瓦斯抽采鉆孔封孔段注漿密封全過程分析

楊偉東，霍中剛，舒龍勇，郝晉偉，凡永鵬，薛文濤

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

鉆孔瓦斯預(yù)抽是治理瓦斯災(zāi)害，安全高效利用瓦斯資源的主要技術(shù)手段，在我國大部分礦區(qū)，鉆孔抽采的濃度較低，抽采純量不高，鉆孔密封質(zhì)量的好壞，直接影響著瓦斯抽采的效果[1-2]。瓦斯抽采鉆孔密封段是由煤-封孔材料-抽采管路組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，煤體與封孔材料性質(zhì)存在差異，在應(yīng)力作用下異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處產(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，鉆孔密封性降低[3-4]。目前廣泛使用的鉆孔封孔工藝是“兩堵一注”帶壓注漿封孔法，注漿封孔的目的是將具有膠結(jié)性能的材料注入鉆孔煤體的孔裂隙中，將破碎的煤體裂隙膠結(jié)為一個(gè)整體，形成一個(gè)具有較高強(qiáng)度，防滲漏且穩(wěn)定性好的結(jié)石體[5]。目前的瓦斯抽采鉆孔封孔材料包括水泥基類、聚氨酯類、高分子類等，而使用最為廣泛的封孔材料是水泥基類封孔材料[6]。封孔材料的性質(zhì)直接影響著鉆孔密封質(zhì)量的好壞。劉超[7]等研究表明在以羰基鐵粉為主要溶質(zhì)的漿液中加入一定量Fe3O4，可大幅度降低密封漿液沉降率，且材料膠結(jié)后磁性強(qiáng)度越大的區(qū)域，內(nèi)部破裂越明顯。趙耀耀[8]等通過實(shí)驗(yàn)改變鋁酸鹽水泥的摻入量，探究鋁酸鹽水泥摻入量對(duì)材料流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間、膨脹量和抗壓強(qiáng)度的影響。王志明[9]等以水泥基材料為對(duì)比樣, 表征了二次膨脹材料膨脹力及微觀結(jié)構(gòu)。劉長武[10]、吳懷國[11]、王志[12]等研究了水泥材料對(duì)巖石結(jié)構(gòu)的影響及水泥漿材加固后裂隙試樣的破壞機(jī)理和力學(xué)性能。眾多學(xué)者對(duì)鉆孔密封性劣化及封孔材料的性質(zhì)進(jìn)行了研究，瓦斯抽采鉆孔封孔過程中封孔材料性質(zhì)對(duì)瓦斯抽采鉆孔密封性具有重要的影響。因此，從封孔材料前期注漿、中期注漿完成及后期封孔材料凝固后全過程分析封孔材料性質(zhì)對(duì)鉆孔密封性的影響。水泥基封孔材料現(xiàn)階段大范圍應(yīng)用于瓦斯抽采鉆孔密封工藝，研究水泥基類封孔材料漿液的流動(dòng)性、膨脹性、析水性及后期漿液凝固后的強(qiáng)度特性對(duì)瓦斯抽采鉆孔密封性的影響，這對(duì)于進(jìn)一步分析鉆孔漏氣影響因素，提高鉆孔密封質(zhì)量及抽采效率具有重要作用。

1 封孔材料性質(zhì)測試原理及方法

井下瓦斯抽采鉆孔封孔作業(yè)流程一般需要30 min，在漿液攪拌均勻后進(jìn)行注漿作業(yè)，而注漿作業(yè)一般持續(xù)時(shí)間為10～15 min，因此水泥基材料在攪拌均勻后前10～15 min 內(nèi)的流動(dòng)特性、黏度變化影響著鉆孔的封孔質(zhì)量，同時(shí)封孔材料的膨脹率、析水率及封孔后期材料的強(qiáng)度對(duì)鉆孔的密封性也會(huì)產(chǎn)生影響。分別測試不同水泥基封孔材料的10 min 初始黏度曲線、24 h 膨脹率、24 h 析水率、密度及強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)。

黏度是物質(zhì)的一種物理化學(xué)性質(zhì)，物體在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到摩擦阻力和壓差阻力，造成機(jī)械能的損耗。黏度是流體黏滯性的一種量度，是流體流動(dòng)力對(duì)其內(nèi)部摩擦現(xiàn)象的一種表示。黏度大表示內(nèi)摩擦力大，分子量越大，碳?xì)浣Y(jié)合越多。水泥漿液是一種典型的非牛頓流體，實(shí)驗(yàn)測試水泥基漿液黏度采用NDJ-8T 型數(shù)字顯示黏度計(jì)，旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)工作原理如圖1。

圖1 旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)工作原理Fig.1 Working principle of rotary viscometer

旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)工作時(shí)，轉(zhuǎn)子在無級(jí)變速電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力下繞中心軸勻速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子在被測流體中由于受到黏滯阻力將產(chǎn)生反作用力，通過扭矩與流體黏滯阻力動(dòng)態(tài)平衡達(dá)到測量流體黏度的目的，數(shù)字黏度計(jì)通過扭矩傳感器將扭矩轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)[13]。膨脹率是指物質(zhì)在因某種原因膨脹之后的體積與在正常情況下的體積之比值。析水率是指漿液體達(dá)到初凝時(shí)析出水分體積占漿體總體積的百分率。實(shí)驗(yàn)采用100 mL 量筒測試不同水泥漿液的膨脹率、析水率及密度，實(shí)驗(yàn)過程是將攪拌均勻的水泥漿液倒至量筒刻度80 mL 處，靜置24 h 后觀察記錄其液面的刻度及質(zhì)量變化，進(jìn)而計(jì)算漿液的膨脹率、析水率及密度。

2 封孔材料特性實(shí)驗(yàn)

水泥基類封孔材料已在大部分礦區(qū)推廣應(yīng)用，但不同礦區(qū)瓦斯抽采鉆孔采用的封孔水泥材料也不盡相同，為了研究水泥基類封孔材料的性質(zhì)，采集云南鎮(zhèn)雄礦區(qū)（水泥-1）、山西陽泉礦區(qū)（水泥-2）、河南平頂山礦區(qū)（水泥-3）、山西長治礦區(qū)（水泥-4）現(xiàn)場使用的專用水泥基封孔材料并編號(hào)，對(duì)不同水泥基封孔材料的凝結(jié)時(shí)間、黏度、強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行測試，從水泥漿液注漿到固結(jié)全過程分析封孔材料性質(zhì)對(duì)鉆孔密封性的影響。

分別配置不同礦區(qū)水灰質(zhì)量比為1∶1、1∶1.2、1∶1.5 的水泥漿液，迅速攪拌至均勻，使用NDJ-8T 數(shù)顯黏度計(jì)測試不同水泥基材料漿液初始10 min 內(nèi)的黏度及剪切應(yīng)力變化，實(shí)驗(yàn)室溫度保持21 ℃。待黏度和剪切應(yīng)力測試完成后測試不同水泥基漿液靜置24 h 后的膨脹率、析水率、密度參數(shù)。不同礦區(qū)水泥基封孔材料特性實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果見表1。

表1 不同礦區(qū)水泥基材料特性實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果Table 1 Experimental test results of cement-based materials in different mining areas

3 瓦斯抽采鉆孔密封全過程

3.1 封孔前期注漿材料黏度對(duì)密封性的影響

井下瓦斯抽采鉆孔封孔注漿作業(yè)大概需要15 min，水灰比介于1∶1 至1∶1.5 之間。研究表明[14]：注漿材料的可注性對(duì)裂隙圍巖的填充具有重要影響，即黏度的大小影響封孔注漿，注漿阻力越大，滲透性越差。因此水泥基材料在攪拌均勻后前10～15 min內(nèi)的流動(dòng)特性、黏度變化影響著鉆孔的封孔質(zhì)量。不同礦區(qū)不同配比封孔水泥基材料黏度變化曲線如圖2。

圖2 不同礦區(qū)不同配比封孔水泥基材料黏度變化曲線Fig.2 Viscosity curves of cement-based materials with different ratios in different mining areas

由圖2 可以看出，各礦區(qū)封孔水泥材料的黏度隨時(shí)間逐漸增大，水灰比越小，黏度上升越快且最終黏度越大，但不同礦區(qū)水泥材料黏度快速上升時(shí)間（拐點(diǎn)）不同，以水灰比1∶1.2 為例，長嶺礦區(qū)水泥材料黏度在800 s 左右快速增大。山西陽泉礦區(qū)水泥材料性質(zhì)不太穩(wěn)定，黏度呈波浪狀變化，曲折上升，黏度在320 s 快速增大。河南平頂山礦區(qū)水泥材料黏度在330 s 左右快速增大。當(dāng)山西長治礦區(qū)水泥材料水灰比為1∶1、1∶1.2 時(shí)，水泥黏度上升速度緩慢，且15 min 時(shí)黏度不超過2 Pa·s，當(dāng)水灰比為1：1.5 時(shí)水泥材料黏度則在150 s 左右黏度快速增大。從黏度大小角度分析，水泥漿液水灰比為1∶1.5 時(shí)，攪拌均勻300 s 后長治礦區(qū)水泥材料的黏度可達(dá)10 Pa·s，而云南鎮(zhèn)雄礦區(qū)水泥基漿液黏度僅為0.51 Pa·s。水泥漿液黏度的上升速度過快，流動(dòng)阻力變大，漿液將不能流入到煤壁的部分孔裂隙中，將很難達(dá)到封堵孔裂隙的目的，鉆孔密封性降低。

3.2 封孔中期材料膨脹率和析水率對(duì)密封性的影響

不同水泥基材料膨脹率和析水率變化曲線如圖3。從圖3 可以看出，山西陽泉、河南平頂山礦區(qū)不同水灰比漿液的膨脹率都為1，表明其水泥基封孔材料無膨脹特性；山西長治礦區(qū)封孔材料的膨脹率隨著漿液水灰比的減小而逐漸增大，且其膨脹率都大于1，說明其封孔材料具有膨脹特性；而云南長嶺礦區(qū)封孔材料漿液則表現(xiàn)出與其他礦區(qū)不同的特性，攪拌均勻后水分從漿液中析出，水分和漿液產(chǎn)生分離現(xiàn)象，用析水率來表示水泥材料的析水特性，即隨著漿液水灰比的減小，析水率逐漸降低。

圖3 不同水泥基材料的膨脹率和析水率變化曲線Fig.3 Variation curves of expansion rate and water evolution rate of different cement-based materials

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，不同礦區(qū)水泥基封孔材料的膨脹性和析水性表現(xiàn)不同，封孔注漿作業(yè)結(jié)束后，水泥基封孔材料在膨脹劑作用下體積增大，促進(jìn)部分漿液滲入鉆孔壁裂隙，減少漏氣通道，且漿液凝固后可為鉆孔圍巖提供一定的支護(hù)力，提高鉆孔圍巖穩(wěn)定性和完整性。若水泥基封孔材料表現(xiàn)出析水特性，封孔后期水分揮發(fā)后水泥材料與鉆孔壁貼合不嚴(yán)密形成漏氣通道，且支護(hù)作用減弱，在應(yīng)力擾動(dòng)作用下鉆孔圍巖更易變形，鉆孔密封段煤-水泥異質(zhì)結(jié)構(gòu)損傷，漏氣通道進(jìn)一步增加，鉆孔密封性降低。

3.3 封孔后期材料強(qiáng)度對(duì)鉆孔密封性的影響

為了分析水泥封孔材料后期凝固后強(qiáng)度對(duì)鉆孔密封性的影響，采集山西潞安高河能源3#煤層煤樣和現(xiàn)場專用水泥基封孔材料，制作成標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)試件，測得煤體和水泥試件的平均密度、彈性模量、泊松比、破壞載荷、單軸抗壓強(qiáng)度等參數(shù)指標(biāo)，煤單體及水泥試件基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 煤單體及水泥試件基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)Table 2 Basic mechanical parameters of coal monomer and cement specimen

煤單體及水泥單體試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線分別如圖4、圖5。從圖中可以看出，煤單體試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力峰值普遍大于水泥單體試件，而且煤單體試件的應(yīng)力跌落非常明顯，在達(dá)到峰值后快速失去支撐，試件破裂，說明了實(shí)驗(yàn)煤體試件的脆性特征；水泥試件峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)較大的橫向應(yīng)變，說明水泥試件變形較大，具有較強(qiáng)的塑性特征。

圖4 煤單體試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of coal monomer

圖5 水泥單體試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of cement monomer

學(xué)者對(duì)不同組合結(jié)構(gòu)的變形破壞特性的研究結(jié)果表明，組合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度介于2 種單體材料試件強(qiáng)度之間[15-16]。瓦斯抽采鉆孔封孔段是由煤-水泥組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，煤體和水泥材料由于物理力學(xué)性質(zhì)差異其變形損傷不同，在應(yīng)力作用下，煤體和水泥在接觸面的變形不一致，交界面摩擦滑動(dòng)產(chǎn)生空隙，隨著應(yīng)力繼續(xù)增大，鉆孔密封段異質(zhì)結(jié)構(gòu)損傷破壞，密封性降低。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及煤體和水泥材料的脆性和塑性材料性質(zhì)可以看出，高河能源煤體的強(qiáng)度和硬度都大于水泥材料，而且水泥材料的泊松比大于煤體的泊松比，說明高河能源現(xiàn)場封孔水泥漿液凝固后的抗變形能力較差，在應(yīng)力擾動(dòng)作用下水泥封孔材料提供不了足夠的支護(hù)作用，鉆孔圍巖變形損傷，鉆孔封孔段煤-水泥異質(zhì)結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性降低，異質(zhì)結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育，漏氣通道貫通，鉆孔封孔斷密封性降低。若水泥材料凝固后的強(qiáng)度較煤體大、變形較煤體小，在應(yīng)力擾動(dòng)作用下，由于材料物理力學(xué)差異，鉆孔封孔段煤-水泥異質(zhì)結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性降低。在現(xiàn)場的抽采鉆孔封孔時(shí)，煤層賦存條件固定，但水泥基封孔材料的黏度、膨脹性、析水性及強(qiáng)度性質(zhì)可以改變，應(yīng)根據(jù)礦區(qū)煤層的賦存情況、煤體結(jié)構(gòu)及孔裂隙特征挑選符合煤層條件的封孔材料，提高鉆孔密封質(zhì)量，從而達(dá)到提高瓦斯抽采利用效率的目的。

4 結(jié) 語

1）水泥基封孔材料漿液的黏度隨著時(shí)間逐漸增大，水灰比越小，黏度上升越快且最終黏度越大。封孔材料前期注漿時(shí)漿液的黏度是衡量其流動(dòng)性的關(guān)鍵指標(biāo)，漿液黏度上升越快，流動(dòng)性降低越快，漿液難以封堵裂隙，鉆孔密封質(zhì)量不高。

2）封孔材料中期注漿完成后不同水泥基封孔材料表現(xiàn)出膨脹性和析水性，材料的膨脹特性可為鉆孔圍巖提供支護(hù)作用，提高鉆孔封孔段異質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和完整性，材料的析水性會(huì)造成鉆孔壁面與封孔材料分離，漏氣通道增加，密封性降低

3）從煤體及水泥試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線得出煤體表現(xiàn)出脆性特征，水泥材料表現(xiàn)出塑性特征。封孔材料后期凝固后的強(qiáng)度與煤體差異較大形成不穩(wěn)定異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在應(yīng)力擾動(dòng)作用下，不穩(wěn)定異質(zhì)結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育，密封性降低。

4）在現(xiàn)場瓦斯抽采鉆孔封孔時(shí)，煤層賦存條件一定，但水泥基封孔材料的黏度、膨脹性、析水性及強(qiáng)度性質(zhì)可以改變，應(yīng)根據(jù)礦區(qū)煤層的賦存情況、煤體結(jié)構(gòu)及孔裂隙特征挑選符合煤層條件的封孔材料，提高鉆孔密封質(zhì)量，從而達(dá)到提高瓦斯抽采利用效率的目的。