煤礦井下瓦斯抽采鉆孔封堵材料及其配套工藝的研究進展

顏文學，程 波

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

煤礦瓦斯又稱“煤層氣”，是儲存在煤層中、以吸附在煤基質顆粒表面為主、部分游離于煤體孔、裂隙中的烴類氣體，其主要成分為甲烷[1]。長期以來，瓦斯是煤礦重特大事故的主要災害源，同時其熱值與天然氣相當，可以與天然氣混輸混用，而且燃燒后幾乎不產生任何廢氣[1]。因此，煤礦瓦斯是近20年在國際上崛起的潔凈、優質能源和化工原料。瓦斯抽采是礦井實施瓦斯災害治理的主要措施，其是通過在煤層內施工鉆孔，而后采用相應的封孔材料及工藝將鉆孔密封后[2]，由泵站將煤層內富集的瓦斯經由井下敷設的管網抽取至地面，從而實現降低煤層瓦斯含量，減小甚至消除瓦斯災害威脅的目的。我國煤層瓦斯賦存條件普遍較差，同時受瓦斯抽采鉆孔封堵材料及其配套工藝[2]、瓦斯抽采方法等適應性技術不到位的影響，目前我國瓦斯抽采量和利用率還比較低，特別是對于低濃度瓦斯，很多煤礦僅僅實現了抽放排空，沒有得到合理有效利用，而且造成嚴重的大氣污染和溫室效應。瓦斯抽采鉆孔的封堵質量直接決定了鉆孔抽采瓦斯濃度的高低。通常，煤礦抽采瓦斯濃度高于8%的瓦斯，可用于發電、民用或工業生產，而濃度低于8%的瓦斯則會直接排空，預計每年我國約有100億m3的煤礦抽采瓦斯，因為利用困難而直接排空，其溫室效應是二氧化碳的21倍[3]。因此，充分考慮煤礦瓦斯賦存條件的特點，研究適宜的瓦斯抽采鉆孔封堵材料及其配套工藝是我國煤礦安全技術人員競相追逐的熱點之一。鑒于此，對煤礦井下巷道內空氣進入瓦斯抽采鉆孔的路徑進行了分析，歸納了瓦斯抽采鉆孔封堵材料及其配套工藝作業效果的影響因素，并重點闡述了目前我國煤炭行業常用的封堵材料及其配套工藝的研究進展，進一步提出了存在的問題及未來的研究方向，旨在為新型封堵材料及其配套工藝的研究提供一些借鑒和思路。

1 瓦斯抽采鉆孔封堵材料及其配套工藝作業效果

1.1 煤礦井下巷道內空氣進入瓦斯抽采鉆孔的路徑

煤礦井下瓦斯抽采鉆孔封堵的目的在于應用相應的封孔材料及其配套工藝，減少甚至消除巷道內空氣進入瓦斯抽采鉆孔的路徑，從而防止鉆孔抽采瓦斯的濃度降低。由于受巷道掘進以及鉆孔成孔過程中擾動作用的影響，巷道與鉆孔周圍的煤（巖）體的應力狀態將發生改變，均呈現出“三區”分布的特征，即：應力降低區、應力升高區和原巖應力區[4]。巷道與鉆孔周圍的煤（巖）體的應力應變特征示意圖如圖1[4]。

圖1 巷道與鉆孔周圍的煤（巖）體的應力應變特征示意圖Fig.1 Schematic diagram of stress and strain distribution around roadway and boreholes in coal body

處于應力降低區內的煤（巖）體已在采動應力的作用下發生了塑性破壞，其內部孕育了大量的次生裂隙[4]，為煤礦井下巷道內空氣進入瓦斯抽采鉆孔提供了良好的運移“通道”，空氣進入鉆孔路徑的示意圖如圖2。

圖2 空氣進入鉆孔路徑的示意圖Fig.2 Schematic diagram of the air entering path in boreholes

由于瓦斯抽采鉆孔內為負壓，巷道內的空氣極易在鉆孔內負壓與井下大氣壓形成的壓差的驅動下進入至鉆孔內。同時，隨著瓦斯抽采作業的進行，煤體將產生不同程度的塑性軟化與擴容[5]，這將導致巷道及鉆孔周圍煤體的塑性區范圍增大。特別是針對弱結構煤層而言，該現象更為突出[5-6]，這也為抽采鉆孔的有效封堵帶來了新的困難。另一方面，若封孔材料固化體自身存在一定的裂隙，亦將導致空氣進入至瓦斯抽采鉆孔內；若采用的封孔材料的黏結性較差，則其與鉆孔內壁、抽采管材的黏結面也是空氣進入瓦斯抽采鉆孔的路徑之一。

1.2 影響因素

1）瓦斯抽采鉆孔的封堵深度。若瓦斯抽采鉆孔的封堵深度未超越巷道周圍煤（巖）體的塑性區范圍，則封孔后巷道內的空氣將經由塑性區內的發育裂隙網絡進入至鉆孔內，導致抽采瓦斯濃度降低。同時，應充分考慮煤體的塑性軟化與擴容的特性[5-6]，使瓦斯抽采鉆孔的封堵深度適應巷道周圍煤體塑性區范圍的變化。故，厘清巷道周圍煤（巖）體的應力分布特征，科學準確勘測塑性區邊界，進一步應用相應的封堵工藝使封堵深度至巷道周圍煤（巖）體的塑性區邊界，方可確保鉆孔的密封性。但目前，我國學者在確定瓦斯抽采鉆孔合理封堵深度方面[4-5]，僅采用理論分析與數值計算的方法，并未開發出相應的裝備。

2）瓦斯抽采鉆孔注漿封孔的壓力及封堵材料漿液的滲透范圍。瓦斯抽采鉆孔的注漿封孔是指應用相應的注漿裝置使得封孔材料在注漿壓力的作用下，流入某一段的鉆孔與抽采管材之間的環形空間內，進一步克服鉆孔周圍煤（巖）體的裂隙中的瓦斯壓力、水鎖效應等阻力[6]，滲透至鉆孔周圍煤（巖）體塑性區的裂隙系統內，從而降低煤（巖）體的透氣性。

3）封堵材料自身的密封性以及與鉆孔內壁、抽采管材的黏結強度。若封堵材料選擇不當或在封孔后由于某種原因而發生了破裂，則其密封性難以隔絕空氣的進入，故應針對煤礦井下的地質條件與工程實際選擇適宜的封堵材料；另，在封孔材料與鉆孔內壁、抽采管材黏結不緊密的情況下，封孔材料和鉆孔內壁、抽采管材之間存在的縫隙亦將構成空氣進入的通道[6]。

2 研究進展

煤礦井下瓦斯抽采鉆孔的封堵從原材料來看經歷了由水泥砂漿、礦用反應型高分子材料、改性水泥、柔性膏體材料到微細膨脹粉料顆粒材料的過程；從工藝上來看，則經歷了由簡單的注漿封孔、囊袋式或封孔器封孔、到“兩堵一注”的帶壓封孔與二次封孔的歷程。不同的瓦斯抽采鉆孔封堵材料及其配套工藝在特定的煤礦井下瓦斯地質與工程條件下具有不同的適用性，通常使用時需要就實際情況進行選擇。

2.1 水泥砂漿封堵材料及其配套工藝

20世紀中葉，中國礦業大學周世寧院士等提出了采用水泥砂漿封堵瓦斯抽采鉆孔的方法，其是將水與硅酸鹽水泥按照一定的水灰比進行混合后，通過泥漿泵或砂漿泵注入鉆孔與抽采管材的環形空間內，在注漿的過程中，采用木楔或者棉布對鉆孔孔口進行封堵，防止漿液的流出。

水泥砂漿封堵材料及其配套工藝的優點在于其對煤礦井下的瓦斯地質條件適應性強，其封堵質量不受煤（巖）層內水的影響，且水泥砂漿固化后遇水不會軟化。此后，煤礦安全科技人員在原有工藝的基礎上，對封孔用注漿泵進行了改進[7]，并將膨脹劑添加至水泥漿液中[8]，采用聚氨酯藥卷實施孔口封堵[9]。然而水泥砂漿封堵工藝作業繁瑣、耗時長，且后期易收縮干裂造成抽采鉆孔封堵失效[5]。隨著煤礦安全科學技術的飛速發展，越來越多的新型封孔材料及工藝涌現，目前我國規模以上的礦井已基本淘汰了該種瓦斯抽采鉆孔封堵方法。

2.2 礦用反應型高分子封堵材料及其配套工藝

與水泥砂漿封堵抽采鉆孔相比，礦用反應型高分子封堵材料及其配套工藝具有操作簡單、耗時少的優點，目前已廣泛應用于煤礦井下的瓦斯抽采鉆孔封堵作業中。礦用反應型高分子材料是由基料和催化劑，以某一體積比進行混合，即時發泡，迅速膨脹形成的，具有良好的隔氣性和發泡性。膨脹倍數可達最初體積的15～30倍，膨脹泡沫幾分鐘內即可凝固硬化。礦用反應型高分子材料封堵工藝可分為：注漿法[10-11]、卷纏法[12]和分離式囊袋法[13]3種。礦用反應型高分子材料封堵的注漿法與前述水泥砂漿注漿封孔的工藝類似，所不同之處在于其采用的是具有自清潔功能的注漿封孔泵[14]，旨在防止高分子材料漿液附著在泵體內部進而影響后續的使用。所述卷纏法[12]是將雙組分混合好后均勻倒撒在麻布或棉紗上，而后裹纏在抽采管材上，迅速送入鉆孔內。該種封孔工藝操作簡單、作業效率高，但其封堵深度往往較淺，未超越巷道周圍煤（巖）體的塑性區范圍，故封堵質量較差。所述分離式囊袋法封孔[13]是將雙組分的原料預裝入囊袋中，由塑料夾將雙組分原料分割開，使用時僅需撤除塑料夾即可實現雙組分原料的混合，而后將囊袋緊固在抽采管材上，并送入鉆孔。分離式囊袋法封孔工藝的優點在于，操作人員不與原料漿液接觸，成本低。若瓦斯抽采鉆孔在成孔后發生變形甚至坍塌時，由于囊袋內高分子漿液的反應速度較快，發泡膨脹后便難以將抽采管材送至預定的深度，造成封堵失效。以上3種礦用反應型高分子材料的封堵工藝中，僅注漿法可適應于鉆孔封孔深度較深時的作業，而卷纏法與分離式囊袋法則由于其自身工藝的缺陷則難以保證鉆孔的封堵深度至巷道周圍煤（巖）體的塑性區邊界，故封堵效果有限。另，礦用反應型高分子材料漿液的黏度較高，即便在帶壓注漿的條件下，其漿液的滲透范圍亦難到達鉆孔周圍煤（巖）體的塑性區邊界。

同時，礦用反應型高分子原料中往往含有揮發性的有毒有害有機物，若井下作業人員長期大量接觸，勢必對其身體健康造成危害。隨著煤礦井下回采工作面的推進，若封堵瓦斯抽采鉆孔的礦用反應型高分子材料遺落在采空區內，且與采空區內自燃的煤炭接觸，極易發生陰燃[15]。陰燃過程中會釋放大量的煙霧或有毒有害氣體影響作業人員的身體健康，同時產生諸多的可燃性氣體，而且極易轉變成有焰火，從而引發大的火災，并引燃或引爆煤礦井下的瓦斯氣體，造成重特大的安全生產事故[15]。這在很大程度上也限制了礦用反應型高分子材料的適用范圍，但由于礦用反應型高分子封堵材料及其配套工藝作業效率較其他封孔工藝高，因而目前我國多數礦井仍采用該種方法實施瓦斯抽采鉆孔的封堵。故，開展相關的研究，構筑礦用反應型高分子封堵材料的安全準入分析驗證技術體系，對其液體原料安全性、環保性以及反應過程釋放有毒煙氣等方面制定相應的技術標準，是應用礦用反應型高分子封堵材料實施瓦斯抽采鉆孔封堵亟需解決的技術難題。

2.3 改性復合封堵材料及其配套工藝

隨著新材料和新工藝的不斷開發和完善，對煤礦井下瓦斯抽采鉆孔封堵材料的研究已不再局限于使用單一材料及傳統的改變封孔工藝的方式，而是利用新材料和新工藝，著力于開發出封堵性能優異且現場施工工藝簡單的新型材料及其施工方法。因此，改性復合封堵材料隨之應運而生，其主要包括：高水材料[16]、新型CF材料[17-18]、PD復合材料[19]、柔性膏體[20]以及弱強度果凍狀膠體[21]等。上述改性符合封堵材料的配套工藝均采用注漿或“兩堵一注”的方法。

高水材料是以硫鋁酸鹽水泥熟料和懸浮劑為基料，以石膏、生石灰、速凝劑等為輔料的新型復合材料[16]，使用時按照一定的水灰比配制成漿液，待充分混合均勻后，經由注漿泵輸送至鉆孔的封孔段內。該種封堵材料具有凝結快速、流動性強的優點，且固化形成的封孔體強度高，同時具有微膨脹的特點，可與煤（巖）固體表面緊密黏結。

新型CF封孔材料具備高水材料的優點，同時具有較高的抗壓抗變形能力，其主要由普通硅酸鹽水泥、石膏等無機添加劑組成。

PD復合材料是近年來新興的一種瓦斯抽采鉆孔封度材料，其與高水材料、新型CF材料相似，均以水泥為基料，所不同之處在于采用了先進的微膠囊化技術，可實現漿液在鉆孔周圍煤（巖）體裂隙系統內緩慢滲透[19]，并在此過程中逐漸凝固、膨脹，從而實現對裂隙的高效封堵。為適應煤礦井下瓦斯抽采鉆孔在地應力作用下產生的變形以及鉆孔周圍煤（巖）體裂隙場的演化特性，切實保障瓦斯抽采鉆孔全壽命周期內的封堵質量，我國學者以常見的粉煤灰為基料，輔以纖維素、偶聯劑等材料[20]，研發了柔性膏體封堵材料。使用時，將柔性膏體材料與水進行混合攪拌，而后通過注漿的方式輸送至鉆孔的封孔段內。柔性膏體材料漿液的流動性強，且固化后具有極為顯著的抗干裂與彈性。

以上改性復合封堵材料及其配套工藝的作業效果明顯優于礦用反應型高分子封堵材料[18-22]，但在封堵瓦斯含量較高的松軟煤層抽采鉆孔時，則由于煤體的塑性軟化和擴容效應的存在，致使后期鉆孔周圍煤體的塑性區半徑將增大近96%[5]。而以上3種封堵材料[16-20]固化后雖均呈現出一定的膨脹特性，但其膨脹能力仍不能完全適應此類程度的塑性變形。故，以上改性復合封堵材料及其配套工藝[16-20]可在封堵作業完成后的一定時期內具有良好的應用效果，但仍難以維系整個抽采時期內的鉆孔密封質量。

弱強度果凍狀膠體是一種吸收高分子樹脂材料[21]，與前述PD復合材料配合使用，其封堵工藝為：通過井下的高壓空氣將PD復合材料漿液、弱強度果凍狀膠體分別通過2根注漿管輸送至鉆孔的封孔段內，PD復合材料漿液在封孔段的前后兩端形成阻擋，弱強度果凍狀膠體則在封孔段中部完全充填，進而形成“強弱強”的格局。該種封孔工藝在我國多個礦區的工業性試驗均取得了極為明顯的應用效果，但其施工流程復雜、作業效率低，且成本較其他封孔方法高，故目前推廣應用的范圍有限。

由以上分析可知，尋求一種施工簡便、成本低廉，且可實現抽采鉆孔全壽命周期內有效封堵的新型封孔材料及工藝便成為當前煤炭行業亟需解決的關鍵科學問題。受目前較為成熟的高壓水力割縫工藝的啟發[22]，認為可將其與帷幕注漿的工藝相結合[23]，即：在考慮巷道周圍煤（巖）體塑性區演化特征的前提下，應用高壓水力割縫的工藝在煤（巖）體的應力集中區的某一位置實施割縫作業，使該處的煤（巖）體形成一定厚度的圓盤形縫槽。鉆孔“圓形帷幕”協同封孔材料固化體示意圖如圖3。

圖3 鉆孔“圓形帷幕”協同封孔材料固化體示意圖Fig.3 Schematic diagram of solidified body of drilling circular curtain synergistic sealing material

與此同時，研發適宜于煤礦井下的具有高彈性自修復功能的封孔材料[24]，并將其注入至高壓水力割縫形成的圓盤形縫槽中，形成鉆孔封堵的“圓形帷幕”，隔絕井下空氣攝入鉆孔；在“圓形帷幕”至鉆孔孔口的部分，則可適當減少封堵長度，實現以“封堵深度置換封堵長度”的目的，使瓦斯抽采鉆孔的封堵作業兼具技術、經濟性。需要指出的是，該種方法首先應準確判識鉆孔抽采時期內巷道周圍煤（巖）體塑性區演化的最大范圍。故，加強相關理論與試驗研究，并進行大量的井下工業性試驗考證理論與試驗研究成果的適用性及準確性。而在鉆孔封堵的“圓形帷幕”至孔口的范圍，則可依據礦井自身的地質條件，選擇相應的改性復合封堵材料[16-21]，并采用的帶壓封孔工藝。

2.4 微細膨脹粉料顆粒材料及其二次封孔工藝

微細膨脹粉料顆粒材料是由水泥、黃泥和工業淀粉等原料[25-27]，按照一定比例配制而成，與其配套的封堵方法為二次封孔工藝。該種方法與前述的工藝截然不同，其在實施抽采鉆孔封堵時，預留一定的二次注料的空間，待抽采瓦斯濃度降低時，應用高壓空氣將微細膨脹粉料顆粒注入至預留空間內。而后，微細膨脹粉料顆粒進入至鉆孔周圍煤（巖）體的裂隙內[25-27]。實際該種封孔方法屬鉆孔封堵修復的一種，可在一定程度上適應煤（巖）體變形、應力場變化引發的鉆孔周邊裂隙擴張、發育對封堵效果的影響。

但就適用條件而言，該種封孔方法仍存在一定的不足，其原因在于：①微細膨脹粉料顆粒材料的注入是依靠高壓空氣壓力，將顆粒材料輸送至煤（巖）體的裂隙內，若此時鉆孔周圍煤（巖）體的塑性區持續發育、發展[5]，則顆粒材料實際難以對后期形成的裂隙實現有效封堵，且在完成二次注料后，顆粒材料仍將可能在鉆孔內負壓的驅動下，進入鉆孔內，故實際難以形成對瓦斯抽采鉆孔的有效封堵；②若煤（巖）體內富含水，則該種地質條件下，顆粒材料極易遇水在裂隙內形成類似于“密閉墻”的封堵體，看似可實現鉆孔的有效二次密封，但在鉆孔周圍煤（巖）體應力場發生改變的情況下，則易發生錯動[27]，進而導致封堵失效。故，微細膨脹粉料顆粒材料及其二次封孔工藝實際適用于堅固性系數較高，且含水較少的煤層，而對于塑性軟化、擴容特征明顯的松軟煤層則其適用性勢必受限。

3 望

研究煤礦井下瓦斯抽采鉆孔高效封堵材料及其配套工藝，有效隔絕井下空氣進入鉆孔，提高抽采瓦斯濃度，是煤礦瓦斯抽采利用產業實現可持續健康發展的關鍵。煤礦井下瓦斯抽采鉆孔高效封堵材料及其配套工藝的研究在以下3個方面值得進一步改進與完善：

1）在厘清巷道周圍煤（巖）體的應力分布演化特征的基礎上，著力開發適宜于煤礦井下工程實際的塑性區邊界探測裝備，科學確定瓦斯抽采鉆孔的合理封堵深度，是使煤礦井下瓦斯抽采鉆孔封堵具備技術、經濟性的前提。

2）構筑礦用反應型高分子封堵材料的安全準入分析驗證技術體系，對其液體原料安全性、環保性以及反應過程釋放有毒煙氣等方面制定相應的技術標準，引導并約束礦用反應型高分子封堵材料的生產制造，實現反應型高分子封堵材料的安全高效應用。

3）利用現有的高壓水力割縫工藝與抽采鉆孔封堵相結合，形成鉆孔“圓形帷幕”協同封孔材料固化體的高可靠性新型封孔工藝，實現煤礦井下瓦斯抽采鉆孔全壽命周期內的高質量封堵。研發適宜于煤礦井下地質條件的具有高彈性自修復功能的封孔材料，保障鉆孔抽采瓦斯濃度，提高煤礦抽采瓦斯利用的經濟、社會效益。

4 結 語

1）分析了煤礦井下巷道內空氣進入瓦斯抽采鉆孔的路徑，歸納了瓦斯抽采鉆孔封堵材料及其配套工藝作業效果的影響因素。

2）闡述了目前我國煤炭行業常用的封堵材料及其配套工藝的研究進展，并指出了相應的技術特點及適用條件。

3）提出了煤礦井下瓦斯抽采鉆孔高效封堵材料及其配套工藝未來的研究方向，旨在為新型封堵材料及其配套工藝的研究提供一些借鑒和思路。