥化等現(xiàn)象的一類巖石）,當(dāng)巖體受到擾動(dòng)后,特別是環(huán)境濕度和地應(yīng)力條件變化時(shí),膨脹性泥巖的性狀將發(fā)生較大的改變,產(chǎn)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(dāng)鉆孔施工進(jìn)入膨脹性泥巖夾層時(shí),膨脹性泥巖遇水膨脹,鉆孔縮徑造成卡鉆、鉆具夾死等孔內(nèi)事故;此外泥巖遇水膨脹后巖石強(qiáng)度弱化,在水化膨脹壓力和地應(yīng)力作用下鉆孔產(chǎn)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(duì)煤礦煤層氣（瓦斯）災(zāi)害防治具有重要的意義。

針對(duì)泥巖膨脹變形,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究。邱正松教授對(duì)聚胺抑制劑抑制泥頁巖膨脹特性及作用機(jī)理進(jìn)行了研究;繆協(xié)興研究了濕度應(yīng)力場(chǎng)問題,建立了濕度應(yīng)力場(chǎng)理論以及濕度場(chǎng)耦合方程,并據(jù)此分析了巷道圍巖的變形問題。然而對(duì)于煤礦膨脹性泥巖瓦斯抽放鉆孔縮徑的控制問題,國(guó)內(nèi)外目前這方面的研究還比較少。

本文以重慶松藻煤礦地質(zhì)條件為背景,采用理論分析的方法,對(duì)煤礦深部膨脹性泥巖鉆孔縮徑的影響因素進(jìn)行了分析,據(jù)此提出一種聚胺鉆孔液成孔控制新技術(shù),模擬分析了鉆孔液浸泡前后煤礦膨脹性泥巖鉆孔周圍應(yīng)力場(chǎng)和位移變化,在現(xiàn)場(chǎng)抽放鉆孔進(jìn)行了應(yīng)用,穩(wěn)定孔壁效果顯著,對(duì)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(zāi)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(gè)半徑為a的穿層鉆孔,該鉆孔受軸對(duì)稱濕度應(yīng)力場(chǎng)q和均勻地應(yīng)力場(chǎng)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(shè)在一定含水率范圍內(nèi)泥巖的力學(xué)性質(zhì)是不變的,根據(jù)濕度應(yīng)力場(chǎng)理論,可簡(jiǎn)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(yīng)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(shù);

E——彈性模量;

μ——泊松比。

從式（2）可以看出,隨著含水率、地應(yīng)力、濕度線膨脹系數(shù)及泊松比的增大,鉆孔孔壁徑向位移表現(xiàn)為線性增大的趨勢(shì);而彈性模量從小向大取值時(shí),鉆孔孔壁徑向位移表現(xiàn)為減小的趨勢(shì)并趨向于一定值,如果彈性模量趨于無窮大時(shí)即圍巖強(qiáng)度很大,鉆孔孔壁徑向位移主要表現(xiàn)為濕度變化引起的膨脹變形?？梢?在地層比較完整、抗壓強(qiáng)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(fā)育、巖性比較差的強(qiáng)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(shí),更應(yīng)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(fù)雜,主要有地應(yīng)力場(chǎng)、濕度應(yīng)力場(chǎng)和圍巖性質(zhì)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(yán)重。鉆孔徑向位移隨著地應(yīng)力增加、圍巖力學(xué)性質(zhì)降低而增大。人為無法改變地應(yīng)力,但可以通過改變濕度場(chǎng)、圍巖強(qiáng)度減少鉆孔縮徑卡鉆、夾鉆,從而提高鉆孔鉆進(jìn)效率。

2　膨脹性泥巖力學(xué)特性試驗(yàn)

為了研究不同鉆孔液浸泡對(duì)泥巖力學(xué)特性的影響,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了泥巖的側(cè)向約束膨脹試驗(yàn)和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。泥巖的側(cè)向約束膨脹試驗(yàn)采用SCY－2型巖石側(cè)向約束膨脹試驗(yàn)儀。單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用MTS815巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)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(yàn)結(jié)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(luò)合物L(fēng)WJ－1）與泥巖中的粘土結(jié)合形成具有固結(jié)作用的硅鋁酸鹽不滲透地層,阻止水分的進(jìn)一步侵入,增強(qiáng)泥巖力學(xué)性質(zhì),與清水浸泡相比,泥巖的抗壓強(qiáng)度可以提高4倍左右,接近原巖強(qiáng)度。

3　泥巖鉆孔變形控制數(shù)值模擬

3.1濕度應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬方法

不同鉆孔液浸泡后引起泥巖濕度應(yīng)力場(chǎng)、強(qiáng)度參數(shù)的改變?？紤]溫度應(yīng)力場(chǎng)與濕度應(yīng)力場(chǎng)具有相似性,采用ANSYS軟件中的溫度應(yīng)力場(chǎng)模塊來模擬濕度應(yīng)力場(chǎng)。濕度應(yīng)力場(chǎng)與溫度應(yīng)力場(chǎng)的相關(guān)參數(shù)服從如下關(guān)系:

式中:β——溫度線膨脹系數(shù);

ΔW——濕度變化量;

ΔT——溫度變化量。

這樣,β、ΔT就可轉(zhuǎn)化為濕度場(chǎng)參數(shù)對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)參數(shù)。

3.2模型的建立及邊界條件的確定

以重慶松藻煤礦地質(zhì)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(yīng)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(jiǎn)化。濕度場(chǎng)分析采用Brick 20 node 90單元,應(yīng)力與變形分析采用Solid186結(jié)構(gòu)單元。鉆孔附近設(shè)置網(wǎng)格密一些,其它區(qū)域的網(wǎng)格稀疏些。

3.3材料參數(shù)的選取

根據(jù)室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn),測(cè)試了不同鉆孔液浸泡條件下泥巖巖樣的變形參數(shù),具體測(cè)試結(jié)果如表1所示。

為了研究不同鉆孔液浸泡對(duì)鉆孔縮徑變形的影響,計(jì)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(shí),對(duì)應(yīng)溫度變化ΔT＝200℃（前兩種可以通過比例計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的溫度值）;無窮遠(yuǎn)處認(rèn)為含水率為0,對(duì)應(yīng)溫度為0,則對(duì)應(yīng)溫度變化ΔT＝0℃。圍巖內(nèi)部含水狀態(tài)由有限元程序計(jì)算求得。地應(yīng)力取為15 MPa。

表1　不同鉆孔液浸泡后泥巖變形參數(shù)

3.4數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.4.1鉆孔液浸泡對(duì)鉆孔圍巖變形的影響

煤礦膨脹性泥巖鉆孔變形參數(shù)主要考慮鉆孔徑向位移量。模擬了地應(yīng)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(jié)果見圖2（a）。

（1）鉆孔經(jīng)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(shí)的9.52 mm降低到聚胺抑制劑液作用時(shí)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(luò)合物（LWJ－1）后,鉆孔縮徑量降低為2.97 mm,最終降幅達(dá)到68.8%,可見通過改善泥巖巖性強(qiáng)度能進(jìn)一步降低鉆孔縮徑變形量。

（2）鉆孔經(jīng)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(shì)一致,證明了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。

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

3.4.2 鉆孔液浸泡對(duì)鉆孔圍巖應(yīng)力的影響

由濕度應(yīng)力場(chǎng)理論可知,含水率的變化不僅對(duì)鉆孔圍巖的變形有明顯影響,鉆孔圍巖的應(yīng)力也會(huì)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(yīng)力的變化如圖2（b）所示。

鉆孔經(jīng)不同鉆孔液浸泡后,圍巖應(yīng)力有較大差別,鉆孔液浸泡過的鉆孔圍巖應(yīng)力明顯大于清水浸泡過的圍巖應(yīng)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(yīng)力降低,導(dǎo)致最大等效應(yīng)力的增加。由于聚胺鉆孔液浸泡后鉆孔圍巖強(qiáng)度增加,鉆孔的穩(wěn)定性反而增強(qiáng)。

4　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

聚胺鉆孔液在重慶松藻煤礦8＃煤層底板巖巷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。8＃煤層比較穩(wěn)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?shù)装灞容^松軟,多為膨脹性泥巖,遇水極易發(fā)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?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(jìn)速率提高,打鉆周期大幅縮短,進(jìn)而增加了抽放時(shí)間。6組瓦斯抽采鉆孔鉆進(jìn)速率如圖3所示。

圖3　使用兩種不同鉆孔液鉆孔鉆進(jìn)速率比較

由此可見,將聚胺鉆孔液應(yīng)用到深部煤礦膨脹性泥巖抽采鉆孔施工中,對(duì)提高膨脹性泥巖鉆孔的穩(wěn)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(dǎo)意義。

5　結(jié)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(yīng)力、圍巖性質(zhì)、濕度線膨脹系數(shù);鉆孔縮徑量隨著含水率、地應(yīng)力和濕度線膨脹系數(shù)的增加而增大;隨圍巖強(qiáng)度的增大而減小,并趨向于某一定值。因此鉆孔時(shí)遇圍巖條件差的膨脹性泥巖地層更應(yīng)注意防止鉆孔縮徑卡鉆、夾鉆事故的發(fā)生。

（2）通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用可知,煤礦膨脹性泥巖鉆孔遇清水后,鉆孔縮徑變形嚴(yán)重,鉆孔易發(fā)生失穩(wěn)破壞;聚胺鉆孔液浸泡后,鉆孔縮徑變形量明顯減小,鉆孔穩(wěn)定性增強(qiáng),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(jìn)效率,增加了鉆孔抽放時(shí)間,對(duì)煤礦煤層氣（瓦斯）災(zāi)害防治具有重要的意義。

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（責(zé)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(hào)TD713

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

基金項(xiàng)目:?大同市基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2015113）

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