新型無機緩凝封孔漿液注漿擴散形態研究

趙 剛，程健維，龔選平，尉 瑞，王 玨

(1.中煤能源研究院有限責任公司 安全技術研究所，陜西 西安 710054；2.中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116；3.中煤華晉集團有限公司 王家嶺分公司，山西 運城 043300)

0 引 言

煤炭工業作為重要的基礎產業，有力支撐了國民經濟和社會平穩較快發展[1]。根據國家統計局發布的2019年度《國民經濟和社會發展統計公報》，煤炭消費量占我國能源消費總量的57.7%[2]。由于我國經濟的持續健康發展仍然需要大量的煤炭資源作為支撐，因此我國煤礦開采范圍必然會進一步擴大，開采強度和開采深度也會隨之增加，會出現越來越多的高瓦斯礦井，瓦斯災害對煤礦安全生產的威脅也會增大，嚴重制約了我國煤炭工業的長期健康發展[3-5]。對煤層瓦斯進行抽采是有效降低礦井瓦斯涌出、防止瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出災害的重要措施[6-8]，也是實現瓦斯回收利用的前提條件。其抽采效果除了受煤層賦存構造、鉆孔布置方式和抽采系統能力等因素影響以外，瓦斯抽采鉆孔封孔質量也是影響抽采效果的重要因素[9]，鉆孔封孔質量的好壞會直接影響到瓦斯抽采濃度和抽采純量，而封孔材料是提高封孔質量的最重要因素。

近年來，很多學者對目前比較常見的封孔材料進行了研究[10-13]。孫煒浩基于聚合物粉末改性水泥基封孔材料的研發，確定了封孔材料的初始水灰比，研究了水溶性聚合物粉末和再分散性聚合物粉末的摻加對水泥漿液析水率、粘度和宏觀形貌的影響[14]。武煒采用了改性后的硫鋁酸鹽水泥基注漿材料進行現場注漿封孔試驗，試驗結果表明：改性后的超細硫鋁酸鹽水泥基注漿材料可以對煤壁裂隙進行擴散充填，且填充效果良好[15]。劉志偉通過實驗對比分析了不同比例鈉基膨潤土、鋁粉摻入量對試樣極限抗壓強度、膨脹率、滲透率的影響[16]。蔣承林等提出了一種利用聚氨酯作為測壓時封孔材料，用來解決松軟煤層測壓時煤體破碎、裂隙發育，順層鉆孔封孔難度大的實際問題[17]。彭紅圃等通過聚氨酯硬泡的不同厚度與高度因素來對聚氨酯硬泡材料與粉煤灰混凝土之間的粘結力進行研究與分析[18]。張鳳杰采用計算機數值模擬方法結合天固聚氨酯化學封孔材料，分析了軟硬2種煤質中的封孔材料對鉆孔孔壁圍巖穩定性的影響，并得出不同煤質中抽采鉆孔應力場和位移場變化特征[19]。

以水泥為基料的無機封孔材料，隨著鉆孔所受應力的不斷變化，新生裂隙會持續產生，原生裂隙的開度和寬度也會發生變化，這些裂隙在無法得到進一步密封的情況下會導通鉆孔與巷道，嚴重影響抽采效果。而聚氨酯材料的固化反應聚合溫度太高，在井下相對封閉的空間，容易引發煤炭自燃，造成安全生產事故和煤炭資源的損失。因此，在總結前人研究成果的基礎上，研制一種性能優良的封孔材料來保障瓦斯抽采鉆孔長時間高效率的工作就顯得非常重要。

1 新型無機緩凝封孔材料簡介

新型無機緩凝封孔材料是中國礦業大學程健維課題組研發的一種新型液態封孔材料[20]，主要成分為鈉基膨潤土和高嶺土，輔料有硅酸鹽水泥，粉煤灰和三聚磷酸鈉等。將其與水按照一定比例混合后，制成的膠合體漿液可以長期保持不脫水，呈現流體狀，具有很強的滲透性、懸浮穩定性和高溫穩定性。由于漿液可以長時間保持流體狀態，當鉆孔周圍裂隙受到采動應力發生變化后，無機緩凝漿液在采動應力作用下可以對鉆孔周圍新生裂隙進行封堵。圖1為材料在干燥和與水混合后的外觀特征。

圖1 新型無機緩凝封孔材料在干燥和與水混合后狀態

本材料的主要成分鈉基膨潤土是一種多種用途的礦產[21]，它吸水速度慢，但吸水率和膨脹倍數大，具有較高的可塑性和較強的粘結性；高嶺土具有白度高、質軟、易分散懸浮于水中并難于沉淀的特性，具有良好的懸浮性和較高的粘結性，此外高嶺土與水結合形成的泥料，在外力作用下能夠變形，外力除去后，仍能保持這種形變，具有良好的可塑性，對于封孔漿液也是非常有利的。

為了確定注漿材料使用時的合適的水灰比，對不同水灰比條件下漿液的析水率、流動度和封堵性進行了測試。漿液析水率和流動度分別按照GB/T1346—2011E《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》和GB/T2419—2005E《水泥膠砂流動度測定方法》進行測試，漿液封堵性測試方法為將攪拌好的漿液500 mL使用注射器注入到200目篩網上，靜置15 min，將滯留在篩網的漿液倒入量筒中觀察其體積，記錄其占漿液總體積的百分比。最后綜合分析選取了水灰比為8∶1，9∶1和10∶1的漿液，表1為3種水灰比條件下的漿液性能。這3種水灰比條件下的緩凝封孔漿液具有較低的析水性、比較好的流動度和封堵性能。

表1 不同水灰比緩凝封孔漿液性能

2 新型無機緩凝注漿漿液擴散形態數值分析

2.1 鉆孔封孔段漿液擴散模型

2.1.1 鉆孔封孔段漿液擴散模型的構建

本節運用FLUENT數值模擬建立典型巷道的數值模擬模型來模擬城郊煤礦煤層鉆孔實際條件，通過對不同水灰比、不同注漿壓力等條件下新型無機緩凝漿液在順層鉆孔周圍裂隙的擴散形態及變化規律進行研究，為工作面順層鉆孔封孔段封孔參數提供指導。表2為煤層及頂底板巖體相關物性參數。

表2 煤巖體相關物性參數

根據新型無機緩凝漿液不同水灰比和漿液的注漿壓力建立對應的模型，見表3；不同水灰比的新型無機緩凝漿液的基本性能參數見表4。

表3 數值計算模型

表4 新型無機緩凝封孔漿液的基本參數

本煤層順層瓦斯抽采鉆孔數值計算模型如圖2所示，鉆孔注漿滲流模型尺寸為4 m×16 m，瓦斯抽采鉆孔直徑94 mm，布置于模型中部，鉆孔中部為注漿封孔段，注漿封孔段共10 m，距離巷道3 m，注漿封孔段兩側為封堵段，左右各封堵1 m。邊界條件設置時將注漿封孔段的鉆孔壁面設為壓力注入邊界，且注漿封孔段內的注漿壓力處處相等，計算模型的四周為零流量邊界。鉆孔周圍采用0.05 m的網格，距離鉆孔較遠處采用0.1 m的網格，模型中共有8 700個單元格。將建立好的模型導入FLUENT中后進行數值求解，湍流模型標準k-ε模型，求解采用SIMPLE算法和二階迎風格式計算。

圖2 順層瓦斯抽采鉆孔巷道數值計算模型

2.1.2 注漿漿液在鉆孔圍巖中的擴散形態

順層鉆孔注漿漿液擴散形態如圖3和4所示。圖3中漿液水灰比為9∶1，分別展現了漿液在0.5和1.8 MPa壓力條件下的擴散形態。從圖中可以看出，注漿壓力較小時，漿液向鉆孔周圍裂隙擴散的深度非常小，距離鉆孔較遠的裂隙很難得到有效的封堵，當注漿壓力增加到1.8 MPa時，漿液擴散范圍明顯增大。但是不能為了增加漿液的擴散范圍無限制增加注漿壓力，如果不斷加大注漿壓力，會導致新生裂隙的產生，漿液從鉆孔注漿段以外的區域滲流到鉆孔內部，堵塞瓦斯抽采鉆孔，影響瓦斯抽采效果。同時，在注漿壓力較小時，漿液在重力作用下，向下方擴散的范圍明顯大于上方，隨著注漿壓力的不斷增大，漿液的重力對漿液流動影響注漿減小，當注漿壓力達到1.8 MPa時，鉆孔上下2部分漿液擴散基本相同。

圖3 不同壓力條件下漿液擴散形態

圖4中注漿壓力為0.5 MPa，分別展示了3種水灰比條件下的漿液擴散情況。從圖中可以看出，在注漿壓力相同時，不同水灰比漿液在鉆孔圍巖裂隙中的擴散差異非常大，尤其是水灰比為8∶1的漿液，由于粘度較大，在壓力較小時，漿液難以向裂隙深部擴散，難以封堵鉆孔裂隙。

圖4 不同濃度條件下漿液擴散形態

2.2 順層鉆孔注漿參數模擬結果分析

2.2.1 不同注漿參數對漿液擴散半徑的影響

通過建立FLUENT數值模型，對3種水灰比漿液在不同注漿壓力條件下的擴散半徑進行了模擬研究，為了便于比較不同水灰比和注漿壓力條件下鉆孔周邊煤體內漿液擴散半徑，提取垂直監測線如圖2所示，在不同注漿壓力和水灰比條件下的漿液擴散半徑數據繪制于圖5中。

圖5 鉆孔注漿壓力、水灰比與漿液擴散半徑關系圖

1)當注漿壓力由0.5 MPa增長到1.0 MPa時，3種水灰比漿液擴散半徑的增長幅度最大，當注漿壓力由1.0 MPa增長到1.8 MPa時，3種水灰比漿液的增長幅度顯著變小，注漿壓力對漿液擴散半徑的影響力顯著變小。由此可以看出，在注漿過程中，單獨通過提高注漿壓力來增大漿液擴散半徑的做法是不可取的。

2)在4種注漿壓力條件下，當水灰比由8∶1變為9∶1時，新型無機緩凝漿液的擴散半徑分別增加了10.06%，8.56%，4.12%和5.20%，漿液濃度對漿液擴散的影響在4種注漿壓力條件下逐漸變小；當漿液水灰比由9∶1變為10∶1時，漿液的擴散半徑分別增加了4.06%，6.64%，6.32%和5.70%，新型無機緩凝漿液濃度對漿液擴散的影響在4種注漿壓力條件下基本相同；通過對比2組數據可以看出，在注漿壓力較小時，漿液濃度變化對漿液擴散的影響程度不同，當注漿壓力逐漸增大，漿液濃度變化對漿液擴散的影響程度趨于穩定。

2.2.2 不同水灰比條件下注漿壓力在圍巖中的衰減分析

為了解不同水灰比條件下注漿壓力在圍巖中的衰減情況，在不同水灰比漿液擴散距離上均勻取點，獲取各點的壓力并作圖，如圖6所示。

圖6 不同水灰比條件下注漿壓力在圍巖中的衰減

當注漿壓力為0.5 MPa時，3種水灰比漿液在圍巖中的壓力分布差異很大，這是由于在注漿壓力較小的情況下，漿液濃度的不同會極大程度的影響到漿液在圍巖中的擴散滲流。當注漿壓力變為1.0 MPa時，水灰比為8∶1的漿液與后兩者在圍巖中的壓力曲線的差異仍然很大，而水灰比9∶1和10∶1這2種漿液在圍巖中的壓力分布差異非常小，在這2種水灰比漿液的圍巖壓力分布中，注漿壓力的影響已經大于漿液粘度。當注漿壓力達到1.5 MPa，水灰比為8∶1的漿液與后兩者在圍巖中的壓力曲線的差異減小。注漿壓力為1.8 MPa時，3種水灰比漿液在圍巖中的壓力曲線已經非常接近，此時漿液濃度的變化對于漿液在圍巖中的擴散滲流的影響程度變得非常小。

2.2.3 不同注漿時刻各種注漿壓力條件下鉆孔周邊煤體內漿液壓力的分布情況分析

本節對水灰比為10∶1的漿液在4種注漿壓力條件下不同時刻鉆孔周邊煤體內漿液壓力的分布情況進行了模擬研究。不同注漿壓力條件下不同時刻的漿液壓力數據繪制于圖7中。

圖7 不同時刻鉆孔周邊煤體內漿液壓力分布

通過對圖7中不同時刻的鉆孔周圍巖體壓力分布進行分析，可以看出同一注漿壓力條件下隨著注漿時間的增加，漿液擴散范圍也在增加。在同一的注漿時間，注漿壓力越大，鉆孔周圍煤巖體裂隙中同一位置的漿液壓力也越大，漿液的擴散范圍也就越廣。但是隨著注漿壓力的持續增大，漿液擴散范圍的增加幅度卻在慢慢減小，這就說明單純依靠提高注漿壓力來增加漿液的擴散范圍是不可取的。

通過對在不同的注漿時間有效注漿范圍進行提取，如圖8所示。從圖8中可以看出，漿液的有效擴散距離并不是隨著注漿時間呈線性變化。在注漿前期，漿液擴散較快，后期逐漸變慢，在本次模擬實驗中，當注漿時間大于8.4 min后，漿液的有效擴散范圍基本穩定，不再隨著注漿時間的增加而變大。因此注漿時間不應該小于8.4 min，否則漿液擴散不充分，同時也不需要太長，持續延長注漿時間對漿液擴散范圍的增加起不到明顯的作用。

圖8 注漿時間與有效擴散距離關系

3 現場驗證

3.1 試驗工作面概況與鉆孔布置

河南能源城郊煤礦目前主要開采煤層為二2煤層，煤層平均厚度2.95 m，為煤與瓦斯突出煤層[22]。為了提高工作面的瓦斯抽采效果，計劃在二水平的21109工作面開展新型無機緩凝封孔材料注漿封孔實驗，提高瓦斯抽采鉆孔的瓦斯抽采濃度。21109綜采工作面位于十一采區，工作面走向長軌道順槽1 530 m、回風順槽1 473 m，傾斜長190 m。

在21109工作面軌道順槽中瓦斯抽采實驗孔的布置為每5個孔一組，對比孔也是每5個一組，試驗孔與對比孔間隔布置，試驗孔和對比孔共施工100個，鉆孔編號從G230～G420。對比孔和試驗孔的封孔深度以及封孔長度都一樣，分別為3m和16 m。試驗孔和對比孔都采用礦上目前采用的“兩堵一注”封孔工藝，試驗孔封孔時兩段采用樹脂封孔作為堵頭，再通過注漿管對中間段進行注漿，新型無機緩凝漿液在注漿壓力的作用下向鉆孔周圍的煤巖裂隙中流動擴散，封堵裂隙，選取漿液水灰比為9∶1，注漿壓力1.5 MPa，注漿時間為9 min；對比孔中間段則使用膨脹水泥。

3.2 緩凝漿液封堵效果現場驗證

鉆孔封孔質量好壞有2個比較重要的參考指標，分別是瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采純量。通過對100個瓦斯抽采鉆孔進行為期2個月的瓦斯濃度和純量監測，可以描述出試驗孔和對比孔的瓦斯濃度隨著抽采天數的變化情況，分別對50個試驗孔與對比孔的瓦斯抽采濃度和抽采純量進行平均計算，如圖9和圖10所示。

圖9 試驗孔與對比孔抽采瓦斯濃度變化

圖10 試驗孔與對比孔抽采瓦斯純量變化

由試驗孔與對比孔抽采瓦斯濃度隨時間變化關系圖中可以看出，抽采15 d后，試驗孔與對比孔抽采瓦斯濃度分別為55.6%和50.9%，兩者相差并不大，這是因為前期2種材料都能夠很好的封堵住鉆孔周圍的裂隙；抽采一個月后，試驗孔與對比孔抽采瓦斯濃度分別為49.2%和32.8%，試驗孔緩慢下降，但是對比孔的瓦斯抽采濃度只有最初的一半左右，這是因為在瓦斯抽采過程中產生的新生裂隙并沒有得到有效的封堵，導致鉆孔中的瓦斯通過這些新生裂隙進入到巷道中，并且巷道中的空氣也進入到了鉆孔內。在為期2個月的觀測期內，使用新型無機緩凝封孔材料進行封孔作業的抽采鉆孔瓦斯濃度始終高于使用水泥砂漿封孔，并且試驗孔中的瓦斯濃度始終大于30%，為后續瓦斯的利用提供了非常好的條件。

由圖10可以看出，在為期2個月的抽采期間，試驗孔中瓦斯抽采純量變化很小，始終維持在0.12 m3/min之上，但對比孔在抽采開始一個月之內，抽采純量急劇下降，在第30天已經下降到了0.054 m3/min，下降了幾乎2/3，證明有大量的空氣進入到了鉆孔中。綜合以上分析可知，采用新型無機緩凝封孔材料封孔能夠更加有效封堵鉆孔，達到了預期效果。

4 結 論

文中首先對新型無機緩凝封孔材料進行了介紹，然后采用數值模擬軟件FLUENT，對井下煤層鉆孔封孔段在不同注漿條件下的漿液擴散形態和壓力變化情況進行模擬分析，最后在河南能源城郊煤礦進行了現場封孔實驗。主要有以下結論。

1)在漿液水灰比一定的條件下，隨著注漿壓力從0.5 MPa逐漸增大到1.8 MPa，漿液在鉆孔周圍的擴散距離增長速度逐漸減小，表明注漿壓力對漿液的擴散影響程度在逐漸下降。因此在注漿過程中，不能單獨通過提高注漿壓力來增大漿液擴散距離。

2)當注漿壓力為0.5 MPa時，3種水灰比漿液在圍巖中的壓力分布差異很大，這是由于在注漿壓力較小的情況下，漿液濃度的不同會極大程度的影響到漿液在圍巖中的擴散滲流。隨著注漿壓力逐漸增大，3種水灰比漿液在圍巖中的壓力曲線的差異減小。當注漿壓力為1.8 MPa時，3種水灰比漿液在圍巖中的壓力分布趨同，此時漿液粘度的影響非常小。

3)在本次模擬實驗中，當注漿時間大于8.4 min后，漿液的有效擴散范圍基本穩定，不再隨著注漿時間的增加而變大。因此注漿時間不應該小于8.4 min，否則漿液擴散不充分，同時也不需要太長時間，持續延長注漿時間對漿液擴散范圍的增加起不到明顯的作用。

4)采用研制的新型緩凝封孔材料，結合傳統的“兩堵一注”方式，在河南能源城郊煤礦進行了現場試驗，在新型無機緩凝封孔材料投入使用之后，試驗孔平均瓦斯抽采濃度和抽采純量在2個月的觀察期內均高于對比孔，試驗達到預期效果。