瓦斯抽采钻孔“两堵一注”密封新方法试验研究

李 兵，凡永鹏，郝晋伟，杨伟东

(1.山西高河能源有限公司 瓦斯研究室， 山西 长治 046100； 2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院， 北京 100013)

钻孔瓦斯抽采是目前煤矿井下瓦斯灾害防治和煤层气资源开发的主要工程方法[1-4]，约占井下抽采瓦斯总量的90%以上。钻孔密封是钻孔瓦斯抽采的关键环节之一，直接决定着抽采瓦斯的浓度、成本和效率[5-6]. 高河能源有限公司3#煤层属高瓦斯、低渗透性、软弱结构煤层，单孔平均瓦斯涌出量低，抽采难度大。目前该矿井主要采用膨胀水泥+囊袋为主的“两堵一注”式带压封孔技术，但受膨胀水泥材料黏度变化及固结物等物理力学性质影响，钻孔密封质量不稳定，抽采瓦斯浓度整体偏低。同时，钻孔密封段是由煤-膨胀水泥材料-抽采管路组成的典型层状异质结构体，在应力作用下煤体和水泥封孔材料的异质结构界面处极易产生径向和切向不协调变形，钻孔密封段异质结构损伤破坏，裂隙贯通，导致钻孔密封性进一步降低[7-8]，高浓度瓦斯抽采周期缩短，严重影响了该矿井瓦斯抽采效率和抽采瓦斯利用率。因此，通过分析膨胀水泥+囊袋式“两堵一注”钻孔密封工艺存在的问题，并提出新的工艺方法，以提升该矿井钻孔抽采瓦斯浓度和效率，增加瓦斯利用量。

1 膨胀水泥物理力学性质测试

膨胀水泥基材料属典型的水性无机类材料，是目前高河能源井下瓦斯抽采钻孔密封工程中使用的主要注浆材料。为厘清钻孔密封材料性质对密封质量的影响作用，分别对其析水率、膨胀率、黏度和强度进行测试分析，具体如下：

1) 析水率及膨胀率。以高河能源井下膨胀水泥封孔材料为测试对象，按照不同水灰比测试其析水率和膨胀率，其测试结果见表1.

表1 不同水灰比下析水率及膨胀率表

由表1可看出，水灰比由1∶0.8增加至1∶1.5时，膨胀水泥材料固结后的体积膨胀率为3.75%～26.25%，即使水灰比为1∶0.8时，其膨胀率为3.75%. 而井下通常采用水灰比为1∶1.1左右的浆液作为密封浆液，其固结物在理论上可对密封段空间进行完全充填，但其抽采瓦斯浓度仍普遍较低，说明其对钻孔围岩裂隙的充填性较差，从而导致钻孔围岩裂隙发生漏气。

2) 黏度。取与析水率及膨胀率测试相同的膨胀水泥封孔材料，利用NDJ-8T黏度计分别对水灰比为1∶1、1∶1.3和1∶1.5的水泥浆液的黏度进行测试，测试结果见表2.

表2 不同水灰比膨胀水泥黏度参数表

由表2可看出，当水灰比为1∶1时，其初始黏度为706 mPa·s，4 min内黏度增加45%，且随着水灰比的增大，膨胀水泥浆液黏度上升速度加快；当水灰比为1∶1.5时，同比黏度增加3.8倍。因此，膨胀水泥快速上升的黏度造成浆液材料难以渗入钻孔围岩裂隙，使裂隙充填密封性差，漏气增加。

3)单轴抗压强度。该次测试主要观测膨胀水泥力学性质，选取水灰比为1∶1.3的膨胀水泥固结物，采用TAW-2000型电液伺服试验机对其自下而上不同位置进行分层单轴抗压强度测试，其参数见表3.

表3 不同分段试件单轴抗压强度表

由表3可知，在膨胀水泥胶凝过程中，受重力作用影响，其固结体具有明显的力学分层现象，其最上部分仅为最先部分的二分之一，即与钻孔最上接触部分强度较低，受引力作用更容易形成损伤裂隙，也是后期钻孔密封浓度降低的主要原因之一。

2 相变凝胶材料简介

瓦斯抽采钻孔密封主要包括注浆、渗透、密封3个阶段，如果考虑抽采设备回收，则需要对材料实现降解，即增加降解阶段。4个阶段对材料的性能需求不同，例如注浆阶段的环保低量化，渗透阶段的低黏低阻，密封阶段的自适应动态密封和降解阶段的环保可降解等，因此需要密封材料浆液随时间具有不同的物理力学性能。因此，煤炭科学技术研究院有限公司开发了环保型相变凝胶钻孔密封材料。

相变凝胶(简称PCG)钻孔密封材料利用水溶性高分子凝胶材料作为浆液材料，通过人为控制凝胶材料水溶液的凝胶点，使材料浆液可以在不同的时间段内发生不同的物理相变反应，进而适应整个钻孔瓦斯抽采过程对密封材料低阻注浆、低黏渗透、高黏胶结、动态密封及绿色降解等特性的需求，这些不同阶段的特性也是相变凝胶钻孔密封理论“相变”核心思想的体现。相变凝胶与水泥基材料的固结物对比见图1.

图1 不同钻孔密封材料的固结物图

由于相变凝胶固结物为类固态水性凝胶材料，主要采用黏度特征参数对其进行表征，材料相关性能参数见表4.

表4 相变凝胶钻孔密封材料性能参数表

由表4可知，在30 min内，相变凝胶材料的初始黏度小于50 mPa·s，仅为水灰比为1∶1膨胀水泥材料浆液的7%左右，具有明显的渗透性和可注性。

3 试验概况及结果分析

1) 试验地点概况。高河能源3号煤层瓦斯赋存条件具有明显的“南低北高，东低西高”分布特征。该次试验地点为W3305工作面胶带顺槽，位于矿井西三盘区，小构造发育，平均煤层瓦斯含量为10 m3/t，煤层瓦斯压力0.68 MPa，煤层透气性系数为0.098 m2/MPa2·d，属典型难抽采煤层。同时，试验地点煤体最大单轴抗压强度3.025 MPa，弹性模量为0.984 GPa，属于力学强度相对较低的煤体，因此钻孔易出现变形失稳现象。

2) 密封工艺及相关参数。该次试验采用膨胀水泥材料+囊袋为堵头和PCG钻孔密封材料为注浆材料的“两堵一注”带压注浆封孔工艺，具体钻孔及密封施工参数见表5.

表5 试验钻孔相关参数表

此外，本次试验过程中注浆压力均在0.5 MPa以上后停止，其中两端堵头长度合计2 m，注浆段长度为12 m.

3) 试验结果分析。

试验数据采集主要采用CJZ4Z瓦斯参数综合测量仪对各组钻孔进行分组连续测定。CJZ4Z钻孔汇流管瓦斯综合参数测定仪是一种煤矿井下瓦斯抽采参数专用测定仪，其能够对钻孔及汇流管内甲烷浓度、流量、管道压力、管道气体温度等相关参数进行在线实时监测、显示和保存。W3305胶带顺槽N121和N122组钻孔瓦斯抽采数据测定结果见图2.

图2 N121和N122组钻孔瓦斯抽采参数图

由图2可知，与膨胀水泥材料密封的钻孔相比，采用相变凝胶(PCG)材料密封的钻孔在瓦斯抽采浓度上得到较大提升，平均增加2倍，平均抽采瓦斯纯量提高1.5倍；且在抽采100 d内，平均抽采瓦斯浓度仍保持在56.44%以上，具有明显提浓效果。这主要是由于相变凝胶钻孔密封材料的初期低黏特性可以较好地渗入钻孔围岩裂隙中，并在凝胶化以后与孔周破碎煤体进行胶结，从而有效提高破碎围岩的内聚力并增加其滑动摩擦阻力，一定程度上延缓和降低了围岩裂隙进一步扩展和劣化；同时，由于相变凝胶钻孔密封材料为胶体材料，可自适应钻孔变形，对围岩变形可起到补偿的作用，增加了钻孔密封段后期的密封性。因此，相变凝胶钻孔密封材料的密封性整体优于膨胀水泥基钻孔密封材料。

4 结 论

通过对高河能源“两堵一注”钻孔密封工艺进行分析及优化得出以下结论：

1) 膨胀水泥材料具有良好膨胀能力和体积补偿作用，但其初始黏度较大且上升速度快，在固结后自下而上出现明显的力学分层现象。

2) 相变凝胶具有较低的初始黏度和较高的凝胶黏度，且凝胶点在30 min内可调，可为注浆和渗透过程提供充足的时间，同时其高黏柔性凝胶还可对钻孔围岩进行良好的黏结密封和自适应钻孔动态变形。

3) 与膨胀水泥材料密封相比，采用相变凝胶材料密封后，组孔平均抽采瓦斯浓度和流量分别提高2倍和1.5倍，且抽采瓦斯浓度在100 d内可保持在56.44%以上。