徐超平，李 賀，魯 義，路潔心，施式亮

(湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

松軟煤層是指堅(jiān)固性系數(shù)f小于1的煤層，主要由于斷層和層滑等原因所形成，因此也稱為構(gòu)造煤層[1]。松軟高瓦斯煤層廣泛分布于淮南、松藻、平頂山、鐵法、盤江等礦區(qū)，其瓦斯資源儲(chǔ)量為56 073億m3，占全國瓦斯儲(chǔ)量的39.2%[2]。然而，松軟煤層厚度變化大、力學(xué)強(qiáng)度低，在鉆頭和鉆桿的旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)下，瓦斯抽采鉆孔極易發(fā)生大范圍變形甚至坍塌。并且，松軟煤層滲透率普遍較低，瓦斯含量和壓力高、解吸速度快，瓦斯抽采鉆孔前方易形成高壓區(qū)，容易誘發(fā)頂鉆、噴孔等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。隨著煤炭資源深部開采趨于常態(tài)，地層深部的高溫、高應(yīng)力環(huán)境導(dǎo)致松軟煤層瓦斯治理難度急劇增大[3]。提高瓦斯抽采鉆孔成孔率及穩(wěn)定性是松軟煤層瓦斯治理的關(guān)鍵之一。筆者系統(tǒng)總結(jié)松軟煤層瓦斯抽采鉆孔失穩(wěn)機(jī)理及規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)有鉆孔成孔技術(shù)及鉆孔失穩(wěn)控制技術(shù)，探討松軟煤層瓦斯抽采鉆孔高效成孔的發(fā)展方向。

1 軟煤鉆孔失穩(wěn)機(jī)理及規(guī)律

1.1 鉆孔變形、坍塌機(jī)理及規(guī)律

1)煤體結(jié)構(gòu)?？蓪@孔失穩(wěn)描述為在外界擾動(dòng)下鉆孔周圍含瓦斯煤體應(yīng)力場重新分布引起的動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象。煤體結(jié)構(gòu)直接決定鉆孔失穩(wěn)特征及影響范圍，然而，現(xiàn)有研究僅從煤體破壞程度、形態(tài)特征及成因等方面對(duì)煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性描述，缺乏能定量表征煤體結(jié)構(gòu)并進(jìn)一步揭示鉆孔失穩(wěn)機(jī)理的方法。地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI是當(dāng)前對(duì)煤體結(jié)構(gòu)定量表征的主要方法[4]，如表1所示。另外，Hoek-Brown準(zhǔn)則可作為Ⅰ類煤層鉆孔失穩(wěn)的判定條件[5]。而Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類煤層鉆孔失穩(wěn)的必要條件為：煤體強(qiáng)度不足發(fā)生破壞、裂紋在應(yīng)力作用下擴(kuò)展、裂紋在瓦斯壓力作用下繼續(xù)擴(kuò)展至相互貫通。因此，GSI和鉆孔圍巖應(yīng)力的不均衡性是影響鉆孔穩(wěn)定的關(guān)鍵因素[6]。

表1 煤體結(jié)構(gòu)類型與GSI值的對(duì)應(yīng)關(guān)系[4]

2)圍巖應(yīng)力。國內(nèi)外學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)鉆孔圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。張學(xué)博[7]、李志華[8]等根據(jù)FLAC3D模擬結(jié)果指出了由埋深和側(cè)壓系數(shù)決定的地應(yīng)力是影響鉆孔穩(wěn)定性的主控因素；煤層埋深越大、側(cè)壓系數(shù)越高、煤體力學(xué)強(qiáng)度越低，則鉆孔穩(wěn)定性越差。王志明等[9]通過“升壓→恒壓→卸壓”應(yīng)力循環(huán)加載鉆孔失穩(wěn)試驗(yàn)表明：①鉆孔成孔初期，圍巖損傷劇烈，但孔壁裂紋不明顯，損傷效應(yīng)主要表現(xiàn)為鉆孔收縮；②卸壓階段孔壁損傷較小，恒壓階段孔壁持續(xù)損傷，升壓階段則會(huì)加劇鉆孔收縮并擴(kuò)大孔壁損傷范圍；③多次循環(huán)后，孔壁裂紋擴(kuò)展、貫通最終導(dǎo)致鉆孔失穩(wěn)。由于煤體力學(xué)強(qiáng)度、側(cè)壓系數(shù)及初始應(yīng)力等影響因素難以通過現(xiàn)有技術(shù)方法改變，因此，增大圍巖力學(xué)強(qiáng)度，減小塑性區(qū)范圍及鉆孔徑向位移是提高抽采鉆孔穩(wěn)定性和成孔率的重點(diǎn)研究方向。

3)孔隙壓力。松軟煤層在鉆進(jìn)過程中，由于瓦斯放散初速度和涌出量較大[10]，急劇增大的瓦斯孔隙壓力會(huì)導(dǎo)致孔壁煤體軟化變形；同時(shí)，煤體流變會(huì)導(dǎo)致鉆孔收縮，松軟煤層強(qiáng)度低，流變現(xiàn)象更為嚴(yán)重，鉆孔失穩(wěn)破壞可能性也更大[11]。隨著抽采時(shí)間延長，孔隙壓力逐漸減小至與抽采負(fù)壓持平，導(dǎo)致煤層節(jié)理裂隙受力加劇，進(jìn)而誘發(fā)鉆孔失穩(wěn)，即鉆孔失穩(wěn)是由瓦斯孔隙壓力和節(jié)理裂隙共同造成的，且鉆孔失穩(wěn)存在時(shí)間延遲效應(yīng)[12]。另一方面，軟煤在地應(yīng)力作用下發(fā)生蠕變，蠕變煤體進(jìn)入鉆孔會(huì)阻礙后續(xù)煤體流變和卸壓范圍擴(kuò)展，致使鉆孔變形、垮落甚至坍塌[2]，進(jìn)而降低瓦斯抽采效率，如圖1所示。此外，煤層初始瓦斯壓力也是孔壁變形、坍塌的主要影響因素，鉆孔坍塌危險(xiǎn)性隨煤體黏聚力增大而減小，隨煤層初始瓦斯壓力增大而增大[2]。

圖1 鉆孔失穩(wěn)的主要形式[2]

4)鉆進(jìn)方式。鉆進(jìn)方式是影響瓦斯抽采鉆孔穩(wěn)定性的外部因素，主要體現(xiàn)在鉆桿擾動(dòng)、鉆進(jìn)速度、鉆孔直徑與深度、介質(zhì)沖洗方法等方面。松軟煤層受鉆進(jìn)擾動(dòng)影響，裂隙發(fā)育擴(kuò)展、強(qiáng)度降低，在高壓瓦斯作用下易發(fā)生瞬間失穩(wěn)。實(shí)踐表明：擾動(dòng)作用和煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性隨鉆進(jìn)速度增大而增大[13]。此外，鉆孔形變會(huì)經(jīng)歷快速形變、緩慢形變和基本穩(wěn)定3個(gè)階段。鉆孔形變量隨鉆孔直徑增大而增大，隨鉆孔深度增大而減小[14]。沖洗鉆孔時(shí)，水流或空氣流動(dòng)對(duì)孔壁的沖刷作用也會(huì)導(dǎo)致煤層強(qiáng)度下降、膨脹崩解，進(jìn)而引發(fā)鉆孔整體性失穩(wěn)[10]。

1.2 鉆孔噴孔機(jī)理及規(guī)律

鉆孔噴孔的宏觀表現(xiàn)為煤巖體與瓦斯在高應(yīng)力和鉆進(jìn)擾動(dòng)作用下，短時(shí)間內(nèi)以極高速度和極大沖擊力猛烈噴出。鉆孔噴孔前，必然先發(fā)生煤體的失穩(wěn)破壞，煤體破壞分為以地應(yīng)力作用為主的剪切破壞和以瓦斯作用為主的拉伸破壞。鉆孔發(fā)生拉伸破壞后，根據(jù)積蓄能量的不同會(huì)產(chǎn)生2種情況[15]：①裂隙擴(kuò)展并噴出瓦斯；②粉碎煤體并引發(fā)強(qiáng)烈噴孔。忽略鉆進(jìn)擾動(dòng)的情況下，孔底周圍剛揭露煤體的應(yīng)力狀態(tài)可分為以下情況進(jìn)行討論[16]：

1)鉆孔鉆進(jìn)至煤巖破碎區(qū)時(shí)，鉆孔應(yīng)力狀態(tài)如圖2(a)所示，此時(shí)煤體承載力較弱且形變量大易發(fā)生垮孔，即：

σr+αprδij≥C+f

(1)

式中：σr為煤體徑向應(yīng)力，MPa；α為等效孔隙壓力系數(shù)；pr為徑向瓦斯壓力，MPa；δij為Kronecker符號(hào)；C為黏聚力，MPa；f為摩擦阻力，MPa。

圖2 鉆孔應(yīng)力狀態(tài)[16]

2)鉆孔鉆進(jìn)至煤巖塑性區(qū)時(shí)，鉆孔應(yīng)力狀態(tài)如圖2(b)所示，此時(shí)裂隙發(fā)育和圍壓的控制作用會(huì)積蓄較高的彈性潛能與瓦斯內(nèi)能，當(dāng)形變潛能超過孔壁所能承受的載荷時(shí)會(huì)造成垮孔甚至噴孔，即：

(2)

3)鉆孔鉆進(jìn)至煤巖彈性區(qū)時(shí)，應(yīng)力梯度逐漸減小，孔裂隙發(fā)育程度弱，鉆孔失穩(wěn)概率較低。

因此，孔壁失穩(wěn)坍塌可歸結(jié)為孔壁周圍煤體所受應(yīng)力超過其自身強(qiáng)度而發(fā)生的剪切破壞。忽略鉆進(jìn)擾動(dòng)的影響，噴孔也分為2種情況：①在高應(yīng)力梯度下，孔壁煤體突發(fā)性破壞導(dǎo)致噴孔；②孔壁煤體發(fā)生破壞并大面積垮落，堵塞鉆孔進(jìn)而引發(fā)噴孔。

實(shí)際施工鉆孔時(shí)，煤巖體在高應(yīng)力環(huán)境下，內(nèi)部裂隙萌生、擴(kuò)展及貫通，而鉆進(jìn)擾動(dòng)使煤巖體由三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)殡p向甚至單向受力狀態(tài)，繼而形成應(yīng)力增高區(qū)，使圍巖由彈性狀態(tài)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)，降低鉆孔圍巖承載力及穩(wěn)定性[17]。當(dāng)應(yīng)力超過圍巖屈服極限時(shí)，孔壁煤體隨彈性應(yīng)變能的突然釋放而瞬間崩落，引發(fā)鉆孔噴孔。

根據(jù)鉆孔圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律(鉆孔圍巖塑性區(qū)分布范圍隨GSI增大而減小)，鉆孔失穩(wěn)破壞類型可歸納為3類，如表2所示。

表2 煤層鉆孔失穩(wěn)破壞類型及其控制因素[5]

由于軟煤節(jié)理、裂隙破壞嚴(yán)重，煤體處于塑性狀態(tài)且積聚大量瓦斯，施工鉆孔時(shí)，煤體在瓦斯內(nèi)能及切向應(yīng)力的擠壓作用下，極易發(fā)生噴孔破壞[5]。

綜上所述，鉆孔失穩(wěn)主要受煤體基本力學(xué)性質(zhì)、孔周應(yīng)力環(huán)境、孔隙壓力及鉆進(jìn)方式影響，而地應(yīng)力與瓦斯壓力的共同作用，導(dǎo)致圍巖裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，最終發(fā)生煤與瓦斯噴出。迄今為止，關(guān)于鉆孔失穩(wěn)機(jī)理的認(rèn)識(shí)與研究都是假說性的，如何探究鉆孔失穩(wěn)階段所包含的力學(xué)及非力學(xué)過程，揭示誘發(fā)鉆孔失穩(wěn)的主導(dǎo)因素及其作用機(jī)制，是亟待解決的難題。

2 軟煤鉆孔失穩(wěn)綜合防治技術(shù)

2.1 護(hù)孔防噴技術(shù)裝置

1)打鉆防噴技術(shù)。軟煤瓦斯抽采鉆孔通常采用回旋式鉆機(jī)施工，鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的煤渣經(jīng)由鉆桿與孔壁間隙排出，易造成孔內(nèi)支撐力不足，繼而引發(fā)鉆孔失穩(wěn)。另一方面，煤渣不及時(shí)排出易造成堵孔，進(jìn)而導(dǎo)致瓦斯應(yīng)力梯度驟增引發(fā)噴孔。為此，目前主要采用可實(shí)現(xiàn)氣(瓦斯)、水(打鉆水)、渣(煤渣)有效分離的鉆孔噴孔防護(hù)裝置[18]，如圖3所示，將瓦斯預(yù)抽鉆孔穿透煤層時(shí)噴出的高壓瓦斯流直接抽入瓦斯抽放管，既能延長穿煤時(shí)間、增加穿煤深度，又能提高瓦斯抽采效率。然而，此類裝置只適用于噴出煤渣量少、持續(xù)時(shí)間短的噴孔，若發(fā)生劇烈噴孔則會(huì)導(dǎo)致收集容器被煤渣瞬間填滿，失去護(hù)孔防噴作用。

圖3 鉆孔噴孔防護(hù)裝置[18]

2)篩管護(hù)孔技術(shù)。鉆孔成孔后的失穩(wěn)防治技術(shù)主要是在鉆孔內(nèi)下放篩管，篩管不僅起到護(hù)壁作用，還能在鉆孔失穩(wěn)后充當(dāng)瓦斯流動(dòng)通道。松軟煤層穩(wěn)定性極差，退鉆后安設(shè)篩管的方法易造成孔壁失穩(wěn)坍塌，加之孔壁形狀不規(guī)則及篩管本身的彎曲變形，篩管難以送至預(yù)定深度。因此，全孔段下放篩管護(hù)孔技術(shù)[19]應(yīng)運(yùn)而生，如圖4所示。該方法先采用大通孔開閉式鉆頭施工鉆孔，再將篩管和固定裝置從鉆桿與鉆頭的內(nèi)通孔送至孔底，最后提出鉆桿與鉆頭并將篩管留在鉆孔內(nèi)。該方法不僅能加深篩管安設(shè)深度，還能增加瓦斯抽采鉆孔的穩(wěn)定性、提高抽采瓦斯?jié)舛萚20]。然而，該方法需要配備專用的鉆桿、鉆頭和篩管，成本較高，且由于鉆孔應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜多變，護(hù)孔效果難以保證。

圖4 全孔段下放篩管護(hù)孔技術(shù)及關(guān)鍵裝置[19]

3)鉆孔攝影技術(shù)。近年來，鉆孔攝影技術(shù)逐步應(yīng)用于觀察煤礦井下鉆孔圍巖結(jié)構(gòu)，主要使用設(shè)備有光導(dǎo)纖維鉆孔窺視儀和電子鉆孔窺視儀2種[21]。然而，該方法只能用于成孔初期的孔壁觀測，且相較于施工鉆孔的長度，觀測距離較短。與此同時(shí)，針對(duì)孔內(nèi)事故處理中存在的不可視、盲目性等問題，基于礦用鉆孔成像儀的孔內(nèi)事故可視處理技術(shù)[22]應(yīng)時(shí)而生，該技術(shù)配套相應(yīng)的打撈工具和推送裝置，不僅提高了卡鉆塌孔等事故處理的成功率，還能滿足深孔事故處理的需要。鉆孔成像技術(shù)主要在孔內(nèi)事故處理時(shí)起輔助判斷的作用，但裝置的推送深度仍需進(jìn)一步提升。

2.2 鉆孔圍巖注漿加固技術(shù)

鉆孔圍巖注漿加固技術(shù)是指向鉆孔內(nèi)壓注水泥等材料充填圍巖裂隙并固結(jié)破碎煤體，從而提高圍巖的抗變形能力的一種技術(shù)[23]。目前主要采用“大孔鉆進(jìn)→注漿護(hù)壁→小孔抽采”的加固密封技術(shù)[24]，即先施工一個(gè)“大孔徑”鉆孔，然后采用高強(qiáng)度的注漿材料加固該鉆孔，待漿液凝固后在該鉆孔加固段以“小孔徑”打孔，最后密封鉆孔。該方法不僅能提高煤體黏聚力、增強(qiáng)煤巖體穩(wěn)定性，還能降低煤巖體的內(nèi)部應(yīng)力和尖端拉力，減少外力破壞，從而提高施工鉆孔的成孔率。

2.2.1 充填膠凝材料

迄今為止，有關(guān)科研人員針對(duì)注漿加固材料做了大量的研究，認(rèn)為漿液的黏結(jié)性是決定其與煤體結(jié)合程度及結(jié)合體固化強(qiáng)度的重要因素。其中，水泥基類無機(jī)注漿材料與煤壁結(jié)合性較強(qiáng)，能有效防止因鉆孔失穩(wěn)引起的圍巖膨脹破裂；而聚氨酯類有機(jī)注漿材料與煤壁結(jié)合性較差，圍巖膨脹破裂時(shí)易出現(xiàn)中空區(qū)域[25]。漿液流經(jīng)破碎煤巖體時(shí)會(huì)填充孔裂隙，隨后開始凝結(jié)，從而形成類似骨架的固結(jié)脈狀結(jié)構(gòu)，起到支撐煤巖體的作用。因此，減小注漿材料粒徑、提高充填程度能降低固結(jié)體的孔隙率進(jìn)而增大抗壓強(qiáng)度。

鑒于此，有學(xué)者采用超細(xì)加工處理硫鋁酸鹽水泥基注漿材料以減小顆粒粒徑、降低漿液的泌水率、縮短凝結(jié)時(shí)間，從而提高漿液穩(wěn)定性與抗壓強(qiáng)度[26]。通過在超細(xì)水泥漿液中添加高分散性SiO2[27]和聚羧酸高效減水劑[28]能有效降低漿液黏度，延長其在圍巖裂隙中的擴(kuò)散距離。此外，在超細(xì)化硫鋁酸鹽水泥基注漿材料中添加有機(jī)調(diào)節(jié)劑HA而配制出的無機(jī)—有機(jī)復(fù)合注漿材料[29]，利用HA與煤表面接觸反應(yīng)形成的氫鍵作用使?jié){液與煤界面緊密結(jié)合，提高了其與煤的黏結(jié)強(qiáng)度，如圖5所示。

圖5 無機(jī)—有機(jī)復(fù)合材料黏結(jié)機(jī)理模型[29]

2.2.2 水泥基泡沫材料

水泥基泡沫材料是由水泥漿體與水基泡沫混合而成的材料，初始呈泡沫流體狀，凝結(jié)固化后形成多孔塑性泡沫體，既能承受采動(dòng)應(yīng)力影響，又能減少煤巖固結(jié)體二次裂隙發(fā)育。水泥基泡沫材料的抗壓強(qiáng)度取決于漿體強(qiáng)度、黏結(jié)性及內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，且漿體強(qiáng)度對(duì)材料抗壓強(qiáng)度的影響程度會(huì)隨著內(nèi)部氣孔體積增大而減小。當(dāng)水膠比較低時(shí)，材料抗壓強(qiáng)度隨水膠比增大而增大[30]；而當(dāng)水膠比增大到一定程度時(shí)，材料孔隙率雖然降低，但孔徑增大使內(nèi)部氣孔分布不均勻，易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低[31]。即通過控制宏觀孔(孔徑大于200×103nm)的數(shù)量，既能提高材料的透氣性，又能削弱微孔隙增多導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低的不利影響。此外，泡沫摻量的增加會(huì)導(dǎo)致孔隙率急劇增大而抗壓強(qiáng)度逐漸降低[32]，如圖6所示，但兩者變化存在一個(gè)平衡點(diǎn)，即通過調(diào)節(jié)泡沫摻量可使材料兼具高強(qiáng)度與高透氣性。

圖6 泡沫摻量對(duì)材料抗壓強(qiáng)度與孔隙率的影響[32]

綜上所述，現(xiàn)有研究多致力于提高注漿材料的黏結(jié)性、滲透性及抗壓強(qiáng)度，忽略了固化材料的透氣性，導(dǎo)致注漿加固材料僅能維持鉆孔穩(wěn)定，無法兼顧釋放瓦斯壓力、促進(jìn)瓦斯?jié)B流的作用，嚴(yán)重制約了護(hù)孔材料和注漿加固技術(shù)的深入發(fā)展。

3 結(jié)語

1)鉆孔失穩(wěn)主要受煤體基本力學(xué)性質(zhì)、孔周應(yīng)力環(huán)境、孔隙壓力及鉆進(jìn)方式的影響，當(dāng)前關(guān)于鉆孔失穩(wěn)機(jī)理的認(rèn)識(shí)與研究都是假說性的，仍需進(jìn)一步研究揭示誘發(fā)鉆孔失穩(wěn)的主導(dǎo)因素及其作用機(jī)制。

2)系統(tǒng)梳理了鉆孔失穩(wěn)控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并總結(jié)了各項(xiàng)技術(shù)的適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為研發(fā)隨鉆護(hù)孔防噴與可視化疏通修復(fù)一體化技術(shù)是鉆孔失穩(wěn)防治的未來發(fā)展方向。

3)研制可注性強(qiáng)、力學(xué)強(qiáng)度高、開放孔隙多、滲透率高的納米漿泡材料，既能固孔抑噴、釋放瓦斯?jié)撃?，又能促進(jìn)瓦斯?jié)B流，延長鉆孔服務(wù)周期，在松軟高瓦斯煤層礦區(qū)將具有廣泛的應(yīng)用前景。