固結(jié)軟煤層瓦斯抽采鉆孔周圍裂隙的彈性膠結(jié)材料研制

魯 義，谷旺鑫，丁仰衛(wèi)，李修磊，李 亮

（1.湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué)南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；3.山東魯泰控股集團(tuán)有限公司鹿洼煤礦，山東 濟(jì)寧 272350）

0 引 言

在高瓦斯松軟煤層中，通過鉆孔抽采瓦斯是降低瓦斯壓力，消除煤與瓦斯突出災(zāi)害，同時(shí)實(shí)現(xiàn)瓦斯資源清潔利用的有效手段之一［1-3］。 但是在高瓦斯松軟煤層中施工鉆孔或利用鉆孔抽采瓦斯過程中，受地應(yīng)力和瓦斯壓力的影響，極易發(fā)生噴孔［4］、堵孔［5］、塌孔［6］等鉆孔孔壁失穩(wěn)問題。 鉆孔失穩(wěn)將導(dǎo)致鉆孔成孔率降低［7-8］，鉆孔深度不足［9］，影響后續(xù)的瓦斯抽采效率，甚至誘發(fā)工作面煤與瓦斯突出事故［10］。

目前，井下常采用注漿材料來固化鉆孔周圍的裂隙，保證鉆孔孔壁穩(wěn)定，因此，國內(nèi)外對(duì)煤體固化材料的研究也得到了迅速發(fā)展［11-12］。 黃志安等［13］以水泥和聚合物乳液為原料，復(fù)配出一種用于煤體加固、黏結(jié)性能好、力學(xué)性能強(qiáng)、成本低的復(fù)合漿液；王強(qiáng)等［14］研制了一種改性液，并對(duì)加入了改性液的水泥基注漿材料的物理力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)；謝春鵬等［15］研制了新型“聚氨酯-水玻璃”雙液注漿材料，并進(jìn)行了注漿材料加固煤體模型試驗(yàn)；張鈞祥等［16］以樹脂、交聯(lián)劑和發(fā)泡劑等原料，制備出一種力學(xué)強(qiáng)度高、黏度低，膨脹性能好的新型高分子材料，并開展了堵漏模擬試驗(yàn)；劉小鵬［17］以煤巖鉆屑為原料，配以其他材料制備出一種復(fù)合材料，并通過正交試驗(yàn)得到了復(fù)合材料的最優(yōu)配比；楊政鵬等［18］以硅酸鹽和有機(jī)乳液為原料，制備出了復(fù)合漿液，并對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)復(fù)合漿液與煤體有良好的黏結(jié)性。

綜上所述，現(xiàn)有的注漿材料大多數(shù)是水泥基材料或高分子材料，存在脆性大、耐久性差、容易收縮、彈性差等問題，在鉆孔周圍應(yīng)力和瓦斯壓力的反復(fù)作用下，容易發(fā)生位移斷裂，形成裂縫，影響固化效果。 基于此，以聚二甲基硅氧烷為基料，制備出一種用于煤層裂隙固結(jié)的彈性膠結(jié)材料，該材料兼具彈性好和煤固結(jié)體力學(xué)強(qiáng)度較高的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)⑺缮⒚后w黏結(jié)起來，對(duì)防治鉆孔失穩(wěn)問題具有借鑒意義。

1 彈性膠結(jié)材料預(yù)防鉆孔失穩(wěn)原理

彈性膠結(jié)材料滲透到煤層中較小的裂隙和孔隙后，會(huì)膠結(jié)鉆孔周圍松軟的煤體，改變松軟煤體易破碎的特點(diǎn)，增大了煤體的強(qiáng)度；抽采鉆孔施工或抽采瓦斯過程中，彈性膠結(jié)材料受力發(fā)生變形，延長(zhǎng)了材料受沖擊的時(shí)間，由動(dòng)量定理Ft＝mv2-mv1可知，材料所受到的力會(huì)減??；彈性材料不同位置所受到的力之間會(huì)有部分相互抵消，直至恢復(fù)新平衡；同時(shí)彈性材料可以吸收鉆孔周圍的部分沖擊能量，承受鉆孔周圍應(yīng)力和瓦斯壓力的反復(fù)作用，從而減小地應(yīng)力和瓦斯壓力對(duì)鉆孔壁的影響，如圖1 所示。

圖1 彈性膠結(jié)材料預(yù)防鉆孔失穩(wěn)示意Fig.1 Schematic of prevention of borehole instability by elastic cemented material

2 彈性膠結(jié)材料制備與性能測(cè)試

2.1 主要材料及儀器

試驗(yàn)中所用到的原料包括：聚二甲基硅氧烷，含氫硅油，二丁基二月桂酸錫，聚丙烯纖維，秸稈纖維，纖維素酶。 試驗(yàn)中所用到的儀器包括：STA449F3（WDW-100C）型萬能材料試驗(yàn)機(jī)、UTP-313 型電子精密天平、BT1600 型顆粒分析儀、JSM-6610LV 型掃描電子顯微鏡。

2.2 彈性膠結(jié)材料的制備

1）制備彈性膠結(jié)材料。 首先將聚二甲基硅氧烷和含氫硅油按照比例加入燒杯中，以150 r／min的速度勻速攪拌，攪拌過程中依次加入聚丙烯纖維和經(jīng)過纖維素酶預(yù)處理的秸稈纖維，最后加入二丁基二月桂酸錫，攪拌3 min，混合均勻后，即制得彈性膠結(jié)材料。

2）制備試樣。 將經(jīng)過攪拌的彈性膠結(jié)材料倒入到模具中，24 h 后脫模取出試樣。

2.3 性能測(cè)試

拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率按GB／T 528—2009 測(cè)試，彈性模量由5%應(yīng)變下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率計(jì)算得出；壓縮性能按GB／T 7757—2009 測(cè)試；透氣性按GB／T 7755—2003 測(cè)試；采用JSM-6610LV 型掃描電子顯微鏡觀察彈性膠結(jié)材料斷面形貌；采用BT1600 型顆粒分析儀觀察秸稈纖維在彈性膠結(jié)材料中的分散情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 單因素試驗(yàn)

1）聚丙烯纖維摻量對(duì)彈性膠結(jié)材料力學(xué)性能的影響，使用聚丙烯纖維作為彈性膠結(jié)材料的補(bǔ)強(qiáng)劑，其摻量為0 ～1.2%，固定秸稈纖維摻量為1.0%，研究不同聚丙烯纖維摻量對(duì)材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果如圖2 和圖3 所示。

圖2 彈性膠結(jié)材料拉伸性能隨聚丙烯纖維摻量的變化Fig.2 Change of tensile properties of elastic cemented material with content of polypropylene fiber

圖3 不同聚丙烯纖維摻量的彈性膠結(jié)材料壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Compressive stress-strain curves of elastic cemented material with different contents of polypropylene fiber

圖2 和圖3 為聚丙烯纖維摻量對(duì)彈性膠結(jié)材料力學(xué)性能的影響。 由圖2 可知：隨著聚丙烯纖維摻量的增加，彈性膠結(jié)材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均先增大后減小。 彈性模量隨著聚丙烯纖維摻量的增加而逐漸增加。 當(dāng)聚丙烯纖維摻量在0.3%～0.9%時(shí)，彈性膠結(jié)材料具有良好的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。

由圖3 可知，不同聚丙烯纖維摻量下彈性膠結(jié)材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律相似：在應(yīng)變?yōu)? ～10%時(shí)，由于膠體孔隙發(fā)生變形，壓縮應(yīng)力很小；當(dāng)應(yīng)變?yōu)?0%～50%時(shí)，壓縮應(yīng)力緩慢增長(zhǎng)，壓縮能量被膠體吸收；當(dāng)應(yīng)變超過50%時(shí)，彈性膠結(jié)材料被壓成密實(shí)結(jié)構(gòu)，壓縮應(yīng)力迅速增加。

因此，在彈性膠結(jié)材料基體中摻入一定量的聚丙烯纖維，能夠增強(qiáng)彈性膠結(jié)材料的力學(xué)性能，如圖4 所示，聚丙烯纖維可以作為連接材料橋接彈性膠結(jié)材料內(nèi)部不連續(xù)的區(qū)域，同時(shí)，聚丙烯纖維表面粗糙，通過黏結(jié)更多的膠體增大聚丙烯纖維脫膠的阻力［19］。 而隨著聚丙烯纖維摻量的增加，其在膠體中的分散性變差，且聚丙烯纖維增加會(huì)導(dǎo)致膠體排泡難度增加，從而影響彈性膠結(jié)材料的性能，導(dǎo)致其力學(xué)強(qiáng)度和彈性變差。

圖4 聚丙烯纖維微觀結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstructure of polypropylene fiber

2）秸稈纖維摻量對(duì)彈性膠結(jié)材料力學(xué)性能的影響。 秸稈纖維的摻量為0 ～2%，固定秸稈纖維摻量為0.6%，研究不同秸稈纖維摻量對(duì)材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果如圖5 和圖6 所示。

圖5 彈性膠結(jié)材料拉伸性能隨秸稈纖維摻量的變化Fig.5 Change of tensile properties of elastic cemented material with content of straw fiber

圖6 不同秸稈纖維摻量的彈性膠結(jié)材料壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.6 Compressive stress-strain curves of elastic cemented material with different contents of straw fiber

由圖5 可知，隨著秸稈纖維摻量的增加，彈性膠結(jié)材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均先增大后減小。增加秸稈纖維的摻量，拉伸強(qiáng)度變化不明顯，而斷裂伸長(zhǎng)率則由逐漸減小，這是因?yàn)楫?dāng)秸稈纖維摻量不斷增加時(shí)，基體材料和秸稈纖維之間的內(nèi)部應(yīng)力也不斷增加，造成彈性膠結(jié)材料的脆性增強(qiáng)，彈性降低［20］。 當(dāng)摻量由0.5%增加到1%時(shí)，彈性模量變化明顯，繼續(xù)增加秸稈纖維的摻量，彈性模量無明顯變化。 當(dāng)秸稈纖維摻量在0.5%～1.5%時(shí)，彈性膠結(jié)材料具有良好的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。 由圖6 可知，不同秸稈纖維摻量下彈性膠結(jié)材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律與加入聚丙烯纖維時(shí)相似，圖7 表示不同摻量的秸稈纖維在基體中的分布情況，由圖5可知，當(dāng)摻量為0.5%和1%時(shí)，秸稈纖維在材料中的分散情況較好，而當(dāng)摻量為1.5%時(shí)，材料中的秸稈纖維開始出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，當(dāng)摻量為2%時(shí)，團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重。

圖7 不同摻量秸稈纖維在基體中的分散情況Fig.7 Dispersion of straw fiber with different contents in matrix

3.2 多因素試驗(yàn)

根據(jù)3.1 節(jié)的分析，選擇聚丙烯纖維摻量為0.3%～0.9%，秸稈纖維摻量為0.5%～1.5%的配比，研究?jī)烧邠搅繉?duì)彈性膠結(jié)材料力學(xué)性能的影響及主次關(guān)系，從而確定兩者的最優(yōu)摻量，表1 為試驗(yàn)因素與水平，表2 為試驗(yàn)結(jié)果。

表1 試驗(yàn)因素與水平Table 1 Experimental factors and levels

試驗(yàn)的目標(biāo)是拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、50%應(yīng)變處壓強(qiáng)、75%應(yīng)變處壓強(qiáng)越大越好。 從表2 中的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)聚丙烯纖維-秸稈纖維摻量分別為0.6%～1%、0.6%～1.5%、0.9%～1%時(shí)，彈性膠結(jié)材料的力學(xué)性能最優(yōu)。

表2 不同水平彈性膠結(jié)材料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Mechanical properties of elastic cemented materials at different levels

3.3 彈性膠結(jié)材料加固煤體測(cè)試

將從現(xiàn)場(chǎng)取回的煤體破碎后研磨，用標(biāo)準(zhǔn)篩篩選粒徑為2 mm 以下的煤粒進(jìn)行加固試驗(yàn)。 煤樣與彈性膠結(jié)材料的體積比為3：1，聚丙烯纖維-秸稈纖維摻量分別為0.6%～1%、0.6%～1.5%、0.9%～1%，測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 不同聚丙烯纖維-秸稈纖維摻量下煤體加固測(cè)試結(jié)果Table 3 Coal reinforcement with different contents of polypropylene-fiber straw fiber

由表3 可知，新型彈性膠結(jié)材料與煤體有良好的黏結(jié)性，將松散的煤體黏結(jié)在一起，構(gòu)成了一個(gè)整體，具有一定的力學(xué)強(qiáng)度。 當(dāng)聚丙烯纖維-秸稈纖維摻量為0.6%～1%時(shí)，彈性膠結(jié)材料與煤體的黏結(jié)效果與固結(jié)后的煤體的力學(xué)性質(zhì)最佳，回彈率最大。

圖8a—圖8d 表示的是力的加載過程，圖8e—圖8h 表示試驗(yàn)結(jié)束后，加固煤體模塊逐漸恢復(fù)的過程。 由圖8 可知，加固煤體模塊在力的加載過程中，逐漸變形，但加固后的煤體并未被完全壓潰，當(dāng)卸載后，加固煤體模塊的高度逐漸恢復(fù)至試驗(yàn)前的一半，證明加固煤體模塊具有良好的彈性。

圖8 加載與卸載過程Fig.8 Loading and unloading process

4 工程應(yīng)用

4.1 施工概況

嘉禾礦業(yè)有限公司下屬浦溪井突出礦井，煤層硬度低，鉆孔失穩(wěn)問題嚴(yán)重，瓦斯抽采效率降低。 為提高瓦斯抽采效率，礦方?jīng)Q定通過向煤層中注入彈性膠結(jié)材料來防止鉆孔孔壁失穩(wěn)。 根據(jù)嘉禾礦的實(shí)際情況，鉆孔施工地點(diǎn)選擇在2254 底板巷，孔間距為5 m，每5 個(gè)鉆孔為一單元，鉆孔布置示意圖如圖9 所示。

圖9 鉆孔布置示意Fig.9 Diagram of borehole layout

注漿工藝如圖10 所示：①用直徑為94 mm的鉆頭在巖層中施工鉆孔，待鉆頭距離煤層為1～1.5 m時(shí)，退出鉆頭；②換用直徑為24 mm 的鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)，當(dāng)鉆頭進(jìn)入煤層頂板0.5 m 后，再次停止鉆進(jìn)；③向鉆孔中注入彈性膠結(jié)材料，等待材料固化；④換用直徑為94 mm 的鉆頭在煤層中擴(kuò)孔，即完成一個(gè)鉆孔的施工，以此方法，完成整個(gè)底板巷的鉆孔工作。

圖10 注漿工藝示意Fig.10 Diagram of grouting technology

注入的彈性膠結(jié)材料中的聚丙烯纖維-秸稈纖維摻量為0.6%～1%，凝膠時(shí)間為948 s，透氣率為8.5×10-16m2／（Pa·s）。

4.2 瓦斯抽采效果分析

鉆孔施工封孔后，將每個(gè)單元的5 個(gè)鉆孔聯(lián)網(wǎng)抽采，持續(xù)60 d，其中一個(gè)單元內(nèi)的瓦斯混合流量變化如圖11 所示。 由圖11 可知，1 號(hào)鉆孔的瓦斯流量由0.061 m3／min 下降為0.023 m3／min，2 號(hào)鉆孔的瓦斯流量由0.017 m3／min 下降為0.007 m3／min，3號(hào)鉆孔的瓦斯流量由0.121 m3／min 下降為0.1 m3／min，4 號(hào)鉆孔的瓦斯流量由0.043 m3／min 下降為0.014 m3／min，5 號(hào)鉆孔的瓦斯流量由0.036 m3／min下降為0.01 m3／min。 隨著抽采時(shí)間的增加，5 個(gè)鉆孔的瓦斯流量逐漸下降，但下降速度緩慢，并未出現(xiàn)瓦斯混合流量劇烈波動(dòng)或下降的現(xiàn)象，證明在抽采過程中，鉆孔未發(fā)生失穩(wěn)問題，鉆孔孔壁保持完整。

圖11 瓦斯混合流量變化Fig.11 Diagram of gas mixing flow variation

5 結(jié) 論

1）摻入聚丙烯纖維和秸稈纖維能夠達(dá)到增強(qiáng)彈性膠結(jié)材料力學(xué)強(qiáng)度的目的；隨著聚丙烯纖維和秸稈纖維摻量的增加，兩者在膠體中的分散性變差導(dǎo)致彈性膠結(jié)材料的力學(xué)性能變差，聚丙烯纖維-秸稈纖維的最優(yōu)摻量為0.6%～1%。

2）彈性膠結(jié)材料加固煤體測(cè)試表明：新型彈性膠結(jié)材料與煤體有良好的黏結(jié)性，能夠?qū)⑺缮⒌拿后w黏結(jié)在一起，構(gòu)成一個(gè)整體，具有一定的力學(xué)強(qiáng)度；加固煤體模塊在力的加載過程中，逐漸變形，但依然保持良好的完整性；當(dāng)力卸載后，加固煤體模塊的高度逐漸恢復(fù)至試驗(yàn)前的一半左右。

3）在浦溪井2254 底板巷對(duì)彈性膠結(jié)材料進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著抽采時(shí)間的增加，鉆孔的瓦斯流量逐漸下降，但下降速度緩慢，證明在抽采過程中，鉆孔未發(fā)生失穩(wěn)問題，鉆孔孔壁保持完整。