新型半流體動態密封材料及密封技術研究

摘 要：【目的】針對現有固態封孔材料無法封堵新生裂隙，導致瓦斯抽采后期效果變差的問題，開發一種由黏結性材料、膨脹劑和顆粒填充材料等配置而成的新型有機黏液封孔材料。【方法】首先對新型有機黏液的黏度、保水性、膨脹性和密封包裹性進行測試分析，然后對原有的“三堵兩注”封孔裝置進行改進，研制與新型有機黏液配套使用的三囊袋分段式封孔器。在現場測試階段，根據試驗工作面條件制定順層瓦斯抽采鉆孔封孔方案，采用水泥封孔材料和新型有機黏液封孔材料進行對比試驗。【結果】在30 d的觀測期內，采用新型有機黏液封孔的鉆孔瓦斯抽采濃度和純量均大于采用水泥封孔的鉆孔。【結論】新型半流體動態密封材料密封包裹性優于水泥封孔材料，對瓦斯抽采效果提升明顯。

關鍵詞：瓦斯抽采；新型有機黏液；封孔性能；封孔裝置

中圖分類號：TD32；TD712" "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）11-0039-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.008

Research on New Semifluid Dynamic Sealing Materials and Sealing Technology

GE Xinyu

（China Coal Xinji Liuzhuang Mining Co.， Ltd.， Fuyang 236200， China）

Abstract： [Purposes] Aiming at the problem that the existing solid sealing material can not plug the nascent fissure， which leads to the poor effect in the late stage of gas extraction， a new organic mucous sealing material is developed， which is composed of adhesive material， expansion agent and particle filling material. [Methods] Firstly， the viscosity， water retention， expansion and sealing properties of the new organic mucus were tested and analyzed， and then the original \"three plug and two injection\" sealing device was improved， and the three-bag piecework sealing device used with the new organic mucus was developed. In the field test stage， the sealing scheme of gas extraction borehole along bedding was first developed according to the test working face conditions， and the cement sealing material and the new organic mucous sealing material were used for comparative experiments. [Findings] During the observation period of 30 days， the gas extraction concentration and purity of the boreholes sealed with the new organic mucus were greater than that of the boreholes sealed with cement. [Conclusions] The sealing and wrapping property of the new semi-fluid dynamic sealing material is better than that of the cement sealing material， and the effect of gas extraction is improved significantly.

Keywords： gas extraction; new organic mucus; hole sealing performance; hole sealing device

0 引言

煤炭是我國的基礎能源，在能源消費結構中占有較高比例［1-2］。作為煤的伴生物，瓦斯既是一種清潔能源，同時也是煤礦生產的主要危險源，瓦斯災害長期制約我國煤炭工業的健康發展［3］。通過對本煤層和鄰近煤層進行瓦斯抽采，能夠有效降低工作面瓦斯濃度，防止瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出災害事故的發生，保障回采工作面的安全正常生產［4］，而抽采瓦斯鉆孔的有效封孔技術是提高瓦斯抽采效果至關重要的環節。

優良的封孔材料可顯著提升瓦斯抽采鉆孔的密封質量［5-6］，因此封孔材料的研發也是當前熱門的研究方向。目前，瓦斯抽采鉆孔的密封材料應用最廣泛的是水泥基封孔材料［7-9］和聚氨酯封孔材料［10-11］。水泥基材料封孔前期強度高，其微膨脹特性使得水泥漿液能夠擴散到鉆孔周圍裂隙中，故封孔初期抽采效果較好，并且隨著超細水泥的應用，對微小裂隙的封堵效果也明顯加強［12-13］。隨著工作面的回采，瓦斯抽采鉆孔所受應力也在不斷變化，會產生許多新生裂隙，原有裂隙的結構也會發生變化，但固化后的水泥基材料無法對其進行封堵。雖然可以采用二次封孔作業對新生裂隙進行封堵，但是并沒有從根本上解決上述問題，并且對同一鉆孔進行兩次封孔作業也會大大增加井下工人的工作量。聚氨酯封孔材料初期膨脹率大，裂隙封堵效果好［14-15］，但其后期強度低，難以適應多尺度裂隙的密封，并且聚氨酯材料的固化聚合反應釋放的熱量較大，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［16］。

通過對鉆孔周邊煤巖裂隙多尺度發育特征進行分析可知，要提高煤巖體鉆孔裂隙及在采動卸壓下新生裂隙的封堵水平，行之有效的方法是研發一種非凝固類封孔材料。近年來，一些學者已經在這一方面進行了研究和探索［17-20］，但大都停留在實驗室階段，距離實際應用還有很大的差距，并且沒有根據封孔材料的特性對應開發配套的封孔裝置。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和配套封孔裝置來提高工作面瓦斯抽采效果就顯得非常重要。

1 新型有機黏液封孔材料性能測試

根據瓦斯抽采鉆孔有效封堵條件，新型有機黏液封孔材料應該具有一定的流動性和微膨脹性，以便在一定的注漿壓力下進入鉆孔周邊裂隙中并且可以對裂隙進行有效填充。封孔完成后黏液必須具有良好的保水性，不會因為大量失水而收縮變形從而在煤體和封孔材料之間產生裂隙，并且密封性能較好，所使用的原材料本身無毒無害、價格低廉，適合井下大量使用。

1.1 材料黏度和保水性測試

不同水灰比的新型有機黏液黏度在配置完成后2 h內隨時間的變化情況如圖1所示。由圖1可知，黏液黏度隨時間的增加，先增大后逐漸趨于穩定。當黏液的水灰比為6∶1時，黏液黏度在前20 min內快速增長，20～60 min時黏液黏度雖仍然保持增長，但增長速度明顯放緩，60～120 min時黏液黏度不再增長，基本穩定在10 000 mPa·s左右；黏液的水灰比為8∶1時，黏液黏度在0～75 min內持續增長，75 min后黏液黏度基本穩定在9 300 mPa·s左右；黏液的水灰比為10∶1時，黏液黏度在0～60 min內持續增長，60 min后黏液黏度基本穩定在7 000 mPa·s左右。在現場使用時，考慮黏液的流動性和滲透性，要求黏液在配置完成后初期黏度增長幅度較小，便于黏液向鉆孔周圍煤巖裂隙流動和滲透，以對鉆孔進行高效封堵；當封孔完成后，要求黏液的黏度保持在較高水平，確保已經滲透擴散至裂隙中的黏液不易漏失，滿足長期封孔的需要。因此確定新型有機黏液的合適水灰比為8∶1。

由于新型有機黏液在整個封孔周期內始終保持半流體狀態，不會凝固，因此其必須具有良好的保水性能。

新型有機黏液30 d內黏度和質量損失隨時間變化情況如圖2所示。由圖2可知，黏液質量損失在前10 d內較少，截至第10 d黏液質量減少了7.4 g；10 d后黏液質量損失的速度基本保持不變，到第30 d時，黏液質量共減少了44.4 g，每天平均減少1.48 g；與黏液原有質量相比，黏液在30 d的測試時間內共減少了8.88%。黏液黏度在前12 d基本保持穩定，維持在10 000～10 100 mPa·s之間，當黏液質量損失達到一定值后，黏液的黏度也開始緩慢增加，至第30 d時，黏液黏度增加至10 572.36 mPa·s，相較于黏液的初始黏度增加了5.20%。從上述分析可以看出，隨著黏液在恒溫箱中質量損失的增加，黏液的黏度也會隨之增長，這是因為黏液在恒溫箱中損失的質量大部分來源于黏液中的水分，隨著水分的流失，黏液的黏度隨之增加。但是黏液的黏度增長和質量損失百分比均未超過10%，反映了黏液具有良好的保水性，從而也確保了黏液黏度的相對穩定。

1.2 材料膨脹性測試

為了保證新型有機黏液不收縮，從而起到有效封堵裂隙的作用，其必須具有一定的膨脹性。新型有機黏液膨脹率測試結果見表1。

由表1可見，黏液配置完成后即開始膨脹，在80 min時膨脹率超過1%，160 min時膨脹率超過2%，280 min時膨脹率達到了4%，最終在360 min后黏液體積穩定在471 mL不變，膨脹率為4.67%。黏液具有的微膨脹特性有助于對鉆孔周圍裂隙產生更加緊密的封堵，以保證黏液的封孔效果。

1.3 材料密封包裹性測試

新型有機黏液密封性測試裝置由橡膠管、“兩堵一注”式封孔袋、“兩堵一注”式封孔膠囊、真空泵、壓力表和截止閥組成。其中橡膠管直徑為75 mm，長度為6 m；橡膠管的一端為敞口狀態，另一端首先加工成全封閉狀態，然后在其側邊開孔，安裝一根直徑15 mm的橡膠管，兩根橡膠管連接處使用密封膠進行黏接，最后在直徑15 mm的橡膠管上依次安裝壓力表和截止閥。而“兩堵一注”式封孔袋被配套水泥封孔材料使用，“兩堵一注”式封孔膠囊被配套新型有機黏液使用，封孔袋和封孔膠囊長度均為0.75 m，兩個封孔袋之間和兩個封孔膠囊之間的距離均為1.5 m。在試驗時，將兩根橡膠管水平放置，其中一根放入“兩堵一注”式封孔袋，由注漿管向封孔袋和兩個封孔袋中部注入水泥漿液形成封堵段；另外一根放入“兩堵一注”式封孔膠囊，由注漿管向封孔膠囊和兩個膠囊中部注入新型有機黏液形成封堵段，由此在2根橡膠管內形成長3 m的負壓測試段。將兩根橡膠管靜置48 h后，使用真空泵連接15 mm橡膠管，打開截止閥對負壓測試段進行抽氣，觀察壓力表達到0.4 MPa后關閉截止閥，停止抽氣，然后觀測80 min內負壓測試段壓力數值變化情況。具體如圖3所示。

由圖3可知，采用水泥漿液密封的測壓段內負壓從0.4 MPa下降至0 MPa用時52 min，測試全程負壓下降較快；采用新型有機黏液密封的測壓段內負壓在80 min的測試時間內始終保有一定的負壓，并沒有下降至0 MPa，并且在整個過程其負壓下降速度較慢，表明其密封效果優于水泥。

新型有機黏液包裹性測試方法是將配置好的水灰比為8∶1的500 g黏液靜置2 h后進入黏度穩定期，然后將重300 g的煤樣完全浸入黏液中5 min后取出并稱量剩余黏液的質量。然后將包裹有黏液的煤樣懸掛在固定支架上，下方放置燒杯對煤樣上脫落的黏液進行收集稱重，并每隔1 min記錄一次脫落黏液的總質量，通過反算即可得到附著在煤樣上黏液質量隨時間的變化關系。

新型有機黏液包裹性測試結果如圖4所示。黏液在煤樣上初始附著質量為33.5 g，在20 min的測試時間內，以8 min為界，在1～8 min內，包裹在煤樣上的黏液質量快速下降；至8 min時，包裹黏液質量下降至20.5 g；測試時間大于8 min后，包裹在煤樣上的黏液質量緩慢下降；測試結束時，包裹的黏液質量為17.5 g。從脫落黏液的狀態來看，快速下降時期，脫落黏液體積較大，多以塊狀或者團狀脫落，進入緩慢下降時期后，脫落黏液呈水滴狀或者拉絲狀向下滴落。

水灰比為1∶1的水泥漿液與水灰比為8∶1的新型有機黏液包裹性測試結果對比見表2。水泥漿液與新型有機黏液相比，在測試全周期內其包裹質量均較低。20 min時，包裹在煤樣上的水泥漿液僅剩7.4 g，占其初始質量的35.07%，而此時新型有機黏液的包裹質量為17.5 g，占其初始質量的52.24%，新型有機黏液包裹性明顯優于水泥漿液。

2 新型有機黏液配套封孔器

由于新型有機黏液的非凝固特性并不能與封孔裝置很好地結合在一起使用，同時為了防止新型有機黏液在抽采負壓作用下流入鉆孔瓦斯抽采段，有必要對原有的“三堵兩注”封孔裝置進行改進。

新型有機黏液配套封孔裝置實物圖如圖5所示。在使用時，首先采用新型有機黏液對囊袋1和囊袋2進行注漿，達到一定壓力后打開爆破閥1，向封孔段1注漿，當注漿泵注漿壓力達到0.8 MPa時停止注漿。然后使用水泥漿液對囊袋3進行注漿，達到一定壓力后打開爆破閥2，向封孔段2注漿，當注漿泵注漿壓力達到1.5 MPa時停止注漿。封孔段2的水泥漿液在一定壓力下滲透進周圍裂隙，在新型有機黏液材料和鉆孔瓦斯抽采段形成屏障，防止新型有機黏液材料在抽采負壓作用下流入鉆孔瓦斯抽采段。

3 新型有機黏液現場試驗

新型有機黏液現場試驗選擇在中煤新集劉莊礦業有限公司131102工作面進行。131102工作面為走向長壁開采，工作面走向長度為844.8 m，切眼長280 m，煤層傾角平均為14.5°，采用順層瓦斯鉆孔抽采本煤層瓦斯。

該試驗在工作面回風順槽布置20個鉆孔，鉆孔間隔為2 m，距離底板高度1.5 m，鉆孔傾角限制在±3°之間，其中10個鉆孔為試驗孔，另外10個為對比孔，試驗孔和對比孔采用間隔布置方式。試驗孔采用三囊袋分段式封孔器配合新型有機黏液和水泥漿液封孔，鉆孔封孔深度為8 m，封孔段總長度為14 m，其中新型有機黏液封孔段長12 m，水泥漿液封孔段長2 m。對比孔采用傳統的“兩堵一注”封孔方法配合水泥漿液進行封孔，封孔深度和封孔長度與對比孔保持一致。工作面順層瓦斯抽采鉆孔布置方式如圖6所示。

封孔完成后，該試驗將抽采管與抽采支管連接，進行聯網抽采，通過礦上煤礦瓦斯在線監測系統對各個鉆孔每天的瓦斯濃度和流量數據進行記錄，觀測時間為期30 d。觀測期滿后，計算試驗孔和對比孔每天的平均瓦斯抽采濃度和純量，結果如圖7和圖8所示。

由圖7可知，在30 d觀測期內，試驗孔平均瓦斯抽采濃度從54.1%下降至22.1%，對比孔平均瓦斯抽采濃度從39.6%下降至12.8%。按照利用瓦斯時，抽出瓦斯中的瓦斯濃度不得低于30%為界，試驗孔抽采瓦斯利用天數為21 d，而對比孔僅為13 d，不及瓦斯抽采天數的一半。

由圖8可知，試驗孔中初始瓦斯抽采純量較大，并且隨著瓦斯抽采時間的增加下降較慢，始終維持在0.7 m3/min之上。對比孔在抽采初期瓦斯抽采純量快速下降，抽采至10 d時，對比孔已經下降至0.3 m3/min，證明在此時已經有大量的空氣通過鉆孔周圍新生裂隙進入了鉆孔中，已經凝固的水泥漿液失去了對瓦斯抽采鉆孔的有效封堵。綜合以上分析可知，采用新型有機黏液封孔能夠更加有效封堵鉆孔，鉆孔瓦斯抽采濃度和純量均有所提高，達到了預期效果。

4 結論

①新型有機黏液具有一定的流動性、良好的保水性和微膨脹的特點，實驗室測試其密封包裹性優于水泥材料。

②對原有的“三堵兩注”封孔方法進行改進，研制出了與新型有機黏液配套使用的三囊袋分段式封孔器。

③現場試驗中，在30 d的觀測期內，采用新型有機黏液封孔的試驗孔瓦斯抽采濃度和純量均明顯高于采用水泥漿液封孔的對比孔，瓦斯抽采效果提升明顯。

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收稿日期：2023-11-30

作者簡介：葛新玉（1982—），男，碩士，高級工程師，研究方向：安全技術及工程。