不同支护条件下开孔扰动对瓦斯钻孔局部变形的研究

2022-06-28王俊文

现代矿业 2022年5期

王俊文

（山西铺龙湾煤业有限公司）

钻孔孔壁失稳是钻探工程领域的重要研究课题，其给瓦斯抽采以及钻孔使用周期带来了严重的影响，造成人力、物力和时间的极大损失，给安全生产带来了巨大的隐患。因此，研究孔壁失稳机理以及钻孔的变形特征意义重大。

在钻孔变形方面，石占山等［1］对基于加卸载过程的瓦斯抽采钻孔变形特征及稳定性进行研究，得出加载速率对钻孔周边的破坏范围及孔壁位移产生影响，钻孔周边破坏范围与初始卸载应力及卸载速率相关。赵阳升、韩观胜等［2-3］通过单轴、三轴试验对不同压力、不同孔径条件下的钻孔变形规律及失稳条件进行研究与理论分析。李日富等［4］运用数值模拟手段，以采空区上覆岩层受采动影响下的破坏规律为基础，对影响地面钻井稳定性的主要参数进行了分析。赵洪宝等［5-6］研究不同形式冲击载荷作用对煤岩的裂纹发育、扩展及几何特性影响，结果表明，裂纹扩展路径受应力条件和钻孔的耦合变化影响。

在钻孔支护方面，刘清泉、李定启等［7-8］探究了松软煤层瓦斯钻孔的支护设备以及工艺方法，并进行现场试验。王永龙等［9］以实际应用为基础，建立数值模型，分析低螺旋钻杆对排渣效果的影响情况，对低螺旋钻杆进行强度分析。姚向荣等［10］采用FLAC3D软件，对瓦斯抽采钻孔围岩弱结构破坏失稳有效控制进行探究。陈功胜等［11］通过分析钻孔的护壁方法，提出了不提钻筛管下入技术，研制出配套设备，对PVC 筛管的结构进行了设计，并开展井下工业性试验。

通过梳理上述相关研究，系统对比分析发现，目前关于钻孔或巷道围岩相关理论及试验研究已经十分成熟，但是针对瓦斯抽采钻孔这种小尺度圆形钻孔在护孔管材支护下受地应力扰动时的形变特征鲜有报道。因此，本项目采用室内相似模拟方法，研究在不同支护条件下瓦斯抽采钻孔在稳定载荷作用下的变形情况，系统分析模拟瓦斯钻孔在竖直方向、水平方向和不同钻孔深度条件下的三维变形特征，为现场实际生产提供理论指导。

1 试验材料

本试验于山西铺龙湾煤业有限公司（简称铺龙湾煤业）5 号煤层现场取样，加工成60 mm×60 mm×60 mm 的原煤试样，所用原煤试样的力学参数如表1所示。

表1 煤样力学参数

在试样中心位置钻取直径分别为5 mm、8 mm，深度为50 mm的垂直盲孔模拟瓦斯抽采钻孔。

本次试验刚性支护管材选用玻璃纤维增强塑料，主要成份为玻璃纤维和合成树脂，具有质量轻、刚度大、抗腐蚀性好的优点。柔性支护管材选用聚氯乙烯（PVC）管，具有质量轻、柔韧性与抗拉性能好的优点，如图1所示。

2 试验装置

试验系统由单向约束递增加载装置、应变—应变监测系统及计算机组成。其中，应变—应变监测系统主要是用来监测带有中心孔洞试样弹性变形阶段局部微观变形演化过程及孔内三维变形特征。

3 试验方案

在实际开采过程中，煤岩赋存并未一直处于线性增长式加载状态，而是处于间歇性动力加载状态。因此，为更好地表征井下实际掘进现场动力扰动，采用梯级递增载荷方式加压，加载方案如图2 所示，即以0.2 MPa 为应力加载梯度，每次应力增加后，保持5 s，同步监测各测试点应变变化和试样表面裂纹扩展情况。

试验分4 组进行，每组分别在孔深5，15，25 mm处安装水平应变片。第1组考察在无水平约束、刚性支护条件下，模拟钻孔在竖直、水平方向以及不同钻孔深度的变形特征；第2 组考察在无水平约束、柔性支护条件下，模拟钻孔在竖直、水平方向以及不同钻孔深度的变形特征。对于深部煤体，虽然其水平构造应力小于垂直地应力，但其对煤层赋存的稳定性还具有一定程度的影响，故本组采用水平加压约束条件下的竖直递增式加压，其水平方向约束采用1 MPa 和2 MPa 2 个等级。第3 组考察在不同水平约束、刚性支护条件下，模拟钻孔在竖直、水平方向以及不同钻孔深度的变形特征；第4 组考察在不同水平约束、柔性支护条件下，模拟钻孔在竖直、水平方向以及不同钻孔深度的变形特征。加压试组如图2所示。

4 实验结果分析

4.1 不同孔径条件下钻孔内部变形特征

根据试验测试结果可以得到各个模拟瓦斯钻孔的应力—应变变化情况，如图3所示。

本试验采用的电阻应变仪读数为正时，表示试件在测试方向发生了拉应变；读数为负数时，表示发生了压应变，结合上述应力—时间曲线、试件的宏观破坏形态和圆孔孔口应力集中理论，可以得出瓦斯钻孔在不同孔径条件下呈现出如下力学特性。

（1）根据2 组试验的应力—应变变化曲线可知，钻孔水平方向发生了压剪破坏，竖直方向发生了拉伸破坏，无支护条件下的应力—应变曲线的大致趋势与刚性支护和柔性支护条件下的应力—应变曲线基本相同，竖直方向应变随着应力增大而持续增大，水平方向应变在应力增大到一定程度时出现应变减小的现象。

（2）对比钻孔水平方向上不同孔径大小的应力—应变变化曲线可知，在不同支护条件下应力加载到一定程度时均发生应变骤减现象，且有支护条件下发生应变骤减现象相比于无支护条件发生时间点滞后，刚性支护条件下应变骤减现象相比于柔性支护条件发生时间点滞后。这是由于随着施加递增载荷的增加，部分监测点处煤岩体产生微裂隙，使得应变片在自身弹性作用下发生“回缩”现象［12］。当施加支护后，钻孔煤壁抵抗变形能力增加，同一位置微裂隙达到应变片发生“回缩”现象所需应力增加，由于支护机理不同，刚性支护相比于柔性支护煤壁变形量少，抵抗变形能力大于柔性支护，因而刚性支护“回缩”转折点滞后于柔性支护，柔性支护“回缩”转折点滞后于无支护条件。

（3）由上述应力应变曲线可知，施加支护对钻孔应变具有一定的抑制作用，钻孔水平、竖直方向破坏所需应力均大于无支护条件，且竖直方向拉伸破坏早于水平方向压剪破坏，即支护条件下，钻孔承受压力能力增大，在相同载荷作用下，支护钻孔的变形较小。随着孔径尺寸的增加，发生破坏时的应变增加，说明随着孔径尺寸的增加，钻孔初始微裂纹增加，在施加载荷作用下发生破坏时，应变片监测点处位移增加。

4.2 不同孔深条件下钻孔变形特征

对模拟钻孔不同深度条件下水平方向应力—应变监测数据进行整理绘图，如图4所示。

图4表明：

（1）通过对比不同支护条件下试验结果，观察不同孔深处钻孔应力—应变曲线可知，无支护、刚性支护、柔性支护条件下应力—应变变化曲线发展趋势总体相同，其内部应变随着模拟钻孔深度的增加，呈现不断衰减趋势。这是由于小孔口的应力集中现象及同一钻孔不同深部约束条件不同作用的结果［13］。

（2）通过对比不同孔径条件下试验结果，观察不同孔深处应变衰减趋势可知，应变衰减总体趋势与孔径大小无关，5 mm、8 mm 孔径均存在相似的衰减发展趋势，即测试深度从5 mm增加至15 mm时，应变衰减缓慢，而当测试深度从15 mm 增加到25 mm 时，应变衰减显著增加，说明在一定孔深范围内，钻孔深度的增加与应变的衰减情况不具有绝对的正相关性，这是由于小孔口的应力集中均具有局部性［14］，除孔口应力集中程度较高以外，孔口应力集中区存在一定的范围，一般孔口应力集中区域约在距孔边1.5倍孔口尺寸（圆孔直径）的范围内［15］，此区域范围内钻孔应力更集中。

4.3 不同水平约束条件下钻孔内部三维变形特征

水平构造应力对煤岩体在垂直作用力下的自然变形具有一定的“束缚”作用，对煤岩体微裂隙的孕育和发展起到一定得抑制作用，进而在某种程度上提高煤岩体的整体强度。对钻孔不同水平约束条件下应力—应变监测数据进行整理绘图，如图5、图6所示。

图5和图6表明：

（1）一定程度的水平约束可以提高煤岩体整体强度和钻孔周围局部的抗压和抗拉强度。对比不同水平约束条件下各监测点应力—应变曲线可知，水平约束的存在不会影响钻孔内部变形规律。即应力—应变曲线总体发展趋势不会发生变化，钻孔水平位置仍会产生拉应变，竖直位置产生压应变，随着孔深的增加，钻孔内部应变呈现不断衰减趋势，并且在孔口位置出现“小孔口”应力集中现象。但一定程度水平约束的存在，增大了钻孔内部的抗变形能力，相比于无水平约束条件下，钻孔出现失稳破坏时的压力值明显增大，2 MPa 水平约束条件下破坏时压力值约为1 MPa水平约束条件下破坏时2倍。

（2）对比1 MPa 与2 MPa 条件下各应力应变曲线发现，随着水平约束程度的加剧，孔壁破坏初始阶段应变敏感性显著降低，即施加相同载荷，应变值明显变小，水平约束2 MPa、孔深25 mm 时表现最为明显，初始阶段应力—应变曲线近似为一竖直曲线。说明水平约束达到一定程度时，抑制效应显著增强，初始应变发生条件增加，水平约束2 MPa、孔深25 mm 时产生裂纹，应变明显，所需应力为无约束条件下钻孔破坏应力值1.25倍。