松软突出煤层钻孔护壁力学作用机理分析

摘要：为了解决松软突出煤层钻进问题，提高钻进深度，为了有效阻止松软煤层抽采钻孔塌孔的情况，在讨论了不同钻孔护壁方法的技术原理的基础上，结合弹塑性“围岩-支护”理论，建立钻孔护壁力学模型，采用数值分析的方法，分析钻孔在不同内压条件下，钻孔周围煤体应力、变形量变化规律。研究结果表明，伴随孔壁内压增大，钻孔变形量呈减小趋势，最大主应力σ 1峰值位置左移，塑性松动区呈缩小趋势；次主应力σ 3对应曲线整体上移，钻孔周边的应力集中现象有增长趋势。通过钻孔护壁力学作用机理分析，应用钻孔护壁技术，可有效减小或阻止钻孔变形，预防塌孔，保证钻孔的最大排渣空间，有利于施工较深的瓦斯抽采钻孔。

关键词：钻孔护壁；松软煤层；瓦斯抽采

中图分类号：TD823.82文献标志码：A

[WT]文章编号：1672-1098（2012）04-0050-06

作者简介：王永龙（1980-），男，河北承德人，在读博士，从事瓦斯抽采及其关键装备方面的研究。

本煤层深孔钻进技术是井下瓦斯抽采的关键技术之一。钻孔深度决定着瓦斯抽采的范围和效率，同时也间接影响回采的效率。由于我国煤层条件复杂多变，本煤层深孔钻进的难易程度差别很大，有很多技术难题和技术矛盾并没有得到根本解决。在我国，河南平煤集团、郑煤集团、义煤集团，山西晋煤集团、阳煤集团，安徽淮南矿业集团，许多矿区煤层为松软突出煤层，煤坚固性系数为0.2～0.5，煤体松软，且瓦斯压力波动较大，施工钻孔难度大。在施工过程中，钻孔在地应力、瓦斯压力和钻杆扰动力的作用下，钻孔变形量大，在钻孔深部易出现塌孔，卡钻、断钻事故频发，严重影响钻进深度和钻进效率。

多年来，国内外科研人员进行了各种技术途径的研究，取得了一些成果。钻机方面，引进了国外的千米钻机[1]；国内钻机逐步趋于大扭矩，如ZDY3200、ZDY4000、ZDY6000等系列钻机[2]；同时，近几年煤炭科学研究总院西安研究院开发研制了ZDY6000LD（A）型履带式全液压千米定向钻机[3]。钻具方面，先后提出扒孔降温钻具[4-5]、低螺旋钻杆[6-7]和三棱钻杆[8]。上述钻进装备方面的研究，对于提高松软煤层钻进深度，缓解松软煤层的钻进问题具有一定的推动作用。

为解决松软突出煤层的钻进难题，科研人员将钻孔护壁技术应用于松软煤层钻进，如研制套管，配合钻机，实现跟管钻进；应用保压钻进技术，在孔内形成高压流体，即，孔壁形成内压，预防塌孔；在钻进过程中，向孔壁喷涂泥浆，提高孔壁强度等系列措施。

上述系列钻孔护壁措施，其根本原理是在钻孔内壁形成预防钻孔塌孔的内压，因此，钻孔护壁技术中孔壁内压是一个极为重要的参数。本文通过系统分析常用钻孔护壁技术的原理，基于弹塑性“围岩-支护”体系理论分析，建立相应数学模型；通过设置不同的钻孔内压，对比分析钻孔孔壁施加内压后，对钻孔变形、应力的影响，让工程技术人员更加清晰的认识钻孔护壁技术的作用机理，同时，也可为钻孔护壁技术提供可参考的技术参数及分析方法。

1常用钻孔护壁技术

根据常用钻孔护壁技术特点，将钻孔护壁技术分为主动式钻孔护壁和被动式钻孔护壁。

1.1主动式钻孔护壁方法

主动式钻孔护壁，是指成孔与钻孔护壁同步进行。

1）国外专用套管钻机。主动式钻孔护壁方法的应用较早，同时应用也较为广泛。国外套管钻机的研制与应用也是套管护壁技术的一种体现，套管钻机为法国贝诺脱首创，随后在日本、英国等国引进并改进，已有60多年的历史。套管钻机主要应用于钻孔灌注桩的各类施工，但也有应用于煤矿钻孔施工的，如日本太平洋兴发株式会社研制的双重管钻机，2004年该钻机在鹤煤业集团六矿进行了试验。该钻机的原理是：套管护孔钻进，钻屑由套管与钻杆之间的夹层排出，防止钻孔塌孔和堵塞。在本煤层打钻的过程，由于地质构造（断层、构造煤）的因素使得深孔钻进难以实现，多数钻孔深度50～100m。该钻机配套设备庞大，需要较大钻场，难以适应井下条件，钻套去除困难，钻进工艺复杂，钻进效率偏低。

2）国内跟管钻进技术。在我国，松软突出煤层，煤体松散，钻孔变形严重，施工时钻孔随钻随垮，出现卡钻、抱钻等钻孔事故，钻孔长度难以达到设计要求，无法实现成孔退钻后，再下套管护孔。考虑到顶钻、卡钻只在塌孔地段发生，如在该区段内考虑拖埋护孔钢管或塑料管，就能防止喷孔塌孔后钻孔堵塞。湖南省煤炭科学研究所研制了采用拖动式下套管方式，有针对性地对煤孔缩径区段进行下套护孔[9]，通过工业性试验取得了不错的效果。

3）孔内水压护壁技术。孔内水压护壁技术主要应用于钻进工程中，在钻孔中通入一定压力的水或泥浆，即可排出钻屑，同时可预防孔壁失稳形成塌孔。文献[10]提出突出煤层保压钻进切缝设备及其方法可以防止在钻进过程中发生喷孔或者塌孔，实现松软突出煤层深孔钻进。

1.2被动式钻孔护壁方法

被动式钻孔护壁的重要技术特点是先成孔，后护壁。钻孔完成后，通过钻杆内部向已成孔的煤层中下入筛管，筛管为钢管或塑料管（钢化管），防止煤层塌孔后钻孔堵塞。延长瓦斯的抽采时间。下筛管的方法有两种：一种是钻孔打到位后，先起出钻杆再下套管；另一种是从钻杆内直接下套管。钻杆内直接下套管近几年应用较为广泛，具体方法是钻孔到达预定孔深后，将抗静电阻燃可碎性筛管通过大通孔钻杆的内孔下到钻孔内，并将钻头顶脱，然后将钻杆提出孔外，将筛管留在孔内并成为瓦斯排出煤层或抽采瓦斯的通道[11]。

该方法也可归类于护壁技术的应用，是被动式钻孔护壁方法最为被动的一种方式，由于不能与钻进过程同步，因此，它只能是钻孔施工完成后，为防止钻孔变形量过大造成塌孔而影响瓦斯抽采，也就是说它对于后期抽采具有不错的效果，但对于成孔过程遇到的卡钻、塌孔无任何预防作用。

综上分析，无论主动式钻孔护壁方法，还是被动式钻孔护壁方法，其基本原理都是通过在钻孔内部加支撑管或直接加内压形式，由于采取的方式不同，内压形成的时间和方式有所不同，支撑管对孔壁形成的支护压力，时间上滞后于钻孔变形，直接加内压形式可与钻进同步，但需要解决的技术问题较多。

2钻孔护壁力学模型

2.1基本假设

瓦斯抽采钻孔可视为微型圆形巷道，基于钻孔护壁原理及其采用的技术手段，相当于在钻孔内壁形成内压，减少或阻止钻杆变形的进一步扩大。设煤层围岩为均质，各向同性弹塑性材料服从Mohr-Coulomb强度准则。钻孔断面为圆形，且钻孔沿轴向长度较长，当埋深远大于或等于20倍开挖巷道半径时，可忽略巷道影响范围内岩石的重力，从而可将此开挖问题简化为平面应变模型进行分析[12-13]。

2.2钻孔模型的弹塑性分析

钻孔成孔后，由于应力重新分布，钻孔周围煤岩中形成塑性区和弹性区，在考虑内压的情况下，可应用弹塑性支护理论，将“支护-围岩”作为一个体系，通过对围岩的弹塑性分析，获得围岩应力、变形和塑性区半径的计算方法[14]（见图1）。

随着距孔壁距离增大，径向应力σ r由零逐渐增大，应力状态由孔壁的单向应力状态逐渐转化为双向应力状态，围岩也就由塑性状态逐渐转化为弹性状态。围岩中形成塑性区1、2，弹性区3，原岩应力区4。塑性区1为应力降低区，一般称之为“松动圈”，设其半径为r c，塑性松动圈的出现，使圈内一定范围内的应力因释放而明显降低，而最大应力集中由原来的洞壁移至塑性圈、弹性圈交界处，使弹性区的应力明显升高。塑性区2与弹性区3相当于原岩应力为应力升高区，一般称之为“承载区”。

1）塑性区应力、位移求解方程。

2）弹性区与塑性区交界面应力求解方程。

3）弹性区应力、位移求解方程式（适用范围：R p≤r≤∞）。

4）钻孔壁应力求解方程。塑性圈内钻孔壁围岩重分布应力与岩体天然应力σ 0无关，而取决于岩体强度c、φ值，其求解方程为

3钻孔护壁力学原理数值计算

3.1计算模型及材料参数

基于弹塑性“支护-围岩”体系理论分析，采用有限元方法，对钻孔开挖进行数值计算。设钻孔平均直径为0.2m，煤层埋深为600m。基于钻孔护壁原理，通过在钻孔内壁设置内压的形式进行数值计算，钻孔内壁设置内压方式为kγH，k为内压系数，γH为原始地应力。

本计算建立k=0.12、k=0.08、k=0.04、k=0.01、k=0五种模型（见图2）。

3.2内压作用机理初步分析

首先将图2b和图2e计算结果进行对比分析，即考虑有内压和无内压时，孔壁变形量、应力变化情况。

为分析钻孔在不同内压作用下，钻孔变形及应力变化情况（见图3），将OA线作为计算结果数据提取观测线，起点为O，终点为A。

钻孔变形量、应力沿观测线长度变化趋势如图4所示。坐标以钻孔中心为坐标圆点，沿钻孔观测线长度方向，对照图2钻孔周围弹塑性应力分布，同样分为四个区域：Ⅰ塑性松动区、Ⅱ塑性承载区、Ⅲ弹性承载区和Ⅳ原岩应力区。钻孔周边虚线代表当k=0时钻孔周围弹塑性应力分布区域，实线表示当k=0.08时钻孔周围弹塑性应力分布区域。

孔壁施加内压后，基于图4结果，进行如下分析：

1）内压系数由k=0到k=0.08，塑性松动区Ⅰ与塑性承载区Ⅱ交界线、塑性承载区Ⅱ与弹性承载区Ⅲ交界线由虚线位置收缩到实线位置，在孔壁内压作用下，塑性松动区呈缩小趋势，最大主应力σ1的初值上移增大，峰值位置左移。

2）内压系数由k=0到k=0.08，次主应力σ3的初值上移增大，在钻孔周边的应力区域，σ3对应曲线整体上移。

3）内压系数由k=0到k=0.08，孔壁最大变形量减小了接近1倍，沿观测线长度方向钻孔变形量逐渐减小。

3.3孔壁变形量、应力变化规律分析

1）钻孔变形量。钻孔变形量沿观测线长度变化趋势如图5所示。当k=0时，即，未采取孔壁支护技术，孔壁变形量达到最大值，煤孔的变形量接近4.5mm，根据钻孔的对称性，钻孔底部凸起变形也将达到4.5mm，排渣空间平均高度缩小9mm，由于钻孔空间缩小，排渣阻力增大，易出现钻孔堵塞、卡钻等现象，使钻进难以进行；当在钻孔内壁加内压时，随着内压的逐渐增大，钻孔壁的变形量逐渐缩小，这也证明采用钻孔护壁技术，可有效的减小或阻止钻孔变形量，保证钻孔上部有较大的排渣空间，相应保障了排渣顺畅。

2）钻孔应力分析。提取最大主应力σ 1沿观测线OA的应力值（见图6），σ 1在本计算中为切向应力，伴随孔壁内压逐渐增大，即内压系数由k=0

增长到k=0.12，最大主应力曲线整体向钻孔中心线移动。随着孔壁内压增大，钻孔周边最大主应力峰值也呈增大趋势，可见，随着内压的增大，塑性承载区Ⅱ与弹性承载区Ⅲ交界处的应力集中程度也明显增高。

通过提取次主应力σ 3沿观测线OA的应力变化对比图（见图7），σ 3在本计算中为径向应力，伴随孔壁内压逐渐增大，σ 3曲线整体上移。在钻孔的内壁，当k=0时，孔壁的径向应力为0，伴随孔壁内压逐渐增大，孔壁的径向应力值与内压值相等，结合图7，这与式（10）的理论计算结果保持一致。

3）钻孔塑性范围分析。当孔壁未施加内压时，即当k=0

时，钻孔周边屈服百分比为100%，表明该范围之内，煤体受剪切破坏或拉伸破坏影响，形成塑性松动区（见图8），未施加内压时，形成的松动圈半径约为0.3m，从该位置向煤体深处延伸，煤体的屈服百分比逐渐降低，即煤体进入塑性承载区，到接近0.4m处，屈服百分比为0，表明煤体由塑性承载区向弹性过渡。当孔壁内压逐渐增大时，钻孔周边的塑性松动区半径逐渐减小，当k=0.12时，塑性松动区半径已缩小到0.2m以内。

4结论

1）基于弹塑性“围岩-支护”体系理论，结合Mohr-Coulomb强度准则，对钻孔开挖进行数值计算，通过设置不同的钻孔内压，对比分析钻孔孔壁施加内压后，对钻孔变形、应力的影响。计算结果表明钻孔孔壁施加内压后，伴随孔壁内压增大，可有效减小钻孔变形量，本计算中，钻孔变形量减小了近1倍；塑性松动区呈缩小趋势，最大主应力σ 1的初值上移增大，峰值位置左移；次主应力σ 3对应曲线整体上移，钻孔周边的应力集中现象有增长趋势，且应力集中区域向钻孔中心靠近。

2）孔壁施加内压后，通过对钻孔周边变形量的分析可知，采取钻孔护壁技术方案后，当采用的方案能够在孔壁形成主动内压时，可有效减小钻孔变形量，预防塌孔，保证钻孔的最大排渣空间，有利于施工较深的瓦斯抽采钻孔；当采用的方案未能在孔壁形成主动内压时，也可预防钻孔松动区失稳并形成塌孔，有利于后期的瓦斯抽采。

3）孔壁施加内压后，通过对钻孔周边σ 1、σ 3变化规律的分析可知，在实际工程中，采取钻孔护壁技术后，钻孔周边的应力分布发生了明显的变化，内压越大，在钻孔周边的应力集中现象越明显，考虑钻孔周边煤体流变效应，如采用套管护孔时，套管材料要有一定的耐压能力，同时要有一定的韧性，不宜采用脆性材料。因此，结合实际煤层地质条件，匹配最佳护壁方案，可采用本文阐述的分析手段，计算钻孔形成后的应力分布特点，根据计算结果科学的选择护孔方案及材料。

4）对于较为松软煤体，钻孔形成后，钻孔未采取钻孔护壁技术方案时，钻孔周边煤体存在着较大范围的松动区，该区域的煤体，在外界扰动作用下，随时有可能发生失稳、塌孔，影响钻孔或后期瓦斯抽采，因此，深入开展松软煤层瓦斯抽采护孔技术，具有重要的现实意义。

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