李 兵，凡永鵬，郝晉偉，楊偉東

(1.山西高河能源有限公司 瓦斯研究室， 山西 長(zhǎng)治 046100； 2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院， 北京 100013)

鉆孔瓦斯抽采是目前煤礦井下瓦斯災(zāi)害防治和煤層氣資源開發(fā)的主要工程方法[1-4]，約占井下抽采瓦斯總量的90%以上。鉆孔密封是鉆孔瓦斯抽采的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，直接決定著抽采瓦斯的濃度、成本和效率[5-6]. 高河能源有限公司3#煤層屬高瓦斯、低滲透性、軟弱結(jié)構(gòu)煤層，單孔平均瓦斯涌出量低，抽采難度大。目前該礦井主要采用膨脹水泥+囊袋為主的“兩堵一注”式帶壓封孔技術(shù)，但受膨脹水泥材料黏度變化及固結(jié)物等物理力學(xué)性質(zhì)影響，鉆孔密封質(zhì)量不穩(wěn)定，抽采瓦斯?jié)舛日w偏低。同時(shí)，鉆孔密封段是由煤-膨脹水泥材料-抽采管路組成的典型層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)體，在應(yīng)力作用下煤體和水泥封孔材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處極易產(chǎn)生徑向和切向不協(xié)調(diào)變形，鉆孔密封段異質(zhì)結(jié)構(gòu)損傷破壞，裂隙貫通，導(dǎo)致鉆孔密封性進(jìn)一步降低[7-8]，高濃度瓦斯抽采周期縮短，嚴(yán)重影響了該礦井瓦斯抽采效率和抽采瓦斯利用率。因此，通過(guò)分析膨脹水泥+囊袋式“兩堵一注”鉆孔密封工藝存在的問(wèn)題，并提出新的工藝方法，以提升該礦井鉆孔抽采瓦斯?jié)舛群托?，增加瓦斯利用量?/p>

1 膨脹水泥物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試

膨脹水泥基材料屬典型的水性無(wú)機(jī)類材料，是目前高河能源井下瓦斯抽采鉆孔密封工程中使用的主要注漿材料。為厘清鉆孔密封材料性質(zhì)對(duì)密封質(zhì)量的影響作用，分別對(duì)其析水率、膨脹率、黏度和強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試分析，具體如下：

1) 析水率及膨脹率。以高河能源井下膨脹水泥封孔材料為測(cè)試對(duì)象，按照不同水灰比測(cè)試其析水率和膨脹率，其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 不同水灰比下析水率及膨脹率表

由表1可看出，水灰比由1∶0.8增加至1∶1.5時(shí)，膨脹水泥材料固結(jié)后的體積膨脹率為3.75%～26.25%，即使水灰比為1∶0.8時(shí)，其膨脹率為3.75%. 而井下通常采用水灰比為1∶1.1左右的漿液作為密封漿液，其固結(jié)物在理論上可對(duì)密封段空間進(jìn)行完全充填，但其抽采瓦斯?jié)舛热云毡檩^低，說(shuō)明其對(duì)鉆孔圍巖裂隙的充填性較差，從而導(dǎo)致鉆孔圍巖裂隙發(fā)生漏氣。

2) 黏度。取與析水率及膨脹率測(cè)試相同的膨脹水泥封孔材料，利用NDJ-8T黏度計(jì)分別對(duì)水灰比為1∶1、1∶1.3和1∶1.5的水泥漿液的黏度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 不同水灰比膨脹水泥黏度參數(shù)表

由表2可看出，當(dāng)水灰比為1∶1時(shí)，其初始黏度為706 mPa·s，4 min內(nèi)黏度增加45%，且隨著水灰比的增大，膨脹水泥漿液黏度上升速度加快；當(dāng)水灰比為1∶1.5時(shí)，同比黏度增加3.8倍。因此，膨脹水泥快速上升的黏度造成漿液材料難以滲入鉆孔圍巖裂隙，使裂隙充填密封性差，漏氣增加。

3)單軸抗壓強(qiáng)度。該次測(cè)試主要觀測(cè)膨脹水泥力學(xué)性質(zhì)，選取水灰比為1∶1.3的膨脹水泥固結(jié)物，采用TAW-2000型電液伺服試驗(yàn)機(jī)對(duì)其自下而上不同位置進(jìn)行分層單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試，其參數(shù)見(jiàn)表3.

表3 不同分段試件單軸抗壓強(qiáng)度表

由表3可知，在膨脹水泥膠凝過(guò)程中，受重力作用影響，其固結(jié)體具有明顯的力學(xué)分層現(xiàn)象，其最上部分僅為最先部分的二分之一，即與鉆孔最上接觸部分強(qiáng)度較低，受引力作用更容易形成損傷裂隙，也是后期鉆孔密封濃度降低的主要原因之一。

2 相變凝膠材料簡(jiǎn)介

瓦斯抽采鉆孔密封主要包括注漿、滲透、密封3個(gè)階段，如果考慮抽采設(shè)備回收，則需要對(duì)材料實(shí)現(xiàn)降解，即增加降解階段。4個(gè)階段對(duì)材料的性能需求不同，例如注漿階段的環(huán)保低量化，滲透階段的低黏低阻，密封階段的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)密封和降解階段的環(huán)?？山到獾?，因此需要密封材料漿液隨時(shí)間具有不同的物理力學(xué)性能。因此，煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司開發(fā)了環(huán)保型相變凝膠鉆孔密封材料。

相變凝膠(簡(jiǎn)稱PCG)鉆孔密封材料利用水溶性高分子凝膠材料作為漿液材料，通過(guò)人為控制凝膠材料水溶液的凝膠點(diǎn)，使材料漿液可以在不同的時(shí)間段內(nèi)發(fā)生不同的物理相變反應(yīng)，進(jìn)而適應(yīng)整個(gè)鉆孔瓦斯抽采過(guò)程對(duì)密封材料低阻注漿、低黏滲透、高黏膠結(jié)、動(dòng)態(tài)密封及綠色降解等特性的需求，這些不同階段的特性也是相變凝膠鉆孔密封理論“相變”核心思想的體現(xiàn)。相變凝膠與水泥基材料的固結(jié)物對(duì)比見(jiàn)圖1.

圖1 不同鉆孔密封材料的固結(jié)物圖

由于相變凝膠固結(jié)物為類固態(tài)水性凝膠材料，主要采用黏度特征參數(shù)對(duì)其進(jìn)行表征，材料相關(guān)性能參數(shù)見(jiàn)表4.

表4 相變凝膠鉆孔密封材料性能參數(shù)表

由表4可知，在30 min內(nèi)，相變凝膠材料的初始黏度小于50 mPa·s，僅為水灰比為1∶1膨脹水泥材料漿液的7%左右，具有明顯的滲透性和可注性。

3 試驗(yàn)概況及結(jié)果分析

1) 試驗(yàn)地點(diǎn)概況。高河能源3號(hào)煤層瓦斯賦存條件具有明顯的“南低北高，東低西高”分布特征。該次試驗(yàn)地點(diǎn)為W3305工作面膠帶順槽，位于礦井西三盤區(qū)，小構(gòu)造發(fā)育，平均煤層瓦斯含量為10 m3/t，煤層瓦斯壓力0.68 MPa，煤層透氣性系數(shù)為0.098 m2/MPa2·d，屬典型難抽采煤層。同時(shí)，試驗(yàn)地點(diǎn)煤體最大單軸抗壓強(qiáng)度3.025 MPa，彈性模量為0.984 GPa，屬于力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較低的煤體，因此鉆孔易出現(xiàn)變形失穩(wěn)現(xiàn)象。

2) 密封工藝及相關(guān)參數(shù)。該次試驗(yàn)采用膨脹水泥材料+囊袋為堵頭和PCG鉆孔密封材料為注漿材料的“兩堵一注”帶壓注漿封孔工藝，具體鉆孔及密封施工參數(shù)見(jiàn)表5.

表5 試驗(yàn)鉆孔相關(guān)參數(shù)表

此外，本次試驗(yàn)過(guò)程中注漿壓力均在0.5 MPa以上后停止，其中兩端堵頭長(zhǎng)度合計(jì)2 m，注漿段長(zhǎng)度為12 m.

3) 試驗(yàn)結(jié)果分析。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集主要采用CJZ4Z瓦斯參數(shù)綜合測(cè)量?jī)x對(duì)各組鉆孔進(jìn)行分組連續(xù)測(cè)定。CJZ4Z鉆孔匯流管瓦斯綜合參數(shù)測(cè)定儀是一種煤礦井下瓦斯抽采參數(shù)專用測(cè)定儀，其能夠?qū)︺@孔及匯流管內(nèi)甲烷濃度、流量、管道壓力、管道氣體溫度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示和保存。W3305膠帶順槽N121和N122組鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖2.

圖2 N121和N122組鉆孔瓦斯抽采參數(shù)圖

由圖2可知，與膨脹水泥材料密封的鉆孔相比，采用相變凝膠(PCG)材料密封的鉆孔在瓦斯抽采濃度上得到較大提升，平均增加2倍，平均抽采瓦斯純量提高1.5倍；且在抽采100 d內(nèi)，平均抽采瓦斯?jié)舛热员３衷?6.44%以上，具有明顯提濃效果。這主要是由于相變凝膠鉆孔密封材料的初期低黏特性可以較好地滲入鉆孔圍巖裂隙中，并在凝膠化以后與孔周破碎煤體進(jìn)行膠結(jié)，從而有效提高破碎圍巖的內(nèi)聚力并增加其滑動(dòng)摩擦阻力，一定程度上延緩和降低了圍巖裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展和劣化；同時(shí)，由于相變凝膠鉆孔密封材料為膠體材料，可自適應(yīng)鉆孔變形，對(duì)圍巖變形可起到補(bǔ)償?shù)淖饔?，增加了鉆孔密封段后期的密封性。因此，相變凝膠鉆孔密封材料的密封性整體優(yōu)于膨脹水泥基鉆孔密封材料。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)高河能源“兩堵一注”鉆孔密封工藝進(jìn)行分析及優(yōu)化得出以下結(jié)論：

1) 膨脹水泥材料具有良好膨脹能力和體積補(bǔ)償作用，但其初始黏度較大且上升速度快，在固結(jié)后自下而上出現(xiàn)明顯的力學(xué)分層現(xiàn)象。

2) 相變凝膠具有較低的初始黏度和較高的凝膠黏度，且凝膠點(diǎn)在30 min內(nèi)可調(diào)，可為注漿和滲透過(guò)程提供充足的時(shí)間，同時(shí)其高黏柔性凝膠還可對(duì)鉆孔圍巖進(jìn)行良好的黏結(jié)密封和自適應(yīng)鉆孔動(dòng)態(tài)變形。

3) 與膨脹水泥材料密封相比，采用相變凝膠材料密封后，組孔平均抽采瓦斯?jié)舛群土髁糠謩e提高2倍和1.5倍，且抽采瓦斯?jié)舛仍?00 d內(nèi)可保持在56.44%以上。