瓦斯抽采鉆孔新型封孔工藝試驗研究

王科文

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

瓦斯抽采濃度為檢驗抽采效果的關(guān)鍵指標(biāo)之一，為能獲得更好的瓦斯抽采效果，瓦斯鉆孔封堵是最為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。伯方煤礦原采用傳統(tǒng)的封孔方式對瓦斯抽放孔進行封堵，即利用膨脹水泥黏性變化及膨脹凝固的物理性質(zhì)，配合布條增大對孔口的摩擦力對鉆孔進行封堵[1-4]。通過伯方煤礦現(xiàn)場觀察及數(shù)據(jù)收集整理發(fā)現(xiàn)，該封孔方式封孔質(zhì)量不佳，瓦斯抽采效果整體不理想。主要表現(xiàn)為，孔口封堵位置在應(yīng)力作用下，煤與膨脹水泥之間互相黏結(jié)。由于伯方煤礦開采的3#煤層相對較軟且結(jié)構(gòu)破碎，黏結(jié)面出現(xiàn)不規(guī)則變形及損壞現(xiàn)象，甚至伴隨有空洞現(xiàn)象，大大影響了其密封性，使瓦斯抽采無法達到最優(yōu)抽采強度，縮短高濃度瓦斯抽采周期，極大地降低瓦斯抽采效果?；诖?，針對傳統(tǒng)封孔工藝存在的問題，研究一套新型的封孔工藝，以解決封孔不佳、抽采不合格等難題，保證瓦斯抽采效果。

1 膨脹水泥性能測試

伯方煤礦井下鉆孔封堵的主要材料為膨脹水泥，是一種典型的水性無機材料。分別對不同水灰比影響下的該材料析水率、膨脹率和黏度進行測試。

1）不同水灰比影響下的析水率以及膨脹率測試

以井下使用的封孔材料膨脹水泥為測試對象，測試其在不同水灰比影響下的析水率和膨脹率有何種變化規(guī)律，統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。

表1 不同水灰比下析水率及膨脹率

從表1 數(shù)據(jù)可知：水灰比越大，其析水率越低，體積膨脹率越高。在水灰比為1:0.8 時，體積膨脹率僅3.75%，但當(dāng)水灰比達到1:1.5 時，體積膨脹率已達到26.25%。但在井下實際操作過程中，在注漿設(shè)備與現(xiàn)場條件的影響下，水灰比最大只能達到1:1.1 左右，其體積膨脹率仍有16.88%，理論上可以將孔口完全固結(jié)密封。但由于水灰比較大，滲透率隨之降低，漿液無法完全注入孔口裂隙中，加之該煤層較為破碎，導(dǎo)致黏結(jié)面未做到固結(jié)，甚至出現(xiàn)損壞空洞等漏氣現(xiàn)象。

2）不同水灰比影響下的黏度測試

以井下使用封孔材料膨脹水泥為測試對象，配合NDJ-8T 黏度計，針對前一次測試水灰比對析水率及膨脹率影響的數(shù)據(jù)，僅對水灰比為1:1、1:1.3以及1:1.5 的水泥漿液進行黏度測試，收集并統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。

表2 不同水灰比下膨脹水泥黏度測試參數(shù)表

從表2 數(shù)據(jù)可知：水灰比越大，其黏度越大，且在相同時間變化內(nèi)黏度的上升速度越快。水灰比為1:1 時，初始黏度值為706 MPa·s，在隨后4 min內(nèi)其黏度增加45%以上；當(dāng)水灰比達到1:1.5 時，4 min 內(nèi)黏度增加超過280%。進一步證明：隨著水灰比的增加，黏度上升速度越快，其滲透率越低。為保證膨脹率，在增加水灰比的情況下無法將孔口裂隙進行完全填充，降低水灰比增加滲透率又無法保證膨脹率，因此，這兩種情況均無法對鉆孔良好封堵。

2 新型封孔材料相變凝膠

通過以上測試可知，伯方煤礦瓦斯抽放孔若想達到理想的注漿封孔效果，注漿材料必須要具備滲透性好且膨脹率高等特點。加之考慮到抽采結(jié)束后進行設(shè)備回收工作，需要防止設(shè)備損壞以及拆卸容易?；谏鲜龇治霾⒔Y(jié)合礦井實際情況，擬研發(fā)一種具備以上優(yōu)點的新型封孔材料相變凝膠。

新型封孔材料相變凝膠（簡稱PCG），為水溶性高分子凝膠漿液，其優(yōu)點是可通過控制其凝膠液的凝膠點，使該材料在不同時間節(jié)點上發(fā)生不同相變反應(yīng)，以達到黏度低、滲透率高、膨脹率強等特點，可以解決鉆孔封堵不佳的難題。加之該材料具有降解性，使設(shè)備材料回收更容易，且不損壞材料。圖1 為普通膨脹水泥與相變凝膠的固結(jié)對比圖。

圖1 膨脹水泥與相變凝膠固結(jié)對比圖

對新型封孔材料相變凝膠的黏度特征進行分析，其主要參數(shù)見表3。由表3 數(shù)據(jù)可知：其凝膠時間較長，凝膠點可控，最開始其黏度小于50 MPa·s。該黏度下滲透率大，固結(jié)后其黏度大于30萬MPa·s，起到很好的固結(jié)封孔作用。

表3 鉆孔封孔相關(guān)參數(shù)表

表3 新型封孔材料相變凝膠性能參數(shù)表

3 現(xiàn)場測試及成果分析

1）工程概況

伯方煤礦井下3#煤層較為破碎，瓦斯賦存較穩(wěn)定。本次現(xiàn)場測試地點為3205 綜放工作面，工作面內(nèi)構(gòu)造發(fā)育較少，煤層平均原瓦斯含量為10 m3/t，原瓦斯壓力為0.68 MPa，最大絕對瓦斯涌出量7.78 m3/min，煤層透氣性系數(shù)為0.26～0.31 m2/MPa2·d。

2）不同鉆孔封堵方式的相關(guān)參數(shù)

使用同樣的注漿泵，維持注漿壓力在0.5 MPa以上，孔口均采用膨脹水泥配合布條進行封堵（長度2 m），采用膨脹水泥和新型材料相變凝膠分別往孔內(nèi)注漿封孔（長度12 m）。具體施工參數(shù)見表3。

3）測試成果分析

采用CJZ4Z 瓦斯參數(shù)綜合測量儀對本次測試對象進行數(shù)據(jù)收集，收集方式為分組連續(xù)測定。該儀器為礦用井下專業(yè)測定儀器，可對瓦斯?jié)舛?、壓力、溫度等?shù)據(jù)進行實時測定及數(shù)據(jù)保存，具備直接顯示查詢等功能。3205 綜放工作面的N121 和N122組鉆孔瓦斯抽采參數(shù)測定如圖2。

圖2 N121 和N122 組鉆孔瓦斯抽采參數(shù)測定圖

由圖2 可知：在同樣的封孔條件及抽采負(fù)壓下，注漿封孔材料使用相變凝膠（PCG）相比使用膨脹水泥，在抽采效果上得到大大的提升。整體上使用PCG 比使用膨脹水泥其瓦斯抽采濃度提升2 倍，瓦斯抽采純量提升1.5 倍；根據(jù)時間節(jié)點來看，在瓦斯抽采100 d 內(nèi)，采用PCG 封孔材料的瓦斯抽采濃度及純量的衰減較弱，瓦斯抽采濃度在100 d 后仍能達到56.44%。這與新型封孔材料相變凝膠的特性有著極大的關(guān)系，該材料可通過控制其凝膠液的凝膠點，使該材料在不同的時間節(jié)點上發(fā)生不同的相變反應(yīng)，以達到黏度低、滲透率高、膨脹率強等特點，這使注漿液根據(jù)孔內(nèi)情況更好地注入孔內(nèi)裂隙中。待凝固后，其黏度變大，與孔內(nèi)煤與裂隙的契合度高，形成一個整體，增大煤巖層的內(nèi)聚力，防止其煤巖層進一步破碎空洞等現(xiàn)象。所以，新型封孔材料相變凝膠其封孔能力在各方面均優(yōu)于傳統(tǒng)封孔材料膨脹水泥。

4 結(jié)論

1）注漿封孔材料膨脹水泥，其水灰比越大析水率越低，膨脹率越大，黏度越大，黏度上升率越快，流體性能變小，滲透率變低；與破碎煤體之間易發(fā)生應(yīng)力錯位，不易滲入裂隙中，在應(yīng)力作用下易產(chǎn)生破損甚至空洞等力學(xué)分層現(xiàn)象。

2）新型封孔材料相變凝膠（簡稱PCG），為水溶性高分子凝膠漿液，其優(yōu)點就是可通過控制其凝膠液的凝膠點，以達到黏度低、滲透率高、膨脹率強等特點，與孔內(nèi)煤體契合度高，內(nèi)聚力強，相較膨脹水泥其封孔狀態(tài)更好。

3）使用相變凝膠（PCG）注漿封孔，在抽采效果上得到大幅度提升。瓦斯抽采濃度提升2 倍，瓦斯抽采純量提升1.5 倍；使用相變凝膠（PCG）瓦斯抽采濃度在100 d 后仍能達到56.44%。