瓦斯抽采鉆孔“兩堵一注”密封新方法試驗研究

李 兵，凡永鵬，郝晉偉，楊偉東

(1.山西高河能源有限公司 瓦斯研究室， 山西 長治 046100； 2.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院， 北京 100013)

鉆孔瓦斯抽采是目前煤礦井下瓦斯災害防治和煤層氣資源開發的主要工程方法[1-4]，約占井下抽采瓦斯總量的90%以上。鉆孔密封是鉆孔瓦斯抽采的關鍵環節之一，直接決定著抽采瓦斯的濃度、成本和效率[5-6]. 高河能源有限公司3#煤層屬高瓦斯、低滲透性、軟弱結構煤層，單孔平均瓦斯涌出量低，抽采難度大。目前該礦井主要采用膨脹水泥+囊袋為主的“兩堵一注”式帶壓封孔技術，但受膨脹水泥材料黏度變化及固結物等物理力學性質影響，鉆孔密封質量不穩定，抽采瓦斯濃度整體偏低。同時，鉆孔密封段是由煤-膨脹水泥材料-抽采管路組成的典型層狀異質結構體，在應力作用下煤體和水泥封孔材料的異質結構界面處極易產生徑向和切向不協調變形，鉆孔密封段異質結構損傷破壞，裂隙貫通，導致鉆孔密封性進一步降低[7-8]，高濃度瓦斯抽采周期縮短，嚴重影響了該礦井瓦斯抽采效率和抽采瓦斯利用率。因此，通過分析膨脹水泥+囊袋式“兩堵一注”鉆孔密封工藝存在的問題，并提出新的工藝方法，以提升該礦井鉆孔抽采瓦斯濃度和效率，增加瓦斯利用量。

1 膨脹水泥物理力學性質測試

膨脹水泥基材料屬典型的水性無機類材料，是目前高河能源井下瓦斯抽采鉆孔密封工程中使用的主要注漿材料。為厘清鉆孔密封材料性質對密封質量的影響作用，分別對其析水率、膨脹率、黏度和強度進行測試分析，具體如下：

1) 析水率及膨脹率。以高河能源井下膨脹水泥封孔材料為測試對象，按照不同水灰比測試其析水率和膨脹率，其測試結果見表1.

表1 不同水灰比下析水率及膨脹率表

由表1可看出，水灰比由1∶0.8增加至1∶1.5時，膨脹水泥材料固結后的體積膨脹率為3.75%～26.25%，即使水灰比為1∶0.8時，其膨脹率為3.75%. 而井下通常采用水灰比為1∶1.1左右的漿液作為密封漿液，其固結物在理論上可對密封段空間進行完全充填，但其抽采瓦斯濃度仍普遍較低，說明其對鉆孔圍巖裂隙的充填性較差，從而導致鉆孔圍巖裂隙發生漏氣。

2) 黏度。取與析水率及膨脹率測試相同的膨脹水泥封孔材料，利用NDJ-8T黏度計分別對水灰比為1∶1、1∶1.3和1∶1.5的水泥漿液的黏度進行測試，測試結果見表2.

表2 不同水灰比膨脹水泥黏度參數表

由表2可看出，當水灰比為1∶1時，其初始黏度為706 mPa·s，4 min內黏度增加45%，且隨著水灰比的增大，膨脹水泥漿液黏度上升速度加快；當水灰比為1∶1.5時，同比黏度增加3.8倍。因此，膨脹水泥快速上升的黏度造成漿液材料難以滲入鉆孔圍巖裂隙，使裂隙充填密封性差，漏氣增加。

3)單軸抗壓強度。該次測試主要觀測膨脹水泥力學性質，選取水灰比為1∶1.3的膨脹水泥固結物，采用TAW-2000型電液伺服試驗機對其自下而上不同位置進行分層單軸抗壓強度測試，其參數見表3.

表3 不同分段試件單軸抗壓強度表

由表3可知，在膨脹水泥膠凝過程中，受重力作用影響，其固結體具有明顯的力學分層現象，其最上部分僅為最先部分的二分之一，即與鉆孔最上接觸部分強度較低，受引力作用更容易形成損傷裂隙，也是后期鉆孔密封濃度降低的主要原因之一。

2 相變凝膠材料簡介

瓦斯抽采鉆孔密封主要包括注漿、滲透、密封3個階段，如果考慮抽采設備回收，則需要對材料實現降解，即增加降解階段。4個階段對材料的性能需求不同，例如注漿階段的環保低量化，滲透階段的低黏低阻，密封階段的自適應動態密封和降解階段的環保可降解等，因此需要密封材料漿液隨時間具有不同的物理力學性能。因此，煤炭科學技術研究院有限公司開發了環保型相變凝膠鉆孔密封材料。

相變凝膠(簡稱PCG)鉆孔密封材料利用水溶性高分子凝膠材料作為漿液材料，通過人為控制凝膠材料水溶液的凝膠點，使材料漿液可以在不同的時間段內發生不同的物理相變反應，進而適應整個鉆孔瓦斯抽采過程對密封材料低阻注漿、低黏滲透、高黏膠結、動態密封及綠色降解等特性的需求，這些不同階段的特性也是相變凝膠鉆孔密封理論“相變”核心思想的體現。相變凝膠與水泥基材料的固結物對比見圖1.

圖1 不同鉆孔密封材料的固結物圖

由于相變凝膠固結物為類固態水性凝膠材料，主要采用黏度特征參數對其進行表征，材料相關性能參數見表4.

表4 相變凝膠鉆孔密封材料性能參數表

由表4可知，在30 min內，相變凝膠材料的初始黏度小于50 mPa·s，僅為水灰比為1∶1膨脹水泥材料漿液的7%左右，具有明顯的滲透性和可注性。

3 試驗概況及結果分析

1) 試驗地點概況。高河能源3號煤層瓦斯賦存條件具有明顯的“南低北高，東低西高”分布特征。該次試驗地點為W3305工作面膠帶順槽，位于礦井西三盤區，小構造發育，平均煤層瓦斯含量為10 m3/t，煤層瓦斯壓力0.68 MPa，煤層透氣性系數為0.098 m2/MPa2·d，屬典型難抽采煤層。同時，試驗地點煤體最大單軸抗壓強度3.025 MPa，彈性模量為0.984 GPa，屬于力學強度相對較低的煤體，因此鉆孔易出現變形失穩現象。

2) 密封工藝及相關參數。該次試驗采用膨脹水泥材料+囊袋為堵頭和PCG鉆孔密封材料為注漿材料的“兩堵一注”帶壓注漿封孔工藝，具體鉆孔及密封施工參數見表5.

表5 試驗鉆孔相關參數表

此外，本次試驗過程中注漿壓力均在0.5 MPa以上后停止，其中兩端堵頭長度合計2 m，注漿段長度為12 m.

3) 試驗結果分析。

試驗數據采集主要采用CJZ4Z瓦斯參數綜合測量儀對各組鉆孔進行分組連續測定。CJZ4Z鉆孔匯流管瓦斯綜合參數測定儀是一種煤礦井下瓦斯抽采參數專用測定儀，其能夠對鉆孔及匯流管內甲烷濃度、流量、管道壓力、管道氣體溫度等相關參數進行在線實時監測、顯示和保存。W3305膠帶順槽N121和N122組鉆孔瓦斯抽采數據測定結果見圖2.

圖2 N121和N122組鉆孔瓦斯抽采參數圖

由圖2可知，與膨脹水泥材料密封的鉆孔相比，采用相變凝膠(PCG)材料密封的鉆孔在瓦斯抽采濃度上得到較大提升，平均增加2倍，平均抽采瓦斯純量提高1.5倍；且在抽采100 d內，平均抽采瓦斯濃度仍保持在56.44%以上，具有明顯提濃效果。這主要是由于相變凝膠鉆孔密封材料的初期低黏特性可以較好地滲入鉆孔圍巖裂隙中，并在凝膠化以后與孔周破碎煤體進行膠結，從而有效提高破碎圍巖的內聚力并增加其滑動摩擦阻力，一定程度上延緩和降低了圍巖裂隙進一步擴展和劣化；同時，由于相變凝膠鉆孔密封材料為膠體材料，可自適應鉆孔變形，對圍巖變形可起到補償的作用，增加了鉆孔密封段后期的密封性。因此，相變凝膠鉆孔密封材料的密封性整體優于膨脹水泥基鉆孔密封材料。

4 結 論

通過對高河能源“兩堵一注”鉆孔密封工藝進行分析及優化得出以下結論：

1) 膨脹水泥材料具有良好膨脹能力和體積補償作用，但其初始黏度較大且上升速度快，在固結后自下而上出現明顯的力學分層現象。

2) 相變凝膠具有較低的初始黏度和較高的凝膠黏度，且凝膠點在30 min內可調，可為注漿和滲透過程提供充足的時間，同時其高黏柔性凝膠還可對鉆孔圍巖進行良好的黏結密封和自適應鉆孔動態變形。

3) 與膨脹水泥材料密封相比，采用相變凝膠材料密封后，組孔平均抽采瓦斯濃度和流量分別提高2倍和1.5倍，且抽采瓦斯濃度在100 d內可保持在56.44%以上。