新型半流體動(dòng)態(tài)密封材料及密封技術(shù)研究

摘 要：【目的】針對(duì)現(xiàn)有固態(tài)封孔材料無(wú)法封堵新生裂隙，導(dǎo)致瓦斯抽采后期效果變差的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)一種由黏結(jié)性材料、膨脹劑和顆粒填充材料等配置而成的新型有機(jī)黏液封孔材料?！痉椒ā渴紫葘?duì)新型有機(jī)黏液的黏度、保水性、膨脹性和密封包裹性進(jìn)行測(cè)試分析，然后對(duì)原有的“三堵兩注”封孔裝置進(jìn)行改進(jìn)，研制與新型有機(jī)黏液配套使用的三囊袋分段式封孔器。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試階段，根據(jù)試驗(yàn)工作面條件制定順層瓦斯抽采鉆孔封孔方案，采用水泥封孔材料和新型有機(jī)黏液封孔材料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。【結(jié)果】在30 d的觀測(cè)期內(nèi)，采用新型有機(jī)黏液封孔的鉆孔瓦斯抽采濃度和純量均大于采用水泥封孔的鉆孔?！窘Y(jié)論】新型半流體動(dòng)態(tài)密封材料密封包裹性優(yōu)于水泥封孔材料，對(duì)瓦斯抽采效果提升明顯。

關(guān)鍵詞：瓦斯抽采；新型有機(jī)黏液；封孔性能；封孔裝置

中圖分類號(hào)：TD32；TD712" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2024）11-0039-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.008

Research on New Semifluid Dynamic Sealing Materials and Sealing Technology

GE Xinyu

（China Coal Xinji Liuzhuang Mining Co.， Ltd.， Fuyang 236200， China）

Abstract： [Purposes] Aiming at the problem that the existing solid sealing material can not plug the nascent fissure， which leads to the poor effect in the late stage of gas extraction， a new organic mucous sealing material is developed， which is composed of adhesive material， expansion agent and particle filling material. [Methods] Firstly， the viscosity， water retention， expansion and sealing properties of the new organic mucus were tested and analyzed， and then the original \"three plug and two injection\" sealing device was improved， and the three-bag piecework sealing device used with the new organic mucus was developed. In the field test stage， the sealing scheme of gas extraction borehole along bedding was first developed according to the test working face conditions， and the cement sealing material and the new organic mucous sealing material were used for comparative experiments. [Findings] During the observation period of 30 days， the gas extraction concentration and purity of the boreholes sealed with the new organic mucus were greater than that of the boreholes sealed with cement. [Conclusions] The sealing and wrapping property of the new semi-fluid dynamic sealing material is better than that of the cement sealing material， and the effect of gas extraction is improved significantly.

Keywords： gas extraction; new organic mucus; hole sealing performance; hole sealing device

0 引言

煤炭是我國(guó)的基礎(chǔ)能源，在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占有較高比例［1-2］。作為煤的伴生物，瓦斯既是一種清潔能源，同時(shí)也是煤礦生產(chǎn)的主要危險(xiǎn)源，瓦斯災(zāi)害長(zhǎng)期制約我國(guó)煤炭工業(yè)的健康發(fā)展［3］。通過(guò)對(duì)本煤層和鄰近煤層進(jìn)行瓦斯抽采，能夠有效降低工作面瓦斯?jié)舛?，防止瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出災(zāi)害事故的發(fā)生，保障回采工作面的安全正常生產(chǎn)［4］，而抽采瓦斯鉆孔的有效封孔技術(shù)是提高瓦斯抽采效果至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

優(yōu)良的封孔材料可顯著提升瓦斯抽采鉆孔的密封質(zhì)量［5-6］，因此封孔材料的研發(fā)也是當(dāng)前熱門的研究方向。目前，瓦斯抽采鉆孔的密封材料應(yīng)用最廣泛的是水泥基封孔材料［7-9］和聚氨酯封孔材料［10-11］。水泥基材料封孔前期強(qiáng)度高，其微膨脹特性使得水泥漿液能夠擴(kuò)散到鉆孔周圍裂隙中，故封孔初期抽采效果較好，并且隨著超細(xì)水泥的應(yīng)用，對(duì)微小裂隙的封堵效果也明顯加強(qiáng)［12-13］。隨著工作面的回采，瓦斯抽采鉆孔所受應(yīng)力也在不斷變化，會(huì)產(chǎn)生許多新生裂隙，原有裂隙的結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化，但固化后的水泥基材料無(wú)法對(duì)其進(jìn)行封堵。雖然可以采用二次封孔作業(yè)對(duì)新生裂隙進(jìn)行封堵，但是并沒(méi)有從根本上解決上述問(wèn)題，并且對(duì)同一鉆孔進(jìn)行兩次封孔作業(yè)也會(huì)大大增加井下工人的工作量。聚氨酯封孔材料初期膨脹率大，裂隙封堵效果好［14-15］，但其后期強(qiáng)度低，難以適應(yīng)多尺度裂隙的密封，并且聚氨酯材料的固化聚合反應(yīng)釋放的熱量較大，在井下相對(duì)封閉的空間，容易引發(fā)煤炭自燃，造成安全生產(chǎn)事故和煤炭資源的損失［16］。

通過(guò)對(duì)鉆孔周邊煤巖裂隙多尺度發(fā)育特征進(jìn)行分析可知，要提高煤巖體鉆孔裂隙及在采動(dòng)卸壓下新生裂隙的封堵水平，行之有效的方法是研發(fā)一種非凝固類封孔材料。近年來(lái)，一些學(xué)者已經(jīng)在這一方面進(jìn)行了研究和探索［17-20］，但大都停留在實(shí)驗(yàn)室階段，距離實(shí)際應(yīng)用還有很大的差距，并且沒(méi)有根據(jù)封孔材料的特性對(duì)應(yīng)開(kāi)發(fā)配套的封孔裝置。因此，在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，研制一種性能優(yōu)良的封孔材料和配套封孔裝置來(lái)提高工作面瓦斯抽采效果就顯得非常重要。

1 新型有機(jī)黏液封孔材料性能測(cè)試

根據(jù)瓦斯抽采鉆孔有效封堵條件，新型有機(jī)黏液封孔材料應(yīng)該具有一定的流動(dòng)性和微膨脹性，以便在一定的注漿壓力下進(jìn)入鉆孔周邊裂隙中并且可以對(duì)裂隙進(jìn)行有效填充。封孔完成后黏液必須具有良好的保水性，不會(huì)因?yàn)榇罅渴湛s變形從而在煤體和封孔材料之間產(chǎn)生裂隙，并且密封性能較好，所使用的原材料本身無(wú)毒無(wú)害、價(jià)格低廉，適合井下大量使用。

1.1 材料黏度和保水性測(cè)試

不同水灰比的新型有機(jī)黏液黏度在配置完成后2 h內(nèi)隨時(shí)間的變化情況如圖1所示。由圖1可知，黏液黏度隨時(shí)間的增加，先增大后逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)黏液的水灰比為6∶1時(shí)，黏液黏度在前20 min內(nèi)快速增長(zhǎng)，20～60 min時(shí)黏液黏度雖仍然保持增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)速度明顯放緩，60～120 min時(shí)黏液黏度不再增長(zhǎng)，基本穩(wěn)定在10 000 mPa·s左右；黏液的水灰比為8∶1時(shí)，黏液黏度在0～75 min內(nèi)持續(xù)增長(zhǎng)，75 min后黏液黏度基本穩(wěn)定在9 300 mPa·s左右；黏液的水灰比為10∶1時(shí)，黏液黏度在0～60 min內(nèi)持續(xù)增長(zhǎng)，60 min后黏液黏度基本穩(wěn)定在7 000 mPa·s左右。在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，考慮黏液的流動(dòng)性和滲透性，要求黏液在配置完成后初期黏度增長(zhǎng)幅度較小，便于黏液向鉆孔周圍煤巖裂隙流動(dòng)和滲透，以對(duì)鉆孔進(jìn)行高效封堵；當(dāng)封孔完成后，要求黏液的黏度保持在較高水平，確保已經(jīng)滲透擴(kuò)散至裂隙中的黏液不易漏失，滿足長(zhǎng)期封孔的需要。因此確定新型有機(jī)黏液的合適水灰比為8∶1。

由于新型有機(jī)黏液在整個(gè)封孔周期內(nèi)始終保持半流體狀態(tài)，不會(huì)凝固，因此其必須具有良好的保水性能。

新型有機(jī)黏液30 d內(nèi)黏度和質(zhì)量損失隨時(shí)間變化情況如圖2所示。由圖2可知，黏液質(zhì)量損失在前10 d內(nèi)較少，截至第10 d黏液質(zhì)量減少了7.4 g；10 d后黏液質(zhì)量損失的速度基本保持不變，到第30 d時(shí)，黏液質(zhì)量共減少了44.4 g，每天平均減少1.48 g；與黏液原有質(zhì)量相比，黏液在30 d的測(cè)試時(shí)間內(nèi)共減少了8.88%。黏液黏度在前12 d基本保持穩(wěn)定，維持在10 000～10 100 mPa·s之間，當(dāng)黏液質(zhì)量損失達(dá)到一定值后，黏液的黏度也開(kāi)始緩慢增加，至第30 d時(shí)，黏液黏度增加至10 572.36 mPa·s，相較于黏液的初始黏度增加了5.20%。從上述分析可以看出，隨著黏液在恒溫箱中質(zhì)量損失的增加，黏液的黏度也會(huì)隨之增長(zhǎng)，這是因?yàn)轲ひ涸诤銣叵渲袚p失的質(zhì)量大部分來(lái)源于黏液中的水分，隨著水分的流失，黏液的黏度隨之增加。但是黏液的黏度增長(zhǎng)和質(zhì)量損失百分比均未超過(guò)10%，反映了黏液具有良好的保水性，從而也確保了黏液黏度的相對(duì)穩(wěn)定。

1.2 材料膨脹性測(cè)試

為了保證新型有機(jī)黏液不收縮，從而起到有效封堵裂隙的作用，其必須具有一定的膨脹性。新型有機(jī)黏液膨脹率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，黏液配置完成后即開(kāi)始膨脹，在80 min時(shí)膨脹率超過(guò)1%，160 min時(shí)膨脹率超過(guò)2%，280 min時(shí)膨脹率達(dá)到了4%，最終在360 min后黏液體積穩(wěn)定在471 mL不變，膨脹率為4.67%。黏液具有的微膨脹特性有助于對(duì)鉆孔周圍裂隙產(chǎn)生更加緊密的封堵，以保證黏液的封孔效果。

1.3 材料密封包裹性測(cè)試

新型有機(jī)黏液密封性測(cè)試裝置由橡膠管、“兩堵一注”式封孔袋、“兩堵一注”式封孔膠囊、真空泵、壓力表和截止閥組成。其中橡膠管直徑為75 mm，長(zhǎng)度為6 m；橡膠管的一端為敞口狀態(tài)，另一端首先加工成全封閉狀態(tài)，然后在其側(cè)邊開(kāi)孔，安裝一根直徑15 mm的橡膠管，兩根橡膠管連接處使用密封膠進(jìn)行黏接，最后在直徑15 mm的橡膠管上依次安裝壓力表和截止閥。而“兩堵一注”式封孔袋被配套水泥封孔材料使用，“兩堵一注”式封孔膠囊被配套新型有機(jī)黏液使用，封孔袋和封孔膠囊長(zhǎng)度均為0.75 m，兩個(gè)封孔袋之間和兩個(gè)封孔膠囊之間的距離均為1.5 m。在試驗(yàn)時(shí)，將兩根橡膠管水平放置，其中一根放入“兩堵一注”式封孔袋，由注漿管向封孔袋和兩個(gè)封孔袋中部注入水泥漿液形成封堵段；另外一根放入“兩堵一注”式封孔膠囊，由注漿管向封孔膠囊和兩個(gè)膠囊中部注入新型有機(jī)黏液形成封堵段，由此在2根橡膠管內(nèi)形成長(zhǎng)3 m的負(fù)壓測(cè)試段。將兩根橡膠管靜置48 h后，使用真空泵連接15 mm橡膠管，打開(kāi)截止閥對(duì)負(fù)壓測(cè)試段進(jìn)行抽氣，觀察壓力表達(dá)到0.4 MPa后關(guān)閉截止閥，停止抽氣，然后觀測(cè)80 min內(nèi)負(fù)壓測(cè)試段壓力數(shù)值變化情況。具體如圖3所示。

由圖3可知，采用水泥漿液密封的測(cè)壓段內(nèi)負(fù)壓從0.4 MPa下降至0 MPa用時(shí)52 min，測(cè)試全程負(fù)壓下降較快；采用新型有機(jī)黏液密封的測(cè)壓段內(nèi)負(fù)壓在80 min的測(cè)試時(shí)間內(nèi)始終保有一定的負(fù)壓，并沒(méi)有下降至0 MPa，并且在整個(gè)過(guò)程其負(fù)壓下降速度較慢，表明其密封效果優(yōu)于水泥。

新型有機(jī)黏液包裹性測(cè)試方法是將配置好的水灰比為8∶1的500 g黏液靜置2 h后進(jìn)入黏度穩(wěn)定期，然后將重300 g的煤樣完全浸入黏液中5 min后取出并稱量剩余黏液的質(zhì)量。然后將包裹有黏液的煤樣懸掛在固定支架上，下方放置燒杯對(duì)煤樣上脫落的黏液進(jìn)行收集稱重，并每隔1 min記錄一次脫落黏液的總質(zhì)量，通過(guò)反算即可得到附著在煤樣上黏液質(zhì)量隨時(shí)間的變化關(guān)系。

新型有機(jī)黏液包裹性測(cè)試結(jié)果如圖4所示。黏液在煤樣上初始附著質(zhì)量為33.5 g，在20 min的測(cè)試時(shí)間內(nèi)，以8 min為界，在1～8 min內(nèi)，包裹在煤樣上的黏液質(zhì)量快速下降；至8 min時(shí)，包裹黏液質(zhì)量下降至20.5 g；測(cè)試時(shí)間大于8 min后，包裹在煤樣上的黏液質(zhì)量緩慢下降；測(cè)試結(jié)束時(shí)，包裹的黏液質(zhì)量為17.5 g。從脫落黏液的狀態(tài)來(lái)看，快速下降時(shí)期，脫落黏液體積較大，多以塊狀或者團(tuán)狀脫落，進(jìn)入緩慢下降時(shí)期后，脫落黏液呈水滴狀或者拉絲狀向下滴落。

水灰比為1∶1的水泥漿液與水灰比為8∶1的新型有機(jī)黏液包裹性測(cè)試結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。水泥漿液與新型有機(jī)黏液相比，在測(cè)試全周期內(nèi)其包裹質(zhì)量均較低。20 min時(shí)，包裹在煤樣上的水泥漿液僅剩7.4 g，占其初始質(zhì)量的35.07%，而此時(shí)新型有機(jī)黏液的包裹質(zhì)量為17.5 g，占其初始質(zhì)量的52.24%，新型有機(jī)黏液包裹性明顯優(yōu)于水泥漿液。

2 新型有機(jī)黏液配套封孔器

由于新型有機(jī)黏液的非凝固特性并不能與封孔裝置很好地結(jié)合在一起使用，同時(shí)為了防止新型有機(jī)黏液在抽采負(fù)壓作用下流入鉆孔瓦斯抽采段，有必要對(duì)原有的“三堵兩注”封孔裝置進(jìn)行改進(jìn)。

新型有機(jī)黏液配套封孔裝置實(shí)物圖如圖5所示。在使用時(shí)，首先采用新型有機(jī)黏液對(duì)囊袋1和囊袋2進(jìn)行注漿，達(dá)到一定壓力后打開(kāi)爆破閥1，向封孔段1注漿，當(dāng)注漿泵注漿壓力達(dá)到0.8 MPa時(shí)停止注漿。然后使用水泥漿液對(duì)囊袋3進(jìn)行注漿，達(dá)到一定壓力后打開(kāi)爆破閥2，向封孔段2注漿，當(dāng)注漿泵注漿壓力達(dá)到1.5 MPa時(shí)停止注漿。封孔段2的水泥漿液在一定壓力下滲透進(jìn)周圍裂隙，在新型有機(jī)黏液材料和鉆孔瓦斯抽采段形成屏障，防止新型有機(jī)黏液材料在抽采負(fù)壓作用下流入鉆孔瓦斯抽采段。

3 新型有機(jī)黏液現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

新型有機(jī)黏液現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇在中煤新集劉莊礦業(yè)有限公司131102工作面進(jìn)行。131102工作面為走向長(zhǎng)壁開(kāi)采，工作面走向長(zhǎng)度為844.8 m，切眼長(zhǎng)280 m，煤層傾角平均為14.5°，采用順層瓦斯鉆孔抽采本煤層瓦斯。

該試驗(yàn)在工作面回風(fēng)順槽布置20個(gè)鉆孔，鉆孔間隔為2 m，距離底板高度1.5 m，鉆孔傾角限制在±3°之間，其中10個(gè)鉆孔為試驗(yàn)孔，另外10個(gè)為對(duì)比孔，試驗(yàn)孔和對(duì)比孔采用間隔布置方式。試驗(yàn)孔采用三囊袋分段式封孔器配合新型有機(jī)黏液和水泥漿液封孔，鉆孔封孔深度為8 m，封孔段總長(zhǎng)度為14 m，其中新型有機(jī)黏液封孔段長(zhǎng)12 m，水泥漿液封孔段長(zhǎng)2 m。對(duì)比孔采用傳統(tǒng)的“兩堵一注”封孔方法配合水泥漿液進(jìn)行封孔，封孔深度和封孔長(zhǎng)度與對(duì)比孔保持一致。工作面順層瓦斯抽采鉆孔布置方式如圖6所示。

封孔完成后，該試驗(yàn)將抽采管與抽采支管連接，進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)抽采，通過(guò)礦上煤礦瓦斯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)各個(gè)鉆孔每天的瓦斯?jié)舛群土髁繑?shù)據(jù)進(jìn)行記錄，觀測(cè)時(shí)間為期30 d。觀測(cè)期滿后，計(jì)算試驗(yàn)孔和對(duì)比孔每天的平均瓦斯抽采濃度和純量，結(jié)果如圖7和圖8所示。

由圖7可知，在30 d觀測(cè)期內(nèi)，試驗(yàn)孔平均瓦斯抽采濃度從54.1%下降至22.1%，對(duì)比孔平均瓦斯抽采濃度從39.6%下降至12.8%。按照利用瓦斯時(shí)，抽出瓦斯中的瓦斯?jié)舛炔坏玫陀?0%為界，試驗(yàn)孔抽采瓦斯利用天數(shù)為21 d，而對(duì)比孔僅為13 d，不及瓦斯抽采天數(shù)的一半。

由圖8可知，試驗(yàn)孔中初始瓦斯抽采純量較大，并且隨著瓦斯抽采時(shí)間的增加下降較慢，始終維持在0.7 m3/min之上。對(duì)比孔在抽采初期瓦斯抽采純量快速下降，抽采至10 d時(shí)，對(duì)比孔已經(jīng)下降至0.3 m3/min，證明在此時(shí)已經(jīng)有大量的空氣通過(guò)鉆孔周圍新生裂隙進(jìn)入了鉆孔中，已經(jīng)凝固的水泥漿液失去了對(duì)瓦斯抽采鉆孔的有效封堵。綜合以上分析可知，采用新型有機(jī)黏液封孔能夠更加有效封堵鉆孔，鉆孔瓦斯抽采濃度和純量均有所提高，達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié)論

①新型有機(jī)黏液具有一定的流動(dòng)性、良好的保水性和微膨脹的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試其密封包裹性優(yōu)于水泥材料。

②對(duì)原有的“三堵兩注”封孔方法進(jìn)行改進(jìn)，研制出了與新型有機(jī)黏液配套使用的三囊袋分段式封孔器。

③現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，在30 d的觀測(cè)期內(nèi)，采用新型有機(jī)黏液封孔的試驗(yàn)孔瓦斯抽采濃度和純量均明顯高于采用水泥漿液封孔的對(duì)比孔，瓦斯抽采效果提升明顯。

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收稿日期：2023-11-30

作者簡(jiǎn)介：葛新玉（1982—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：安全技術(shù)及工程。