松软煤层瓦斯抽采钻孔塌孔失效特性及控制技术基础

松软高瓦斯煤层在我国分布广。我国煤与瓦斯动力灾害产生的“温床”就是松软煤层，其防治措施主要是井下钻孔预抽瓦斯。受煤体硬度小的影响，松软煤层瓦斯抽采钻孔易变形、坍塌，极大降低了瓦斯抽采效率，严重限制了矿井瓦斯抽采达标进程。本文以松软煤层瓦斯抽采钻孔失稳为研究对象，通过理论模型、数值模拟、相似实验和现场试验的方法，对松软煤层坍塌失效机制和控制方法开展了系统的理论和技术研究。 建立了基于孔隙流体渗流的钻孔坍塌失效的线弹性模型，得出了松软煤层坍塌压力随瓦斯渗流的衰减规律，分析了煤层基本力学参数、流体渗流和钻孔轨迹的空间方位等因素对钻孔坍塌失效的影响：①对于煤层流体压力大的钻孔，初始坍塌风险大，但坍塌压力衰减的速率快，到达稳定的时间短，应在其抽采初期对孔壁加强临时支护；②当钻孔倾角小于60°时，钻孔方位角为35°的钻孔稳定性最差；当钻孔倾角大于60°时钻孔方位角为90°的钻孔稳定性最差；③对于钻进需要穿过软弱夹层、复杂地质构造带的钻孔，钻进角度调整为22.5°时最稳定。 考虑损伤对煤体破坏过程力学参数的影响，引入能够反映软煤加速蠕变的非线性蠕变元件，建立了软煤粘弹塑性非线性蠕变本构方程。结合实验室松软煤体原煤试样的单轴压缩蠕变试验对蠕变元件的流变参数进行了辨识，探讨了关键元件的特征参数对模型蠕变特性的影响规律。 研究了裸孔和支护钻孔围岩应力场及其蠕变特性，分析了埋深、侧压系数、孔隙压力等参数对钻孔变形破坏的影响规律：①埋深超过600m以后钻孔围岩蠕变速度开始加快，垂直位移及塑性区范围急剧增大，钻孔开始缩径。②当侧压系数超过1.2以后，最大主应力与最小主应力差值在顶、底部，容易造成煤体剪切破坏而塌孔。③孔隙压力的增加，会造成钻孔围岩垂直位移也逐渐增加，但对最大垂直应力最大值和塑性区的发展影响不大。④随着护孔管支撑强度的增加，围岩垂直位移逐渐减小，声发射信号强度减弱，钻孔垂直应力集中系数和最大垂直应力作用点与孔壁距离减小。 依据钻孔的形变程度对瓦斯抽采流量的影响，将钻孔稳定性进行了等级划分。针对Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级钻孔提出了“协同式”、“分步式”和“推进式”护孔方法。开发出了磁吸牙片限位反转式钻头和内附导向衬管式钻杆，现场试验了协同式钻护体化技术。结果表明，使用新技术的钻孔单孔平均百米纯流量比矿方工艺钻孔提高了2倍。