大直徑瓦斯抽采鉆孔非凝固膏體材料封孔技術(shù)及設(shè)備研究

唐衛(wèi)東， 李曉偉， 周冬

(1.山東省三河口礦業(yè)有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)寧 277605；2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.江蘇徐州新沂市公安局 經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)派出所，江蘇 徐州 221499)

0 引言

煤炭在未來幾年內(nèi)仍然會(huì)是我國的能源消耗主體之一，在國家對(duì)能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整的過程中比重依然占有60%左右[1-2]。我國煤炭開采礦井中，高瓦斯、突出煤層占比較高，這些煤層在開采過程中往往伴隨著大量瓦斯涌出。為防止事故發(fā)生，多采用鉆孔抽采解決瓦斯突出問題。大直徑鉆孔瓦斯抽采[3-4]是解決高瓦斯低透氣性突出煤層瓦斯問題的主要措施之一。由于大直徑鉆孔易受應(yīng)力影響，其瓦斯抽采濃度與鉆孔的封孔方法有直接關(guān)系。目前大直徑瓦斯抽采封孔方法主要分為固體材料封孔和液態(tài)材料封孔2類。固體材料封孔方法主要包括水泥砂漿封孔、高分子聚氨酯類材料封孔、膨脹材料帶壓注漿封孔等方法。水泥砂漿封孔[5-6]是一種早期的封孔方法，其技術(shù)工藝簡單，價(jià)格低廉，但水泥凝固過程中本身會(huì)產(chǎn)生裂隙，封孔質(zhì)量不佳。高分子聚氨酯類材料封孔[7-9]是目前常用的封孔方法，其初期封孔效果較好，不會(huì)對(duì)煤質(zhì)產(chǎn)生影響，但其反應(yīng)會(huì)放出熱量，存在安全隱患，且材料會(huì)受鉆孔中水分影響，造成后期抽采濃度急速下降。膨脹材料帶壓注漿封孔[10-11]是較為先進(jìn)的封孔方法之一，工藝簡單，封孔效果較好，但該方法仍屬于硬質(zhì)固體封孔，受應(yīng)力影響，隨著時(shí)間推移，抽采鉆孔變形破壞后，瓦斯抽采濃度會(huì)急速降低。液態(tài)材料封孔的代表性方法有膏體材料、纖維素液體材料封孔法等，這類方法利用液體密封氣體，抽采效果較好，并可實(shí)現(xiàn)二次、多次封孔，但這類封孔工藝復(fù)雜，封孔質(zhì)量與鉆孔密封注漿參數(shù)及封孔設(shè)備密切相關(guān)，尤其是大直徑鉆孔表現(xiàn)更為明顯。

大直徑鉆孔在成孔初期，鉆孔規(guī)則性不好，密封難度本身就很大。同時(shí)由于孔徑大，對(duì)孔周應(yīng)力擾動(dòng)更大，隨著時(shí)間的推移，極易隨應(yīng)力變化變形，形成次生裂隙。因此，大直徑抽采鉆孔瓦斯?jié)舛燃彼偎p在抽采中表現(xiàn)得十分普遍，造成抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間慢、需施工補(bǔ)充鉆孔等一系列問題。

針對(duì)上述問題，基于大直徑鉆孔孔周裂隙半徑的理論分析結(jié)果，研究了非凝固膏體材料封孔技術(shù)。該技術(shù)利用膨脹水泥與非凝固膏體材料配合形成多段“固、液、固”結(jié)構(gòu)，利用非凝固膏體材料變形及非凝固特征，實(shí)現(xiàn)鉆孔抽采全過程的有效密封及在抽采不同時(shí)間段進(jìn)行二次、多次封孔。現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果證明了該技術(shù)的可靠性。

1 技術(shù)原理

大直徑瓦斯抽采鉆孔非凝固膏體材料封孔技術(shù)的實(shí)質(zhì)是“固體材料封堵非凝固膏體，非凝固膏體封堵氣體”,其技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 大直徑瓦斯抽采鉆孔非凝固膏體材料封孔技術(shù)原理

大直徑瓦斯抽采鉆孔成孔后，送入抽采管路，然后送入固體材料注入管路和非凝固膏體材料注入管路。先注入可凝固風(fēng)控材料，形成圖1所示中固體段1、2、3，固體段與鉆孔間形成封閉空間A、B，然后通過非凝固膏體材料注入管路向封閉空間A注入材料，形成膏體封孔段1，完成一次封孔。該過程中固體段1和固體段2封堵非凝固膏體段1，非凝固膏體段1中材料在高壓作用下向鉆孔破碎區(qū)滲透，阻斷瓦斯泄漏通道，同時(shí)由于非凝固膏體段1中材料的不凝固流動(dòng)特征，鉆孔發(fā)生變形，非凝固膏體不會(huì)失去封堵作用。

抽采一段時(shí)間后，瓦斯?jié)舛认陆担梢酝ㄟ^非凝固膏體材料注入管路向封閉空間B注入材料，形成膏體封孔段2，完成二次封孔。由于非凝固膏體材料段1和2均為不凝固流體，后期抽采瓦斯?jié)舛认陆岛罂稍俅巫⑷敕悄谈囿w材料，達(dá)到多次封孔的目的。該封孔技術(shù)起作用的主要是非凝固膏體材料，利用非凝固膏體材料封孔時(shí)既要保證初期黏度低，有一定的滲透性，使?jié){液達(dá)到破碎帶半徑邊沿，保證封孔質(zhì)量，同時(shí)還要保證在規(guī)定時(shí)間內(nèi)漿液達(dá)到預(yù)定黏度，避免漏失過快，確保整個(gè)抽采階段均能有良好的封堵效果，這與注漿壓力、材料黏度、注漿時(shí)間等工藝參數(shù)的匹配密切相關(guān)。

2 大直徑鉆孔破碎帶半徑確定

鉆孔破碎帶半徑是影響瓦斯抽采的重要因素，在封孔段以里，鉆孔破碎帶半徑越大，瓦斯?jié)B透通道越多，抽采效果越好。但在抽采封孔段，封孔材料應(yīng)盡量密封破碎帶半徑內(nèi)的裂隙，以防止抽采時(shí)漏風(fēng)。因此，在進(jìn)行大直徑鉆孔密封研究時(shí)，推導(dǎo)其理論半徑是建立注漿密封抽采鉆孔模型的基礎(chǔ)。

抽采瓦斯鉆孔存在破碎區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)(塑性變形區(qū)、彈性變形區(qū))和原巖應(yīng)力區(qū)，其穩(wěn)定性與鉆孔各區(qū)半徑和周邊煤巖體的變形量有關(guān)。研究中一般通過個(gè)體單元的平衡方程、幾何方程和本構(gòu)方程探討位移、應(yīng)力與應(yīng)變之間的影響因素和平衡關(guān)系，得到抽采鉆孔周圍的應(yīng)力場及破碎區(qū)域半徑。鉆孔周圍發(fā)生的彈性變形服從胡克定律，并服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則[12]。

(1)

式中：σθ為切向應(yīng)力，MPa；σr為徑向應(yīng)力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；C為黏聚力，MPa。

(2)

式中:Pi為支護(hù)力，MPa；L為距離鉆孔軸線的距離，m；R為鉆孔半徑，m。

(3)

(4)

式中：P為原巖應(yīng)力，MPa；Rp為塑性區(qū)半徑，m。

(5)

將塑性區(qū)邊界條件代入式(3)，同時(shí)將邊界條件σe=σp代入，計(jì)算出塑性區(qū)半徑Rp和破碎區(qū)半徑Rs。

(6)

(7)

依據(jù)式(7)，理論上得到鉆孔的破碎帶半徑與鉆孔直徑及煤體賦存條件之間的關(guān)系，進(jìn)而可以計(jì)算出不同條件下的理論破碎帶半徑。數(shù)值模擬時(shí)應(yīng)將上述半徑作為邊界條件之一。

理論上非凝固膏體材料應(yīng)能夠滲透至破碎區(qū)Rs邊界，才能達(dá)到良好的密封效果。實(shí)際上，非凝固膏體材料的滲透特征與材料的黏度、注漿壓力有關(guān)。黏度越高，封孔效果越理想，但需要滿足的注漿壓力越大，對(duì)設(shè)備的要求也越高。現(xiàn)場不可能無限制增加注漿壓力，因此，需尋找一個(gè)最佳的黏度范圍，讓非凝固膏體材料在鉆孔裂隙內(nèi)充分滲透的同時(shí)，還能有足夠的黏度粘結(jié)煤層，從而完成封堵，這是封孔成功的關(guān)鍵。為探究其規(guī)律，利用Comsol Multiphysics數(shù)值仿真軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬。

3 膏體注漿壓力與黏度關(guān)系數(shù)值模擬

為探究最佳注漿壓力與黏度的關(guān)系，以達(dá)西定律板塊為基礎(chǔ)[13-14],利用Comsol Multiphysics數(shù)值仿真軟件建立對(duì)應(yīng)模型。模型初始物理參數(shù)見表1。

表1 模型初始物理參數(shù)

煤層滲透率、孔隙率等參數(shù)采用工業(yè)試驗(yàn)煤礦實(shí)際數(shù)據(jù)。其中煤層滲透率按照測試試樣中最小滲透率考慮，在最小滲透率條件下，模擬壓力及黏度能滿足滲透距離要求，實(shí)際情況下有一定富余系數(shù)，可滿足現(xiàn)場需要。

煤礦抽采大直徑鉆孔的直徑一般為100 mm以上，理論上鉆孔直徑越大，影響范圍越大，抽采效果越理想，但若鉆孔直徑超過120 mm會(huì)涉及鉆孔防突等問題，采用需要謹(jǐn)慎。因此，煤礦現(xiàn)場大直徑鉆孔的直徑多選用113 mm，本次模擬采用的鉆孔直徑也為113 mm。依據(jù)該直徑、煤層相關(guān)參數(shù)及式(7)，計(jì)算出理論破碎帶半徑為0.87 m。

模型建立時(shí)考慮邊界影響，留有部分富余量，建立一個(gè)20 m×20 m的理想二維鉆孔注漿模型。模擬0.8，1.0，1.2，1.5 MPa不同注漿壓力下，不同黏度漿液的孔隙漿壓的分布狀況，分析最佳注漿壓力以及注漿液體的最佳黏度范圍。模型主要設(shè)置的邊界條件：① 模型四周均為不透水邊界,流體流量為0；② 鉆孔周圍施加0.8，1.0，1.2，1.5 MPa不同的注漿壓力。

在4種不同的注漿壓力下，將不同黏度代入模型進(jìn)行計(jì)算，得到模型中不同注漿壓力下孔周孔隙中非凝固膏體材料壓力分布場，部分壓力分布如圖2、圖3所示。從圖2、圖3可看出，在相同的注漿壓力下，材料黏度越大，鉆孔孔周壓力衰減速率越快，在較短距離內(nèi)漿液壓力衰減為0，即非凝固膏體材料影響半徑越小。

圖2 1.5 MPa壓力，0.001 Pa·s黏度下孔周非凝固膏體材料壓力分布

圖3 1.5 MPa壓力,0.025 Pa·s黏度下孔周非凝固膏體材料壓力分布

從上述壓力分布圖中提取各個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力值，可以得到不同壓力、不同黏度下非凝固膏體材料在模型中的影響范圍，繪制出注漿時(shí)間為10，20，30 min時(shí)漿液壓力與漿液滲透距離的變化圖，每一注漿時(shí)間下共進(jìn)行11組實(shí)驗(yàn)，黏度分別為0.001，0.003，0.005，0.01，0.03，0.05，0.08，0.1，0.15，0.2，0.25 Pa·s，為方便研究，分別定義為1—11號(hào)。部分壓力衰減曲線如圖4—圖6所示。

圖4 1.5 MPa壓力下，注漿時(shí)間為10 min時(shí)不同距離的漿液壓力變化

圖5 1.5 MPa壓力下，注漿時(shí)間為20 min時(shí)不同距離的漿液壓力變化

圖6 1.5 MPa壓力下，注漿時(shí)間為30 min時(shí)不同距離的漿液壓力變化

圖4—圖6表示了鉆孔孔周孔隙內(nèi)不同黏度下漿液壓力變化情況。壓力大于0，表示非凝固膏體材料可以影響到，0位置為非凝固膏體材料的滲透極限。從圖4—圖6可看出，隨著漿液向外滲透，孔周裂隙內(nèi)壓力均呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)，同一漿液黏度下注漿時(shí)間越長，漿液滲透極限越遠(yuǎn)；同一注漿時(shí)間下材料黏度越大，漿液滲透極限越小。因此,在研究最佳注漿壓力時(shí)應(yīng)考慮注漿時(shí)間和漿液黏度2個(gè)因素。

對(duì)上述11組黏度材料進(jìn)行了注漿時(shí)間為10，20，30 min的漿液最大影響距離模擬計(jì)算。其中注漿時(shí)間為10 min太短，無法完成注漿工作，實(shí)際意義不大，不再分析研究。依據(jù)圖4—圖6可得注漿時(shí)間為10～20，20～30 min時(shí)不同壓力下非凝固膏體材料的影響距離，如圖7、圖8所示。

圖7 注漿時(shí)間為10～20 min時(shí)，不同壓力下不同黏度材料延伸影響距離

從圖7和圖8可看出，4條不同壓力下的延伸曲線在2個(gè)時(shí)間段的走向趨勢(shì)是一致的，伴隨著壓力的提升，延伸距離都增大。0.8 MPa和1.0 MPa的延伸曲線更加相似和靠近，在一次延伸和二次延伸曲線上提升范圍在-0.01～0.23，-0.01～0.12 m，壓力為1.2 MPa和1.5 MPa的延伸曲線較為相似和靠近，2條延伸曲線的提升范圍在-0.02～0.15，-0.02～0.1 m，但是1.2 MPa的延伸曲線較1.0 MPa的延伸曲線提升明顯，提升范圍在0.03～0.45，0.02～0.28 m。從提升幅度上看，1.0 MPa和1.5 MPa在2次的延伸中提升幅度相近(約為0.2 m和0.12 m)，整體小于1.2 MPa(約為0.4 m和0.26 m)。

圖8 注漿時(shí)間為20～30 min時(shí)，不同壓力下不同黏度材料延伸影響距離

最優(yōu)注漿壓力不僅要保證足夠注漿動(dòng)力，還要符合現(xiàn)場實(shí)際情況，這需要結(jié)合影響距離、延伸距離和現(xiàn)場三方面來分析。0.8 MPa作為一個(gè)基準(zhǔn)組；1.0 MPa在注漿效果和提升效果上略好于基準(zhǔn)組，卻明顯不如1.2 MPa和1.5 MPa；1.2 MPa的最大影響距離略低于1.5 MPa，在提升效果上明顯好于其他3個(gè)注漿壓力。1.5 MPa作為最大壓力，其對(duì)最大影響距離的作用效果最為明顯，但是注漿壓力提升效果欠佳，顯著低于1.2 MPa的提升效果。結(jié)合現(xiàn)場來看，注漿壓力與注漿設(shè)備的要求成正比，壓力越大,則設(shè)備要求越高。因此，在1.2 MPa和1.5 MPa中，1.2 MPa注漿壓力更符合各方面要求，選取為最優(yōu)注漿壓力。

為了確定1.2 MPa注漿壓力下合適的黏度范圍，分析不同黏度的漿液在煤體中的滲流情況,繪制了非凝固膏體材料在不同黏度下、注漿時(shí)間為10～20 min和20～30 min 2個(gè)時(shí)間段影響距離的變化曲線，如圖9所示。

依據(jù)注漿時(shí)黏度上升影響范圍衰減的速率，將不同黏度下影響范圍分為快速衰減區(qū)、緩慢衰減區(qū)及不變化區(qū)(圖9)。從圖9可看出，在10～20 min和20～30 min 2個(gè)時(shí)間段內(nèi)，隨著黏度的增加，11組非凝固膏體材料黏度影響范圍的延伸距離均呈現(xiàn)出先快速下降、然后緩慢下降、最后在一定區(qū)域趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。快速衰減區(qū)1—5號(hào)黏度(0.001～0.03 Pa·s)影響范圍在10～20 min時(shí)為0.51～2.52 m，在20～30 min時(shí)為0.41～1.51 m，滲透效果最佳，但是黏度過低不利于注漿完畢后粘結(jié)固化煤層，在煤體內(nèi)部應(yīng)力等因素的影響下容易漏失漿液；緩慢衰減區(qū)6—9號(hào)黏度(0.05～0.15 Pa·s)的最大影響距離在10～20 min時(shí)為0.23～0.45 m，在20～30 min時(shí)為0.05～0.35 m，能夠粘結(jié)固化鉆孔周圍一定量的煤體，控制圍巖破壞變形，漿液具有一定的流動(dòng)性、適中的黏度和相對(duì)穩(wěn)定的滲透速率；10—11號(hào)黏度(0.2～0.25 Pa·s)由于黏度過大，很難實(shí)現(xiàn)一定方向的擴(kuò)散和滲透，只能實(shí)現(xiàn)較小范圍的連續(xù)性膠結(jié)體，影響范圍在10～30 min時(shí)僅為0.25 m，小于理論破碎區(qū)半徑，不能完成鉆孔密封，不再探討。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，注漿時(shí)間一般不小于30 min，滲透半徑為10～20 min與20～30 min半徑的和，得到1.2 MPa注漿壓力下對(duì)應(yīng)黏度的極限滲透半徑，見表2。

圖9 1.2 MPa下不同黏度影響范圍的延伸距離對(duì)比

表2 不同黏度對(duì)應(yīng)的極限滲透半徑

選取最佳黏度時(shí)應(yīng)保證漿液在30 min內(nèi)滲透極限大于破碎帶半徑0.87 m，以保證漿液具有良好的流動(dòng)性與穩(wěn)定的滲透性，即黏度不得大于5號(hào)材料黏度0.030 Pa·s。在確保漿液具有一定的流動(dòng)性和滲透性的前提下，為了更好地固結(jié)煤層，避免產(chǎn)生漏氣通道和松散煤體塌孔現(xiàn)象，黏度越大越好，因此，確定最佳黏度范圍為0.001～0.030 Pa·s。

4 封孔設(shè)備研發(fā)

結(jié)合上述研究得到的注漿壓力和黏度進(jìn)行了封孔設(shè)備的研發(fā)。設(shè)備研發(fā)時(shí)，應(yīng)考慮固體材料的支撐作用及非凝固膏體材料封孔的不凝固可變形2個(gè)方面的特征。應(yīng)利用膨脹水泥的固體支撐作用形成相對(duì)封閉空間，為非凝固膏體材料提供相對(duì)封閉空間。注入膏體后，形成液體密封氣體的封孔模式。該模式下鉆孔變形后，不凝固膏體會(huì)隨之發(fā)生變形，避免密封失效。同時(shí)由于采用多分段，可在鉆孔抽采的不同時(shí)間段對(duì)鉆孔進(jìn)行二次密封，二次密封在鉆孔應(yīng)力變化的基礎(chǔ)上進(jìn)行，鉆孔基本穩(wěn)定，密封效果突出，可以實(shí)現(xiàn)后期的多次重復(fù)注入膏體強(qiáng)化密封。因此，封孔設(shè)備需要具有以下特點(diǎn)：

(1)采用多段“強(qiáng)、弱、強(qiáng)”等手段實(shí)現(xiàn)多單元鉆孔密封，避免了軟煤裂隙發(fā)育造成的只要一處裂隙較大，中間注漿段壓力均不能上升的問題。

(2)固體封孔與鉆孔形成的膏體封孔空間注入非凝固膏體材料密封，膏體具有一定的流動(dòng)性和滲透性，在適應(yīng)松軟煤層不規(guī)則鉆孔密封的同時(shí)，能解決后期應(yīng)力作用時(shí)鉆孔變形后的鉆孔密封問題，使鉆孔長時(shí)間有效。

(3)采用多段韌性膏體密封，可以重復(fù)注入非凝固膏體材料，實(shí)現(xiàn)“多次封孔”，提高密封效果。

依據(jù)以上特點(diǎn)，開發(fā)了相應(yīng)的封孔設(shè)備，設(shè)備技術(shù)原理如圖10所示。

圖10 封孔設(shè)備技術(shù)原理

封孔設(shè)備主要由注漿管、膨脹囊袋、單向閥及爆破閥組成。利用注漿管1注入膨脹封孔材料，爆破閥爆破后固體封孔段達(dá)到預(yù)定壓力，形成固體封孔段三段。向1號(hào)、2號(hào)囊袋注入非凝固膏體材料，完成密封，而后進(jìn)行瓦斯抽采；抽采15 d后，通過注漿管2注入非凝固膏體材料，完成二次密封,后期在抽采30，45，60 d后可通過注漿管2多次注入非凝固膏體材料，完成多次封孔。

封孔工藝流程如下：

(1)連接1號(hào)囊袋與2號(hào)囊袋，2個(gè)囊袋間距約為5 m，然后連接3號(hào)囊袋與2號(hào)囊袋，將設(shè)備套入抽放管，送至預(yù)定封孔位置。

(2)連接注漿管至膨脹水泥材料注漿泵，將溢流閥調(diào)整至1.2 MPa，通過注漿管1緩慢注入膨脹水泥材料。

(3)待膨脹水泥注入囊袋、壓力上升至0.9 MPa后三通爆破閥爆破，立即停止注漿。

(4)待膨脹水泥材料凝固后，開始向1號(hào)囊袋與2號(hào)囊袋中間位置注入膏體，待非凝固膏體壓力上升至1.2 MPa時(shí)，從注漿泵溢流閥流出非凝固膏體停止注漿。關(guān)閉注漿管閥門，連接鉆孔進(jìn)行抽放。

(5)待鉆孔抽放15 d后，通過注漿管2向1號(hào)囊袋與2號(hào)囊袋中間位置注入非凝固膏體材料，膏體壓力上升至1.0 MPa時(shí)，從注漿泵溢流閥流出膏體時(shí)停止注漿。關(guān)閉注漿管閥門，連接鉆孔進(jìn)行抽放。

(6)連接鉆孔進(jìn)行抽放后，每隔15 d，即封孔15，30，45，60 d時(shí)，從2個(gè)注漿管進(jìn)行補(bǔ)漿，補(bǔ)漿壓力為 1.2 MPa，以提高封孔效果。

5 現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)

利用研發(fā)的封孔設(shè)備，依據(jù)上述非凝固膏體材料封孔技術(shù)參數(shù)，選擇山東省濟(jì)寧市微山縣三河口煤礦3下2326工作面進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，膏體封孔技術(shù)和固體封孔技術(shù)同時(shí)、同期進(jìn)行，以對(duì)比評(píng)價(jià)抽放效果。該區(qū)域煤層賦存穩(wěn)定，測試過程為先施工完成抽放鉆孔，利用非凝固膏體材料、傳統(tǒng)材料及相關(guān)封孔設(shè)備分別進(jìn)行封孔。

共試驗(yàn)了8個(gè)試驗(yàn)鉆孔，包括5組膏體密封鉆孔、1組水泥密封鉆孔和2組聚氨酯密封鉆孔。5組膏體密封抽采鉆孔采用分時(shí)段、多次密封技術(shù)進(jìn)行封堵抽采，首先在鉆孔抽采的第15 d注入一次膏體，此后抽采15 d后再對(duì)鉆孔進(jìn)行二次補(bǔ)漿。水泥封孔和聚氨酯封孔作為試驗(yàn)對(duì)照組，直接完成封孔作業(yè)后進(jìn)行瓦斯抽采。現(xiàn)場對(duì)8組試驗(yàn)鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采濃度連續(xù)觀察,瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)如圖11所示。從圖11可看出，8組抽采鉆孔中1—6號(hào)鉆孔初期均使用膨脹水泥進(jìn)行封堵，其中1—5號(hào)為膏體密封鉆孔。6組鉆孔在初期都得到了較高的瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)，初期的平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)均已超過80%；7號(hào)、8號(hào)為聚氨酯封堵鉆孔，平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)在初期僅為60%左右。1—6號(hào)鉆孔在15 d內(nèi)，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)由80%下降到60%左右，衰減幅度為20%；2組聚氨酯封孔由60%下降到50%左右，衰減幅度為10%。在15～30 d內(nèi)，采用膏體分時(shí)段密封的1—5號(hào)鉆孔由于在第15 d注入一次膏體，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)有著明顯的回升，約為70%，上升幅度為10%，之后一直衰減到55%附近。6號(hào)水泥封孔和7號(hào)、8號(hào)聚氨酯封孔的瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)分別下降到20%和30%左右。這說明水泥、聚氨酯初期封孔效果較好，初期抽采濃度高，但其衰減速度過快；分時(shí)段非凝固膏體材料的注入能有效緩解初期瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)衰減過快的問題。

圖11 試驗(yàn)鉆孔不同抽采時(shí)間的瓦斯體積分?jǐn)?shù)

根據(jù)試驗(yàn)要求，第30 d對(duì)1—5號(hào)鉆孔進(jìn)行了二次補(bǔ)漿，二次補(bǔ)漿后瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)又出現(xiàn)了一次回升，上升幅度約為10%，之后開始逐漸衰減。由此可見，膏體密封分段分時(shí)介入，可以有效解決鉆孔隨時(shí)間變化而變形產(chǎn)生新生裂隙導(dǎo)致密封失效的問題。對(duì)比分析在前30 d時(shí)8個(gè)鉆孔的瓦斯抽采濃度，可以明確發(fā)現(xiàn),各種封孔方法初期抽采濃度區(qū)別不大，但前期非凝固膏體材料密封鉆孔濃度衰減率低，且二次、多次補(bǔ)漿能使抽采濃度回升，說明非凝固膏體材料鉆孔封堵質(zhì)量更高、抽采能力更強(qiáng)。

6 結(jié)論

(1)大直徑鉆孔非凝固膏體材料抽采鉆孔封孔技術(shù)首先利用膨脹水泥材料形成三段固體封孔段，然后在不同抽采時(shí)間段在固體封孔段中注入非凝固膏體材料。非凝固膏體材料具有隨鉆孔時(shí)空變化的特征，能有效解決固體材料封孔因鉆孔變形而形成新裂隙，造成封孔失敗、抽放濃度衰減過快的難題。

(2)通過數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，得到了大直徑鉆孔非凝固膏體材料抽采鉆孔封孔技術(shù)中最佳注漿壓力為1.2 MPa，最佳黏度為0.001～0.030 Pa·s。

(3)現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，非凝固膏體材料封孔瓦斯抽采濃度衰減速率低，且二次補(bǔ)漿后瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)能提升10%左右，可有效提高瓦斯抽采率。