中国软煤层瓦斯抽采钻孔失稳机制与控制技术综述

《ACS Omega》：A Review of Instability Mechanisms and Control Technologies for Gas Drainage Boreholes in Soft Coal Seams in China

　　

在中国，软煤层占所有煤层的50%以上。软煤层钻孔的失稳和破坏是导致中国平均瓦斯抽采率低于30%的关键因素，这已成为安全高效采煤的“瓶颈”。基于Web of Science Core Collection数据库截至2025年4月30日的247篇文章，本综述使用CiteSpace文献计量分析将研究分为三个不同的时间阶段：探索阶段（2007–2012年）、快速发展阶段（2013–2019年）和精细研究阶段（2020年至今）。此外，对包含九个钻孔稳定性关键影响因素在内的五个类别进行了深入分析。在失稳防控领域，全面评估了钻孔建设期和服务期的技术工艺及其优缺点。具体而言，在建设期，涵盖了三类化学注浆加固方法和八类钻探技术。在服务期，本综述重点关注三类钻孔失稳控制技术，包括筛管物理支撑、多孔材料回填和智能监测。最后，指出了当前五个关键瓶颈，并提出了六个发展方向。

煤炭仍在中国能源结构中占据主导地位，作为其伴生资源的煤矿瓦斯（CMM）主要由CH₄组成，是一种清洁能源。然而，CMM具有多重危害特性，不仅易引发严重安全事故，且在百年尺度上其温室效应超过CO₂的20倍，对臭氧层的负面影响也远超CO₂，严重制约中国“双碳”战略实施。目前，CMM预抽采是CMM控制的关键技术途径，不仅能有效预防煤与瓦斯突出，还能作为清洁能源开发途径并减少甲烷排放。然而，中国煤矿平均CMM抽采率仍低于30%，主要受限于复杂地质条件，其中超50%的煤层属于破碎软煤层。这些煤层具有固有强度低、裂隙发育、流变行为等特点。在原岩应力和采矿扰动影响下，CMM抽采孔极易发生失稳、变形甚至塌孔。随着煤炭开采向深部转移，原岩应力、瓦斯压力和温度升高，进一步弱化了钻孔围岩稳定性。为系统解决CMM抽采孔失稳并提高抽采效率，研究人员开展了全面综述。该研究系统梳理了CMM抽采孔失稳的文献，构建了“机制-技术-瓶颈-前景”的技术路线图，旨在为解决钻孔失稳提供全面的理论和技术参考，该论文发表在《ACS Omega》。

研究人员基于Web of Science Core Collection数据库（检索时间截至2025年4月30日），以钻孔稳定性和失稳相关主题词检索获得文献，人工筛选后保留了247篇相关研究。利用CiteSpace软件进行了文献计量可视化分析，生成了国际科研合作网络图、关键词共现图、聚类图及突现检测图等知识图谱。在机制与影响因素研究中，广泛采用理论建模、数值模拟（如离散元方法）和实验验证等手段，评估了不同因素对钻孔稳定性的影响。在技术评价方面，对现场试验数据和工程应用案例进行了综合分析。

2. Instability Mechanisms and Influencing Factors Analysis of CMM Drainage Boreholes
2.1. Instability Mechanisms Research of CMM Drainage Boreholes
基于文献计量可视化分析，将失稳机制研究分为三个阶段。2007–2012年的探索阶段：主要通过构建力学模型分析破坏模式和失稳准则，以单因素研究为主，忽略了多物理场耦合效应。2013–2019年的快速发展阶段：从单因素分析转向多因素耦合分析，采用理论建模和数值模拟研究采矿活动、应力路径等影响，揭示了失稳是多种因素耦合作用的结果。2020年至今的精细研究阶段：呈现多场耦合分析、深部复杂地质环境研究、智能技术应用和煤岩体断裂动态演化分析四大特点，建立了损伤-应力-渗流耦合模型等。

2.2. Influencing Factors of CMM Drainage Borehole Instability
2.2.1. Geological Structure
研究表明，断裂带、褶皱、岩溶陷落柱和断层等地质构造会引发应力异常、煤层厚度变化和煤体破碎，极易导致钻孔失稳。特别是在断层等地质复杂区域，岩性突变形成的异常软硬过渡带极易引发钻孔失稳和卡钻。

2.2.2. Surrounding Rock Stress
钻孔失稳主要源于剪切破坏。原岩应力随埋深增加而上升，当侧压系数超过1时，会加剧煤岩体挤压破坏。采矿扰动应力导致钻孔周围形成应力降低区、峰后应力增加区等，其中应力降低区和峰后应力增加区的煤体强度低，最易发生失稳。瓦斯压力作为体积力引发膨胀效应，其升高会降低煤样抗压强度和弹性模量，并与钻孔最大垂直位移呈正相关，延长钻孔失稳风险期。

2.2.3. Mechanical Properties of Coal Mass
中国软煤层经历了多次构造运动，具有单轴抗压强度低于5.0 MPa、强塑性、低内摩擦角和低渗透率等特征，导致流变变形更为剧烈，钻孔变形发展迅速，易在短时间内发生全孔坍塌堵塞。

2.2.4. Engineering Factors
2.2.4.1. Borehole Construction
钻杆受轴向推力等综合作用易弯曲，增加对孔壁的机械扰动。钻速过快不仅增加对孔壁的扰动，还大幅增加岩粉产量，易导致排粉通道堵塞并诱发失稳。孔径增大使岩体弹性储能极限降低，塑性变形加剧。
2.2.4.2. Support Conditions
无筛管支护时位移显著增大。筛管能稳定断层带煤体并缓解应力集中，使稳定性至少提高40%。注浆加固材料能主动支撑孔壁，维持长期高浓度瓦斯抽采。

2.2.5. Environmental Factors
2.2.5.1. Coal Seam Temperature
温度升高促进瓦斯解吸，并增加煤的蠕变应变。持续高温会生成大量微裂纹并累积内部损伤，弱化煤的承载和储能能力，易引发围岩储能结构破坏。
2.2.5.2. Moisture Content of Coal Mass
水分对煤体力学性质具有双向调节作用。适度水分可通过颗粒间液桥力增强强度，但超过9%的临界值后，水分的物理侵蚀和软化作用会大幅降低抗压强度、弹性模量等力学参数，增加蠕变变形风险。

3. Instability Control Technologies for CMM Drainage Boreholes in Soft Coal Seams
3.1. Transient Instability Prevention Technologies during Borehole Construction Period
3.1.1. Grouting Reinforcement
Zhai et al.提出了区域固化成孔技术，Jiang et al.提出了“同心圆”注浆加固技术，Li et al.研究了随钻注浆技术。这些技术能有效填充裂隙、提高煤岩体稳定性，但存在工序复杂、施工周期长、成本高且对注浆材料透气性关注不足的问题。
3.1.2. Specialized Drilling Techniques
涵盖中压空气钻进、空气泡沫钻进、高速螺旋钻进、双管双作用定向钻进等八类技术。这些技术解决了孔壁失稳、岩粉排出和轨迹控制难题，但部分技术仍存在设备复杂、钻进效率低或仍处于样机测试阶段等问题。

3.2. Creep Damage Arresting Technologies during Borehole Service Period
3.2.1. Screen Pipe Support
包括裸眼下筛管和随钻杆起拔下筛管技术。后者能实现全孔段保护，大幅提高抽采效率，但存在管径受限、易被压扁变形和筛孔易被煤粉堵塞等问题。
3.2.2. Backfilling with Porous Material
Cheng最先提出“多孔材料回填护孔”方法，利用泡沫混凝土等材料回填钻孔。在塌孔后能显著提高瓦斯混合流量和纯瓦斯流量，有效保证抽采通道畅通，但在未塌孔前其透气性不如筛管，可能阻碍负压传输。
3.2.3. Intelligent Monitoring
Zhao et al.使用了电阻应变计，Cheng et al.布置了光纤光栅（FBG）传感器，Xiao et al.采用了布里渊光时域分析技术（BOTDA）等手段，实现了从点监测、断面监测到全孔连续监测的演进，能定量评估塌孔严重程度，为精准支护提供理论基础，但目前主要处于实验室研发阶段。

4. Technical Bottlenecks Analysis and Future Prospects
现有研究系统揭示了CMM抽采钻孔的失稳机制，并阐述了地质构造、围岩应力、煤体力学性质、工程因素和环境因素对钻孔失稳的影响。对现有钻孔稳定性控制技术的综合评述表明，应用化学注浆、钻探技术、筛管物理支撑、多孔材料回填和监测技术可显著延长钻孔使用寿命并提高CMM抽采效率。然而，当前研究仍存在一些技术瓶颈：深部多场耦合失稳机制尚不明确；实时监测与预警技术不够成熟；筛管透水性与强度平衡机制不清晰；回填护孔材料透气性不足；钻孔疏通技术缺乏成熟度。针对这些挑战，未来研究应聚焦以下方向：建立考虑应力、瓦斯渗流、热效应和水力效应的深部钻孔失稳多场耦合模型；开发与现有CMM抽采参数监测设备集成的智能监测预警系统；研发高强度防堵塞耐腐蚀合金或复合材料筛管；开发可膨胀多孔护孔材料；基于实际煤层工况反演护孔材料性能指标；以及研发适用于井下作业的微型智能钻孔疏通技术与装备。