新型复合封孔材料的密封性能

林柏泉， 李博洋， 郝志勇

(1.中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 221116； 2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室， 江苏 徐州 221116)

新型复合封孔材料的密封性能

林柏泉1,2， 李博洋1,2， 郝志勇1,2

(1.中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 221116； 2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室， 江苏 徐州 221116)

为保障矿井安全生产、增强抽采钻孔密封效果、提高瓦斯抽采浓度,针对传统密封材料封孔效果差、漏气量大、抽采浓度低等缺点，通过对材料本身漏气通道、钻孔周围煤体漏气通道及密封材料-孔壁间隙漏气通道的分析，得出影响漏气量的三项因素。选择新型复合材料和聚氨酯为密封材料进行室内密封性能实验，并进行现场验证。结果表明：复合材料的封堵性能优于聚氨酯，由其密封的钻孔平均瓦斯抽采体积分数比聚氨酯提高75%。该复合材料是一种致密性高、膨胀性高、结合性强的新型无机封孔材料，其瓦斯抽采钻孔密封效果好。

瓦斯抽采； 复合材料； 钻孔密封； 瓦斯浓度

煤炭一直是我国的主要能源，随采深增加，瓦斯灾害愈来愈严重,预抽瓦斯是预防瓦斯事故的最有效方法[1]。理论上，如果钻孔密封效果足够好、不漏气，则瓦斯抽采体积分数应接近100%。周福宝和孙玉宁等对我国一些大型矿井的瓦斯抽采情况调研发现，62%的矿井顺层抽采30 d瓦斯抽采体积分数在30%以下，66%的矿井60 d瓦斯抽采体积分数在16%以下[2]。这说明现行的封孔工艺及材料难以对钻孔进行有效密封。因此，笔者对中国矿业大学瓦斯防治与利用研究所基于材料复合技术研发的一种无机封孔材料的密封性能进行分析验证。

1 漏气机理分析

钻孔密封后，空气通过三种途径漏入钻孔：Ⅰ是封堵材料自身漏入孔内；Ⅱ是钻孔周围煤体裂隙漏入孔内；Ⅲ是封孔材料与孔壁煤体之间的缝隙漏入孔内[3]。目前，普遍采用普通水泥基类和聚氨酯高分子类封孔材料。水泥基类封孔材料失水易收缩开裂，空气通过水泥与煤壁间的裂隙进入钻孔。聚氨酯类封孔材料遇水易收缩且渗透性差，难以对钻孔周围煤体裂隙进行封堵。要获得更好的密封效果，就必须同时减小这三种漏气途径的漏气量。

1.1 材料自身漏气通道

流体在封孔材料中的运动规律基本符合达西定律[4]，即

(1)

式中：q——气体渗透速率，mm3/s；

K——密封材料渗透系数，mm/s；

S——密封材料横截面积，mm2；

dp/dl——压力梯度。

渗透系数与材料的致密程度有关，密封材料越致密则渗透系数越小。因此，漏气通道Ⅰ的漏风量大小主要取决于材料的致密程度。

1.2 钻孔周围煤体漏气通道

钻孔开挖后，煤体应力平衡状态被打破，应力重新分布。钻孔周围煤体可被划分为四个区域，即破碎区、塑性区、弹性区、原岩应力区[5]。破碎区及塑性区经受了远超过其强度极限的应力，煤体发生塑性变形，渗透率增大，从而形成漏气通道。弹性区内煤体所受应力大于原岩应力，但尚未达到极限应力，只发生弹性变形。该区域内煤体部分裂隙被压实，渗透率较低。王振峰等[6]通过理论分析推导出漏气通道Ⅱ的漏气量模型。结果表明，在同等条件下钻孔支护力越大，漏气量越小。因此，要想减小漏气通道Ⅱ的漏气量，应增加钻孔支护力。翟成等[7-8]研究表明，对钻孔的密封关键在于对钻孔周围裂隙的封堵，因此，封孔材料需要渗透性强。但聚氨酯自身黏度大，流动性差，渗透性低。而水泥基材料颗粒较细，浆体自身即具有良好的渗透性能。

1.3 材料-孔壁间隙漏气通道

刘三钧、林柏泉等[3]通过理论推导得出，漏气通道Ⅲ的漏气量主要与密封材料和钻孔体积的缝隙宽度的三次方成正比。因此，要减小漏气通道Ⅲ的漏气量，需使密封材料与煤体的黏结程度强、缝隙小。

2 密封性能测试

2.1 致密程度

为了得到该复合材料与聚氨酯材料的致密程度，通过渗透系数测定装置检测得出聚氨酯和复合材料的渗透系数分别为9.030和0.187 m2/(MPa2·d)。因此，由式(1)可知，在同等条件下，使用复合材料封孔时，经过漏气通道Ⅰ的漏气量仅为聚氨酯的2.1%。 2.2 材料膨胀性能

对漏气通道Ⅱ的漏气影响因素分析可知，钻孔支护力是漏气通道Ⅱ漏气量的决定因素。为提高密封材料对钻孔的支护力，应该使材料具有一定的膨胀性能。因此，对复合材料进行膨胀性能测试。取一定量的复合材料并加入适量水，搅拌1 min后倒入量筒中，并记录材料的初始体积，此后每隔一段时间记录一次。测试结果如图1所示，复合材料遇水反应后，浆体开始膨胀。27 h后，膨胀率k不再增加，最终稳定在1.30。材料的微膨胀可有效压缩钻孔周围塑性区煤岩体内的裂隙，减小煤岩体渗透率，从而有效封堵漏气通道。

图1 复合材料膨胀率与时间的关系

2.3 密封材料与孔壁结合性能

由漏气通道Ⅲ的漏气影响因素分析可知，要减小漏气通道Ⅲ的漏气量，密封材料需与孔隙煤体有较强的结合性能，减小材料与孔壁的间隙[9]。因此，通过电镜扫描分别对复合材料和聚氨酯与煤壁的结合性能进行观测(放大400倍)，如图2所示。图2a为聚氨酯与孔壁的结合情况，可见聚氨酯与煤体有明显间隙，说明采用聚氨酯封孔时，通过漏气通道Ⅲ的漏气情况严重；图2b为复合材料与孔壁的结合情况，扫描结果显示，复合材料与孔壁煤体无明显间隙，说明采用复合材料时，通过漏气通道Ⅲ的漏气量较小。

a 聚氨酯

b 复合材料

Fig. 2 Observation of polyurethane, composite and coal wall

通过上述漏气通道分析及实验对比可知，复合材料对三个漏气通道的密封性能均优于聚氨酯。

3 现场工业实验

3.1 现场条件

为了验证复合材料的密封效果，选择西山煤电公司官地煤矿16509工作面进行现场工业实验。该工作面井下位于南五采区，采用U型通风。工作面煤层平均厚度2.72 m，结构复杂，根据官地矿煤层瓦斯基本参数测定报告，该工作面所在6#煤层瓦斯压力为0.18～0.23 MPa，煤层瓦斯含量2.88～3.52 m3/t，煤层残存瓦斯含量1.94 m3/t，孔隙率3.4%，煤层透气性系数1.170 1 m2/(MPa2·d)，百米钻孔瓦斯流量0.049 3 m3/min，瓦斯放散初速度Δp=12 mmHg。与16509工作面相邻的16507工作面回采时的瓦斯情况，绝对瓦斯涌出量在10 m3/min左右。相对瓦斯涌出量为3.6 m3/t。

选择10个钻孔进行密封效果对比实验，依次编号为1～10。其中1、3、5、7、9采用复合材料进行密封，注浆压力为2.5～3.0 MPa；其余用聚氨酯进行密封。封孔长度均为12 m。

3.2 实验结果与分析

封孔工作完成后即连续对实验钻孔进行28 d观测，瓦斯抽采的平均体积分数如图3所示。由图3中可知，复合材料密封的钻孔瓦斯抽采平均体积分数φ远高于聚氨酯密封钻孔，提高约75%，说明采用复合材料封孔的漏气量小于聚氨酯。聚氨酯成型后抗压强度低且遇水时聚氨酯易收缩，导致封孔效果差且浓度衰减速度快。复合材料的密封效果好，且随着抽采持续进行，浓度衰减速度小，高效抽采时间长。

图3 瓦斯抽采平均体积分数

4 结 论

(1)通过对漏气通道的分析，得出影响复合材料和聚氨酯密封效果的三个主要因素为密封材料自身致密程度、膨胀力及与孔壁的结合性能，并就上述因素进行实验对比，结果表明复合材料的密封效果优于聚氨酯。

(2)现场工业实验结果表明，采用复合材料密封的钻孔瓦斯抽采浓度高，衰减速率小，比采用聚氨酯密封的钻孔平均瓦斯抽采体积分数高75%，说明复合材料密封的钻孔漏气量小，对各漏气通道的封堵效果优于聚氨酯。

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(编校 王 冬)

Sealing performance of new typed composite sealing material

LinBaiquan1,2,LiBoyang1,2,HaoZhiyong1,2

(1.School of Safety Engineering, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China; 2.State Key Laboratory of Coal Resources & Safe Mining， China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China)

This paper proposes a novel composite sealing material as an improved alternative to conventional sealing material which suffers from disadvantages such as a poor sealing effect, a larger leakage, and a lower extraction in an effort to ensure the safety of mine production, enhance the sealing effect of extraction borehole, and improve the concentration of gas extraction. The research builds on an analysis of the three leakage channels, namely the leakage channel of the material itself, the leakage channel around the coal seam and the gap between the sealing material and the pore wall, identifies the three factors influencing the air leakage, and is validated by an indoor sealing performance test using the new type of composite material and polyurethane as the sealing material, as well as field tests. The study shows that composites boast a better sealing performance than polyurethane and the composite seal provides a 75% higher average volume of gas extraction than polyurethane. The results demonstrate that the composite material is a new typed inorganic sealing material with a higher compactness, a higher expansibility and a stronger binding and affords a better gas drainage borehole sealing effect.

gas extraction; compound material; borehole sealing; gas concentration

2017-01-01

国家自然科学基金项目(51474211)

林柏泉(1960-)，男，福建省龙岩人，教授，博士生导师，博士，研究方向：矿井瓦斯防治，E-mail：lbq21405@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.01.005

TD712

2095-7262(2017)01-0022-04

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