王俊文

（山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司）

鉆孔孔壁失穩(wěn)是鉆探工程領域的重要研究課題，其給瓦斯抽采以及鉆孔使用周期帶來了嚴重的影響，造成人力、物力和時間的極大損失，給安全生產(chǎn)帶來了巨大的隱患。因此，研究孔壁失穩(wěn)機理以及鉆孔的變形特征意義重大。

在鉆孔變形方面，石占山等［1］對基于加卸載過程的瓦斯抽采鉆孔變形特征及穩(wěn)定性進行研究，得出加載速率對鉆孔周邊的破壞范圍及孔壁位移產(chǎn)生影響，鉆孔周邊破壞范圍與初始卸載應力及卸載速率相關。趙陽升、韓觀勝等［2-3］通過單軸、三軸試驗對不同壓力、不同孔徑條件下的鉆孔變形規(guī)律及失穩(wěn)條件進行研究與理論分析。李日富等［4］運用數(shù)值模擬手段，以采空區(qū)上覆巖層受采動影響下的破壞規(guī)律為基礎，對影響地面鉆井穩(wěn)定性的主要參數(shù)進行了分析。趙洪寶等［5-6］研究不同形式?jīng)_擊載荷作用對煤巖的裂紋發(fā)育、擴展及幾何特性影響，結果表明，裂紋擴展路徑受應力條件和鉆孔的耦合變化影響。

在鉆孔支護方面，劉清泉、李定啟等［7-8］探究了松軟煤層瓦斯鉆孔的支護設備以及工藝方法，并進行現(xiàn)場試驗。王永龍等［9］以實際應用為基礎，建立數(shù)值模型，分析低螺旋鉆桿對排渣效果的影響情況，對低螺旋鉆桿進行強度分析。姚向榮等［10］采用FLAC3D軟件，對瓦斯抽采鉆孔圍巖弱結構破壞失穩(wěn)有效控制進行探究。陳功勝等［11］通過分析鉆孔的護壁方法，提出了不提鉆篩管下入技術，研制出配套設備，對PVC 篩管的結構進行了設計，并開展井下工業(yè)性試驗。

通過梳理上述相關研究，系統(tǒng)對比分析發(fā)現(xiàn)，目前關于鉆孔或巷道圍巖相關理論及試驗研究已經(jīng)十分成熟，但是針對瓦斯抽采鉆孔這種小尺度圓形鉆孔在護孔管材支護下受地應力擾動時的形變特征鮮有報道。因此，本項目采用室內(nèi)相似模擬方法，研究在不同支護條件下瓦斯抽采鉆孔在穩(wěn)定載荷作用下的變形情況，系統(tǒng)分析模擬瓦斯鉆孔在豎直方向、水平方向和不同鉆孔深度條件下的三維變形特征，為現(xiàn)場實際生產(chǎn)提供理論指導。

1 試驗材料

本試驗于山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司（簡稱鋪龍灣煤業(yè)）5 號煤層現(xiàn)場取樣，加工成60 mm×60 mm×60 mm 的原煤試樣，所用原煤試樣的力學參數(shù)如表1所示。

表1 煤樣力學參數(shù)

在試樣中心位置鉆取直徑分別為5 mm、8 mm，深度為50 mm的垂直盲孔模擬瓦斯抽采鉆孔。

本次試驗剛性支護管材選用玻璃纖維增強塑料，主要成份為玻璃纖維和合成樹脂，具有質(zhì)量輕、剛度大、抗腐蝕性好的優(yōu)點。柔性支護管材選用聚氯乙烯（PVC）管，具有質(zhì)量輕、柔韌性與抗拉性能好的優(yōu)點，如圖1所示。

2 試驗裝置

試驗系統(tǒng)由單向約束遞增加載裝置、應變—應變監(jiān)測系統(tǒng)及計算機組成。其中，應變—應變監(jiān)測系統(tǒng)主要是用來監(jiān)測帶有中心孔洞試樣彈性變形階段局部微觀變形演化過程及孔內(nèi)三維變形特征。

3 試驗方案

在實際開采過程中，煤巖賦存并未一直處于線性增長式加載狀態(tài)，而是處于間歇性動力加載狀態(tài)。因此，為更好地表征井下實際掘進現(xiàn)場動力擾動，采用梯級遞增載荷方式加壓，加載方案如圖2 所示，即以0.2 MPa 為應力加載梯度，每次應力增加后，保持5 s，同步監(jiān)測各測試點應變變化和試樣表面裂紋擴展情況。

試驗分4 組進行，每組分別在孔深5，15，25 mm處安裝水平應變片。第1組考察在無水平約束、剛性支護條件下，模擬鉆孔在豎直、水平方向以及不同鉆孔深度的變形特征；第2 組考察在無水平約束、柔性支護條件下，模擬鉆孔在豎直、水平方向以及不同鉆孔深度的變形特征。對于深部煤體，雖然其水平構造應力小于垂直地應力，但其對煤層賦存的穩(wěn)定性還具有一定程度的影響，故本組采用水平加壓約束條件下的豎直遞增式加壓，其水平方向約束采用1 MPa 和2 MPa 2 個等級。第3 組考察在不同水平約束、剛性支護條件下，模擬鉆孔在豎直、水平方向以及不同鉆孔深度的變形特征；第4 組考察在不同水平約束、柔性支護條件下，模擬鉆孔在豎直、水平方向以及不同鉆孔深度的變形特征。加壓試組如圖2所示。

4 實驗結果分析

4.1 不同孔徑條件下鉆孔內(nèi)部變形特征

根據(jù)試驗測試結果可以得到各個模擬瓦斯鉆孔的應力—應變變化情況，如圖3所示。

本試驗采用的電阻應變儀讀數(shù)為正時，表示試件在測試方向發(fā)生了拉應變；讀數(shù)為負數(shù)時，表示發(fā)生了壓應變，結合上述應力—時間曲線、試件的宏觀破壞形態(tài)和圓孔孔口應力集中理論，可以得出瓦斯鉆孔在不同孔徑條件下呈現(xiàn)出如下力學特性。

（1）根據(jù)2 組試驗的應力—應變變化曲線可知，鉆孔水平方向發(fā)生了壓剪破壞，豎直方向發(fā)生了拉伸破壞，無支護條件下的應力—應變曲線的大致趨勢與剛性支護和柔性支護條件下的應力—應變曲線基本相同，豎直方向應變隨著應力增大而持續(xù)增大，水平方向應變在應力增大到一定程度時出現(xiàn)應變減小的現(xiàn)象。

（2）對比鉆孔水平方向上不同孔徑大小的應力—應變變化曲線可知，在不同支護條件下應力加載到一定程度時均發(fā)生應變驟減現(xiàn)象，且有支護條件下發(fā)生應變驟減現(xiàn)象相比于無支護條件發(fā)生時間點滯后，剛性支護條件下應變驟減現(xiàn)象相比于柔性支護條件發(fā)生時間點滯后。這是由于隨著施加遞增載荷的增加，部分監(jiān)測點處煤巖體產(chǎn)生微裂隙，使得應變片在自身彈性作用下發(fā)生“回縮”現(xiàn)象［12］。當施加支護后，鉆孔煤壁抵抗變形能力增加，同一位置微裂隙達到應變片發(fā)生“回縮”現(xiàn)象所需應力增加，由于支護機理不同，剛性支護相比于柔性支護煤壁變形量少，抵抗變形能力大于柔性支護，因而剛性支護“回縮”轉(zhuǎn)折點滯后于柔性支護，柔性支護“回縮”轉(zhuǎn)折點滯后于無支護條件。

（3）由上述應力應變曲線可知，施加支護對鉆孔應變具有一定的抑制作用，鉆孔水平、豎直方向破壞所需應力均大于無支護條件，且豎直方向拉伸破壞早于水平方向壓剪破壞，即支護條件下，鉆孔承受壓力能力增大，在相同載荷作用下，支護鉆孔的變形較小。隨著孔徑尺寸的增加，發(fā)生破壞時的應變增加，說明隨著孔徑尺寸的增加，鉆孔初始微裂紋增加，在施加載荷作用下發(fā)生破壞時，應變片監(jiān)測點處位移增加。

4.2 不同孔深條件下鉆孔變形特征

對模擬鉆孔不同深度條件下水平方向應力—應變監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理繪圖，如圖4所示。

圖4表明：

（1）通過對比不同支護條件下試驗結果，觀察不同孔深處鉆孔應力—應變曲線可知，無支護、剛性支護、柔性支護條件下應力—應變變化曲線發(fā)展趨勢總體相同，其內(nèi)部應變隨著模擬鉆孔深度的增加，呈現(xiàn)不斷衰減趨勢。這是由于小孔口的應力集中現(xiàn)象及同一鉆孔不同深部約束條件不同作用的結果［13］。

（2）通過對比不同孔徑條件下試驗結果，觀察不同孔深處應變衰減趨勢可知，應變衰減總體趨勢與孔徑大小無關，5 mm、8 mm 孔徑均存在相似的衰減發(fā)展趨勢，即測試深度從5 mm增加至15 mm時，應變衰減緩慢，而當測試深度從15 mm 增加到25 mm 時，應變衰減顯著增加，說明在一定孔深范圍內(nèi)，鉆孔深度的增加與應變的衰減情況不具有絕對的正相關性，這是由于小孔口的應力集中均具有局部性［14］，除孔口應力集中程度較高以外，孔口應力集中區(qū)存在一定的范圍，一般孔口應力集中區(qū)域約在距孔邊1.5倍孔口尺寸（圓孔直徑）的范圍內(nèi)［15］，此區(qū)域范圍內(nèi)鉆孔應力更集中。

4.3 不同水平約束條件下鉆孔內(nèi)部三維變形特征

水平構造應力對煤巖體在垂直作用力下的自然變形具有一定的“束縛”作用，對煤巖體微裂隙的孕育和發(fā)展起到一定得抑制作用，進而在某種程度上提高煤巖體的整體強度。對鉆孔不同水平約束條件下應力—應變監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理繪圖，如圖5、圖6所示。

圖5和圖6表明：

（1）一定程度的水平約束可以提高煤巖體整體強度和鉆孔周圍局部的抗壓和抗拉強度。對比不同水平約束條件下各監(jiān)測點應力—應變曲線可知，水平約束的存在不會影響鉆孔內(nèi)部變形規(guī)律。即應力—應變曲線總體發(fā)展趨勢不會發(fā)生變化，鉆孔水平位置仍會產(chǎn)生拉應變，豎直位置產(chǎn)生壓應變，隨著孔深的增加，鉆孔內(nèi)部應變呈現(xiàn)不斷衰減趨勢，并且在孔口位置出現(xiàn)“小孔口”應力集中現(xiàn)象。但一定程度水平約束的存在，增大了鉆孔內(nèi)部的抗變形能力，相比于無水平約束條件下，鉆孔出現(xiàn)失穩(wěn)破壞時的壓力值明顯增大，2 MPa 水平約束條件下破壞時壓力值約為1 MPa水平約束條件下破壞時2倍。

（2）對比1 MPa 與2 MPa 條件下各應力應變曲線發(fā)現(xiàn)，隨著水平約束程度的加劇，孔壁破壞初始階段應變敏感性顯著降低，即施加相同載荷，應變值明顯變小，水平約束2 MPa、孔深25 mm 時表現(xiàn)最為明顯，初始階段應力—應變曲線近似為一豎直曲線。說明水平約束達到一定程度時，抑制效應顯著增強，初始應變發(fā)生條件增加，水平約束2 MPa、孔深25 mm 時產(chǎn)生裂紋，應變明顯，所需應力為無約束條件下鉆孔破壞應力值1.25倍。

5 結 論

（1）在不同支護條件下應力加載到一定程度時均發(fā)生應變驟減現(xiàn)象，且有支護條件下應變驟減現(xiàn)象相比于無支護條件發(fā)生時間點滯后，剛性支護抵抗變形能力大于柔性支護。隨著孔徑尺寸的增加，發(fā)生破壞時的應變增加，說明隨著孔徑尺寸增加，鉆孔初始微裂紋增加，在施加載荷作用下發(fā)生破壞時應變片監(jiān)測點處位移增加。

（2）應變衰減總體趨勢與孔徑大小無關，在一定孔深范圍內(nèi)，鉆孔深度的增加與應變的衰減情況不具有絕對的正相關性，鉆孔5 ～15 mm 為重點變形區(qū)域。

（3）水平約束不會影響鉆孔內(nèi)部變形規(guī)律，隨著水平約束程度的加劇，孔壁破壞初始階段應變敏感性顯著降低，水平約束2 MPa、孔深25 mm 時產(chǎn)生裂紋，應變明顯，所需應力為無約束條件下鉆孔破壞應力值1.25倍。