瓦斯抽采鉆孔封孔段注漿密封全過程分析

楊偉東，霍中剛，舒龍勇，郝晉偉，凡永鵬，薛文濤

（1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭科學研究總院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013）

鉆孔瓦斯預抽是治理瓦斯災害，安全高效利用瓦斯資源的主要技術手段，在我國大部分礦區，鉆孔抽采的濃度較低，抽采純量不高，鉆孔密封質量的好壞，直接影響著瓦斯抽采的效果[1-2]。瓦斯抽采鉆孔密封段是由煤-封孔材料-抽采管路組成的異質結構，煤體與封孔材料性質存在差異，在應力作用下異質結構界面處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，鉆孔密封性降低[3-4]。目前廣泛使用的鉆孔封孔工藝是“兩堵一注”帶壓注漿封孔法，注漿封孔的目的是將具有膠結性能的材料注入鉆孔煤體的孔裂隙中，將破碎的煤體裂隙膠結為一個整體，形成一個具有較高強度，防滲漏且穩定性好的結石體[5]。目前的瓦斯抽采鉆孔封孔材料包括水泥基類、聚氨酯類、高分子類等，而使用最為廣泛的封孔材料是水泥基類封孔材料[6]。封孔材料的性質直接影響著鉆孔密封質量的好壞。劉超[7]等研究表明在以羰基鐵粉為主要溶質的漿液中加入一定量Fe3O4，可大幅度降低密封漿液沉降率，且材料膠結后磁性強度越大的區域，內部破裂越明顯。趙耀耀[8]等通過實驗改變鋁酸鹽水泥的摻入量，探究鋁酸鹽水泥摻入量對材料流動性、凝結時間、膨脹量和抗壓強度的影響。王志明[9]等以水泥基材料為對比樣, 表征了二次膨脹材料膨脹力及微觀結構。劉長武[10]、吳懷國[11]、王志[12]等研究了水泥材料對巖石結構的影響及水泥漿材加固后裂隙試樣的破壞機理和力學性能。眾多學者對鉆孔密封性劣化及封孔材料的性質進行了研究，瓦斯抽采鉆孔封孔過程中封孔材料性質對瓦斯抽采鉆孔密封性具有重要的影響。因此，從封孔材料前期注漿、中期注漿完成及后期封孔材料凝固后全過程分析封孔材料性質對鉆孔密封性的影響。水泥基封孔材料現階段大范圍應用于瓦斯抽采鉆孔密封工藝，研究水泥基類封孔材料漿液的流動性、膨脹性、析水性及后期漿液凝固后的強度特性對瓦斯抽采鉆孔密封性的影響，這對于進一步分析鉆孔漏氣影響因素，提高鉆孔密封質量及抽采效率具有重要作用。

1 封孔材料性質測試原理及方法

井下瓦斯抽采鉆孔封孔作業流程一般需要30 min，在漿液攪拌均勻后進行注漿作業，而注漿作業一般持續時間為10～15 min，因此水泥基材料在攪拌均勻后前10～15 min 內的流動特性、黏度變化影響著鉆孔的封孔質量，同時封孔材料的膨脹率、析水率及封孔后期材料的強度對鉆孔的密封性也會產生影響。分別測試不同水泥基封孔材料的10 min 初始黏度曲線、24 h 膨脹率、24 h 析水率、密度及強度參數指標。

黏度是物質的一種物理化學性質，物體在流體中運動時受到摩擦阻力和壓差阻力，造成機械能的損耗。黏度是流體黏滯性的一種量度，是流體流動力對其內部摩擦現象的一種表示。黏度大表示內摩擦力大，分子量越大，碳氫結合越多。水泥漿液是一種典型的非牛頓流體，實驗測試水泥基漿液黏度采用NDJ-8T 型數字顯示黏度計，旋轉式黏度計工作原理如圖1。

圖1 旋轉式黏度計工作原理Fig.1 Working principle of rotary viscometer

旋轉黏度計工作時，轉子在無級變速電動機提供的動力下繞中心軸勻速旋轉，轉子在被測流體中由于受到黏滯阻力將產生反作用力，通過扭矩與流體黏滯阻力動態平衡達到測量流體黏度的目的，數字黏度計通過扭矩傳感器將扭矩轉換為電壓信號[13]。膨脹率是指物質在因某種原因膨脹之后的體積與在正常情況下的體積之比值。析水率是指漿液體達到初凝時析出水分體積占漿體總體積的百分率。實驗采用100 mL 量筒測試不同水泥漿液的膨脹率、析水率及密度，實驗過程是將攪拌均勻的水泥漿液倒至量筒刻度80 mL 處，靜置24 h 后觀察記錄其液面的刻度及質量變化，進而計算漿液的膨脹率、析水率及密度。

2 封孔材料特性實驗

水泥基類封孔材料已在大部分礦區推廣應用，但不同礦區瓦斯抽采鉆孔采用的封孔水泥材料也不盡相同，為了研究水泥基類封孔材料的性質，采集云南鎮雄礦區（水泥-1）、山西陽泉礦區（水泥-2）、河南平頂山礦區（水泥-3）、山西長治礦區（水泥-4）現場使用的專用水泥基封孔材料并編號，對不同水泥基封孔材料的凝結時間、黏度、強度指標進行測試，從水泥漿液注漿到固結全過程分析封孔材料性質對鉆孔密封性的影響。

分別配置不同礦區水灰質量比為1∶1、1∶1.2、1∶1.5 的水泥漿液，迅速攪拌至均勻，使用NDJ-8T 數顯黏度計測試不同水泥基材料漿液初始10 min 內的黏度及剪切應力變化，實驗室溫度保持21 ℃。待黏度和剪切應力測試完成后測試不同水泥基漿液靜置24 h 后的膨脹率、析水率、密度參數。不同礦區水泥基封孔材料特性實驗測試結果見表1。

表1 不同礦區水泥基材料特性實驗測試結果Table 1 Experimental test results of cement-based materials in different mining areas

3 瓦斯抽采鉆孔密封全過程

3.1 封孔前期注漿材料黏度對密封性的影響

井下瓦斯抽采鉆孔封孔注漿作業大概需要15 min，水灰比介于1∶1 至1∶1.5 之間。研究表明[14]：注漿材料的可注性對裂隙圍巖的填充具有重要影響，即黏度的大小影響封孔注漿，注漿阻力越大，滲透性越差。因此水泥基材料在攪拌均勻后前10～15 min內的流動特性、黏度變化影響著鉆孔的封孔質量。不同礦區不同配比封孔水泥基材料黏度變化曲線如圖2。

圖2 不同礦區不同配比封孔水泥基材料黏度變化曲線Fig.2 Viscosity curves of cement-based materials with different ratios in different mining areas

由圖2 可以看出，各礦區封孔水泥材料的黏度隨時間逐漸增大，水灰比越小，黏度上升越快且最終黏度越大，但不同礦區水泥材料黏度快速上升時間（拐點）不同，以水灰比1∶1.2 為例，長嶺礦區水泥材料黏度在800 s 左右快速增大。山西陽泉礦區水泥材料性質不太穩定，黏度呈波浪狀變化，曲折上升，黏度在320 s 快速增大。河南平頂山礦區水泥材料黏度在330 s 左右快速增大。當山西長治礦區水泥材料水灰比為1∶1、1∶1.2 時，水泥黏度上升速度緩慢，且15 min 時黏度不超過2 Pa·s，當水灰比為1：1.5 時水泥材料黏度則在150 s 左右黏度快速增大。從黏度大小角度分析，水泥漿液水灰比為1∶1.5 時，攪拌均勻300 s 后長治礦區水泥材料的黏度可達10 Pa·s，而云南鎮雄礦區水泥基漿液黏度僅為0.51 Pa·s。水泥漿液黏度的上升速度過快，流動阻力變大，漿液將不能流入到煤壁的部分孔裂隙中，將很難達到封堵孔裂隙的目的，鉆孔密封性降低。

3.2 封孔中期材料膨脹率和析水率對密封性的影響

不同水泥基材料膨脹率和析水率變化曲線如圖3。從圖3 可以看出，山西陽泉、河南平頂山礦區不同水灰比漿液的膨脹率都為1，表明其水泥基封孔材料無膨脹特性；山西長治礦區封孔材料的膨脹率隨著漿液水灰比的減小而逐漸增大，且其膨脹率都大于1，說明其封孔材料具有膨脹特性；而云南長嶺礦區封孔材料漿液則表現出與其他礦區不同的特性，攪拌均勻后水分從漿液中析出，水分和漿液產生分離現象，用析水率來表示水泥材料的析水特性，即隨著漿液水灰比的減小，析水率逐漸降低。

圖3 不同水泥基材料的膨脹率和析水率變化曲線Fig.3 Variation curves of expansion rate and water evolution rate of different cement-based materials

從實驗數據可以看出，不同礦區水泥基封孔材料的膨脹性和析水性表現不同，封孔注漿作業結束后，水泥基封孔材料在膨脹劑作用下體積增大，促進部分漿液滲入鉆孔壁裂隙，減少漏氣通道，且漿液凝固后可為鉆孔圍巖提供一定的支護力，提高鉆孔圍巖穩定性和完整性。若水泥基封孔材料表現出析水特性，封孔后期水分揮發后水泥材料與鉆孔壁貼合不嚴密形成漏氣通道，且支護作用減弱，在應力擾動作用下鉆孔圍巖更易變形，鉆孔密封段煤-水泥異質結構損傷，漏氣通道進一步增加，鉆孔密封性降低。

3.3 封孔后期材料強度對鉆孔密封性的影響

為了分析水泥封孔材料后期凝固后強度對鉆孔密封性的影響，采集山西潞安高河能源3#煤層煤樣和現場專用水泥基封孔材料，制作成標準力學試件，測得煤體和水泥試件的平均密度、彈性模量、泊松比、破壞載荷、單軸抗壓強度等參數指標，煤單體及水泥試件基礎力學參數見表2。

表2 煤單體及水泥試件基礎力學參數Table 2 Basic mechanical parameters of coal monomer and cement specimen

煤單體及水泥單體試件的應力應變曲線分別如圖4、圖5。從圖中可以看出，煤單體試件的應力應變曲線應力峰值普遍大于水泥單體試件，而且煤單體試件的應力跌落非常明顯，在達到峰值后快速失去支撐，試件破裂，說明了實驗煤體試件的脆性特征；水泥試件峰值應力對應較大的橫向應變，說明水泥試件變形較大，具有較強的塑性特征。

圖4 煤單體試件的應力應變曲線Fig.4 Stress-strain curves of coal monomer

圖5 水泥單體試件的應力應變曲線Fig.5 Stress-strain curves of cement monomer

學者對不同組合結構的變形破壞特性的研究結果表明，組合結構的強度介于2 種單體材料試件強度之間[15-16]。瓦斯抽采鉆孔封孔段是由煤-水泥組成的異質結構，煤體和水泥材料由于物理力學性質差異其變形損傷不同，在應力作用下，煤體和水泥在接觸面的變形不一致，交界面摩擦滑動產生空隙，隨著應力繼續增大，鉆孔密封段異質結構損傷破壞，密封性降低。從實驗數據及煤體和水泥材料的脆性和塑性材料性質可以看出，高河能源煤體的強度和硬度都大于水泥材料，而且水泥材料的泊松比大于煤體的泊松比，說明高河能源現場封孔水泥漿液凝固后的抗變形能力較差，在應力擾動作用下水泥封孔材料提供不了足夠的支護作用，鉆孔圍巖變形損傷，鉆孔封孔段煤-水泥異質結構完整性和穩定性降低，異質結構裂隙發育，漏氣通道貫通，鉆孔封孔斷密封性降低。若水泥材料凝固后的強度較煤體大、變形較煤體小，在應力擾動作用下，由于材料物理力學差異，鉆孔封孔段煤-水泥異質結構完整性和穩定性降低。在現場的抽采鉆孔封孔時，煤層賦存條件固定，但水泥基封孔材料的黏度、膨脹性、析水性及強度性質可以改變，應根據礦區煤層的賦存情況、煤體結構及孔裂隙特征挑選符合煤層條件的封孔材料，提高鉆孔密封質量，從而達到提高瓦斯抽采利用效率的目的。

4 結 語

1）水泥基封孔材料漿液的黏度隨著時間逐漸增大，水灰比越小，黏度上升越快且最終黏度越大。封孔材料前期注漿時漿液的黏度是衡量其流動性的關鍵指標，漿液黏度上升越快，流動性降低越快，漿液難以封堵裂隙，鉆孔密封質量不高。

2）封孔材料中期注漿完成后不同水泥基封孔材料表現出膨脹性和析水性，材料的膨脹特性可為鉆孔圍巖提供支護作用，提高鉆孔封孔段異質結構穩定性和完整性，材料的析水性會造成鉆孔壁面與封孔材料分離，漏氣通道增加，密封性降低

3）從煤體及水泥試件的應力應變曲線得出煤體表現出脆性特征，水泥材料表現出塑性特征。封孔材料后期凝固后的強度與煤體差異較大形成不穩定異質結構，在應力擾動作用下，不穩定異質結構裂隙發育，密封性降低。

4）在現場瓦斯抽采鉆孔封孔時，煤層賦存條件一定，但水泥基封孔材料的黏度、膨脹性、析水性及強度性質可以改變，應根據礦區煤層的賦存情況、煤體結構及孔裂隙特征挑選符合煤層條件的封孔材料，提高鉆孔密封質量，從而達到提高瓦斯抽采利用效率的目的。