瓦斯抽采钻孔封孔段注浆密封全过程分析

杨伟东，霍中刚，舒龙勇，郝晋伟，凡永鹏，薛文涛

（1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭科学研究总院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013）

钻孔瓦斯预抽是治理瓦斯灾害，安全高效利用瓦斯资源的主要技术手段，在我国大部分矿区，钻孔抽采的浓度较低，抽采纯量不高，钻孔密封质量的好坏，直接影响着瓦斯抽采的效果[1-2]。瓦斯抽采钻孔密封段是由煤-封孔材料-抽采管路组成的异质结构，煤体与封孔材料性质存在差异，在应力作用下异质结构界面处产生径向和切向不协调变形，钻孔密封段异质结构损伤破坏，裂隙贯通，钻孔密封性降低[3-4]。目前广泛使用的钻孔封孔工艺是“两堵一注”带压注浆封孔法，注浆封孔的目的是将具有胶结性能的材料注入钻孔煤体的孔裂隙中，将破碎的煤体裂隙胶结为一个整体，形成一个具有较高强度，防渗漏且稳定性好的结石体[5]。目前的瓦斯抽采钻孔封孔材料包括水泥基类、聚氨酯类、高分子类等，而使用最为广泛的封孔材料是水泥基类封孔材料[6]。封孔材料的性质直接影响着钻孔密封质量的好坏。刘超[7]等研究表明在以羰基铁粉为主要溶质的浆液中加入一定量Fe3O4，可大幅度降低密封浆液沉降率，且材料胶结后磁性强度越大的区域，内部破裂越明显。赵耀耀[8]等通过实验改变铝酸盐水泥的掺入量，探究铝酸盐水泥掺入量对材料流动性、凝结时间、膨胀量和抗压强度的影响。王志明[9]等以水泥基材料为对比样, 表征了二次膨胀材料膨胀力及微观结构。刘长武[10]、吴怀国[11]、王志[12]等研究了水泥材料对岩石结构的影响及水泥浆材加固后裂隙试样的破坏机理和力学性能。众多学者对钻孔密封性劣化及封孔材料的性质进行了研究，瓦斯抽采钻孔封孔过程中封孔材料性质对瓦斯抽采钻孔密封性具有重要的影响。因此，从封孔材料前期注浆、中期注浆完成及后期封孔材料凝固后全过程分析封孔材料性质对钻孔密封性的影响。水泥基封孔材料现阶段大范围应用于瓦斯抽采钻孔密封工艺，研究水泥基类封孔材料浆液的流动性、膨胀性、析水性及后期浆液凝固后的强度特性对瓦斯抽采钻孔密封性的影响，这对于进一步分析钻孔漏气影响因素，提高钻孔密封质量及抽采效率具有重要作用。

1 封孔材料性质测试原理及方法

井下瓦斯抽采钻孔封孔作业流程一般需要30 min，在浆液搅拌均匀后进行注浆作业，而注浆作业一般持续时间为10～15 min，因此水泥基材料在搅拌均匀后前10～15 min 内的流动特性、黏度变化影响着钻孔的封孔质量，同时封孔材料的膨胀率、析水率及封孔后期材料的强度对钻孔的密封性也会产生影响。分别测试不同水泥基封孔材料的10 min 初始黏度曲线、24 h 膨胀率、24 h 析水率、密度及强度参数指标。

黏度是物质的一种物理化学性质，物体在流体中运动时受到摩擦阻力和压差阻力，造成机械能的损耗。黏度是流体黏滞性的一种量度，是流体流动力对其内部摩擦现象的一种表示。黏度大表示内摩擦力大，分子量越大，碳氢结合越多。水泥浆液是一种典型的非牛顿流体，实验测试水泥基浆液黏度采用NDJ-8T 型数字显示黏度计，旋转式黏度计工作原理如图1。

图1 旋转式黏度计工作原理Fig.1 Working principle of rotary viscometer

旋转黏度计工作时，转子在无级变速电动机提供的动力下绕中心轴匀速旋转，转子在被测流体中由于受到黏滞阻力将产生反作用力，通过扭矩与流体黏滞阻力动态平衡达到测量流体黏度的目的，数字黏度计通过扭矩传感器将扭矩转换为电压信号[13]。膨胀率是指物质在因某种原因膨胀之后的体积与在正常情况下的体积之比值。析水率是指浆液体达到初凝时析出水分体积占浆体总体积的百分率。实验采用100 mL 量筒测试不同水泥浆液的膨胀率、析水率及密度，实验过程是将搅拌均匀的水泥浆液倒至量筒刻度80 mL 处，静置24 h 后观察记录其液面的刻度及质量变化，进而计算浆液的膨胀率、析水率及密度。

2 封孔材料特性实验

水泥基类封孔材料已在大部分矿区推广应用，但不同矿区瓦斯抽采钻孔采用的封孔水泥材料也不尽相同，为了研究水泥基类封孔材料的性质，采集云南镇雄矿区（水泥-1）、山西阳泉矿区（水泥-2）、河南平顶山矿区（水泥-3）、山西长治矿区（水泥-4）现场使用的专用水泥基封孔材料并编号，对不同水泥基封孔材料的凝结时间、黏度、强度指标进行测试，从水泥浆液注浆到固结全过程分析封孔材料性质对钻孔密封性的影响。

分别配置不同矿区水灰质量比为1∶1、1∶1.2、1∶1.5 的水泥浆液，迅速搅拌至均匀，使用NDJ-8T 数显黏度计测试不同水泥基材料浆液初始10 min 内的黏度及剪切应力变化，实验室温度保持21 ℃。待黏度和剪切应力测试完成后测试不同水泥基浆液静置24 h 后的膨胀率、析水率、密度参数。不同矿区水泥基封孔材料特性实验测试结果见表1。

表1 不同矿区水泥基材料特性实验测试结果Table 1 Experimental test results of cement-based materials in different mining areas

3 瓦斯抽采钻孔密封全过程

3.1 封孔前期注浆材料黏度对密封性的影响

井下瓦斯抽采钻孔封孔注浆作业大概需要15 min，水灰比介于1∶1 至1∶1.5 之间。研究表明[14]：注浆材料的可注性对裂隙围岩的填充具有重要影响，即黏度的大小影响封孔注浆，注浆阻力越大，渗透性越差。因此水泥基材料在搅拌均匀后前10～15 min内的流动特性、黏度变化影响着钻孔的封孔质量。不同矿区不同配比封孔水泥基材料黏度变化曲线如图2。

图2 不同矿区不同配比封孔水泥基材料黏度变化曲线Fig.2 Viscosity curves of cement-based materials with different ratios in different mining areas

由图2 可以看出，各矿区封孔水泥材料的黏度随时间逐渐增大，水灰比越小，黏度上升越快且最终黏度越大，但不同矿区水泥材料黏度快速上升时间（拐点）不同，以水灰比1∶1.2 为例，长岭矿区水泥材料黏度在800 s 左右快速增大。山西阳泉矿区水泥材料性质不太稳定，黏度呈波浪状变化，曲折上升，黏度在320 s 快速增大。河南平顶山矿区水泥材料黏度在330 s 左右快速增大。当山西长治矿区水泥材料水灰比为1∶1、1∶1.2 时，水泥黏度上升速度缓慢，且15 min 时黏度不超过2 Pa·s，当水灰比为1：1.5 时水泥材料黏度则在150 s 左右黏度快速增大。从黏度大小角度分析，水泥浆液水灰比为1∶1.5 时，搅拌均匀300 s 后长治矿区水泥材料的黏度可达10 Pa·s，而云南镇雄矿区水泥基浆液黏度仅为0.51 Pa·s。水泥浆液黏度的上升速度过快，流动阻力变大，浆液将不能流入到煤壁的部分孔裂隙中，将很难达到封堵孔裂隙的目的，钻孔密封性降低。

3.2 封孔中期材料膨胀率和析水率对密封性的影响

不同水泥基材料膨胀率和析水率变化曲线如图3。从图3 可以看出，山西阳泉、河南平顶山矿区不同水灰比浆液的膨胀率都为1，表明其水泥基封孔材料无膨胀特性；山西长治矿区封孔材料的膨胀率随着浆液水灰比的减小而逐渐增大，且其膨胀率都大于1，说明其封孔材料具有膨胀特性；而云南长岭矿区封孔材料浆液则表现出与其他矿区不同的特性，搅拌均匀后水分从浆液中析出，水分和浆液产生分离现象，用析水率来表示水泥材料的析水特性，即随着浆液水灰比的减小，析水率逐渐降低。

图3 不同水泥基材料的膨胀率和析水率变化曲线Fig.3 Variation curves of expansion rate and water evolution rate of different cement-based materials

从实验数据可以看出，不同矿区水泥基封孔材料的膨胀性和析水性表现不同，封孔注浆作业结束后，水泥基封孔材料在膨胀剂作用下体积增大，促进部分浆液渗入钻孔壁裂隙，减少漏气通道，且浆液凝固后可为钻孔围岩提供一定的支护力，提高钻孔围岩稳定性和完整性。若水泥基封孔材料表现出析水特性，封孔后期水分挥发后水泥材料与钻孔壁贴合不严密形成漏气通道，且支护作用减弱，在应力扰动作用下钻孔围岩更易变形，钻孔密封段煤-水泥异质结构损伤，漏气通道进一步增加，钻孔密封性降低。

3.3 封孔后期材料强度对钻孔密封性的影响

为了分析水泥封孔材料后期凝固后强度对钻孔密封性的影响，采集山西潞安高河能源3#煤层煤样和现场专用水泥基封孔材料，制作成标准力学试件，测得煤体和水泥试件的平均密度、弹性模量、泊松比、破坏载荷、单轴抗压强度等参数指标，煤单体及水泥试件基础力学参数见表2。

表2 煤单体及水泥试件基础力学参数Table 2 Basic mechanical parameters of coal monomer and cement specimen

煤单体及水泥单体试件的应力应变曲线分别如图4、图5。从图中可以看出，煤单体试件的应力应变曲线应力峰值普遍大于水泥单体试件，而且煤单体试件的应力跌落非常明显，在达到峰值后快速失去支撑，试件破裂，说明了实验煤体试件的脆性特征；水泥试件峰值应力对应较大的横向应变，说明水泥试件变形较大，具有较强的塑性特征。

图4 煤单体试件的应力应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of coal monomer

图5 水泥单体试件的应力应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of cement monomer

学者对不同组合结构的变形破坏特性的研究结果表明，组合结构的强度介于2 种单体材料试件强度之间[15-16]。瓦斯抽采钻孔封孔段是由煤-水泥组成的异质结构，煤体和水泥材料由于物理力学性质差异其变形损伤不同，在应力作用下，煤体和水泥在接触面的变形不一致，交界面摩擦滑动产生空隙，随着应力继续增大，钻孔密封段异质结构损伤破坏，密封性降低。从实验数据及煤体和水泥材料的脆性和塑性材料性质可以看出，高河能源煤体的强度和硬度都大于水泥材料，而且水泥材料的泊松比大于煤体的泊松比，说明高河能源现场封孔水泥浆液凝固后的抗变形能力较差，在应力扰动作用下水泥封孔材料提供不了足够的支护作用，钻孔围岩变形损伤，钻孔封孔段煤-水泥异质结构完整性和稳定性降低，异质结构裂隙发育，漏气通道贯通，钻孔封孔断密封性降低。若水泥材料凝固后的强度较煤体大、变形较煤体小，在应力扰动作用下，由于材料物理力学差异，钻孔封孔段煤-水泥异质结构完整性和稳定性降低。在现场的抽采钻孔封孔时，煤层赋存条件固定，但水泥基封孔材料的黏度、膨胀性、析水性及强度性质可以改变，应根据矿区煤层的赋存情况、煤体结构及孔裂隙特征挑选符合煤层条件的封孔材料，提高钻孔密封质量，从而达到提高瓦斯抽采利用效率的目的。

4 结 语

1）水泥基封孔材料浆液的黏度随着时间逐渐增大，水灰比越小，黏度上升越快且最终黏度越大。封孔材料前期注浆时浆液的黏度是衡量其流动性的关键指标，浆液黏度上升越快，流动性降低越快，浆液难以封堵裂隙，钻孔密封质量不高。

2）封孔材料中期注浆完成后不同水泥基封孔材料表现出膨胀性和析水性，材料的膨胀特性可为钻孔围岩提供支护作用，提高钻孔封孔段异质结构稳定性和完整性，材料的析水性会造成钻孔壁面与封孔材料分离，漏气通道增加，密封性降低

3）从煤体及水泥试件的应力应变曲线得出煤体表现出脆性特征，水泥材料表现出塑性特征。封孔材料后期凝固后的强度与煤体差异较大形成不稳定异质结构，在应力扰动作用下，不稳定异质结构裂隙发育，密封性降低。

4）在现场瓦斯抽采钻孔封孔时，煤层赋存条件一定，但水泥基封孔材料的黏度、膨胀性、析水性及强度性质可以改变，应根据矿区煤层的赋存情况、煤体结构及孔裂隙特征挑选符合煤层条件的封孔材料，提高钻孔密封质量，从而达到提高瓦斯抽采利用效率的目的。