突出煤层瓦斯抽采顺层钻孔高效封孔材料研究

郭松 袁东 刘渊

摘 要：为解决瓦斯抽采顺层钻孔稳定性较差，易受采动影响导致钻孔失稳破坏，降低了瓦斯抽采效率的问题，通过对顺层钻孔稳定性进行分析，采用了DesignExpert对影响封孔材料性能的水灰比、缓凝剂与膨胀剂掺量三个因素设计了正交实验，得到了高效封孔材料的材料掺量。研究表明：巷道掘进后巷道围岩可分为四个区域，其中破碎区的顺层钻孔稳定性最差，其次是塑性区与弹性区，原岩应力区的顺层钻孔稳定性最高；水灰比、缓凝剂、膨胀剂对封孔材料的影响程度由大到小分别为水灰比＞膨胀剂＞缓凝剂；得到了三种材料的最佳掺量及封孔材料的预测强度为水灰比1.1、缓凝剂0.05%、膨胀剂4%，封孔材料强度为27.551MPa，与实际封孔材料强度相差仅为0.5%，对比于传统封孔材料，该新型封孔材料具有流动性高、膨胀后不会收缩的特性，对顺层钻孔具有更强的封堵性。该研究可为顺层钻孔封孔材料研究提供一定的研究依据。

关键词：突出煤层；顺层钻孔；瓦斯抽采；封孔材料

随着我国科学技术的不断发展，各种清洁能源的利用技术得到了极大的发展，但我国“富煤、贫油、少气”的资源分布特征，决定了我国未来较长一段时间内煤炭为我国能源消费的主要结构不会改变［1］。我国煤矿开采条件中煤层瓦斯含量高、透气性低的问题常引发煤矿突出事故，采用顺层钻孔能有效遏制煤矿瓦斯突出事故。然而瓦斯抽采顺层钻孔稳定性较差，易受采动影响导致钻孔失稳破坏，降低了瓦斯抽采效率，因此，研制出高质量的钻孔封孔材料是保证矿井安全高效生产的重要条件之一。

钻孔失稳破坏的主要原因为巷道围岩的应力场分布及钻孔孔周应力场发生了改变，徐超平等［2］针对松软煤体瓦斯抽采顺层钻孔易失稳破坏的问题，总结了导致钻孔失稳破坏的因素，并分析了各因素条件下对钻孔失稳破坏的影响作用，认为煤体结构是影响钻孔失稳破坏特征的最主要因素，围岩应力与钻孔钻进方式是影响钻孔稳定性及成孔率的主要因素，而瓦斯抽采过程中导致孔隙压力短时间内急剧升高影响了煤岩体的强度，从而降低了钻孔稳定性。邹双英等［3］通过数值模拟的手段分析了巷道围岩应力分布情况，结合了现场实测证明了数值模拟的正确性，从而确定了顺层钻孔的最佳封孔深度，对提高瓦斯抽采效率具有重要意义。牛心刚等［4］通过理论分析将顺层钻孔漏气影响因素分成了四类，采用了数值模拟对该四类影响因素进行了分析，得到了顺层钻孔孔周应力分布规律，确定了顺层钻孔的最佳封孔参数，结合了现场实测验证了该结果的准确性。开展顺层钻孔失稳破坏机理的研究是研制钻孔密封材料的基础，包若羽［5］针对松软低透煤层瓦斯抽采效率低下等问题，总结了顺层钻孔密封段的漏气因素，得出了顺层钻孔密封段瓦斯流动衰减机制，提出了顺层钻孔密封段的瓦斯流动数学模型，得到了瓦斯抽采顺层钻孔最易失稳破坏位置，最终提出了新型注浆加固技术，有效改善了顺层钻孔瓦斯抽采效率低下的问题。李时宜等［6］对传统的封孔工艺进行了改进，采用了新型封孔材料并结合“两堵一注”封孔工艺有效改善了顺层钻孔瓦斯抽采效果，通过现场实测，改进后的新型封孔工艺明显优于传统的封孔工艺。

为提高顺层钻孔瓦斯抽采效率，国内外学者针对顺层钻孔失稳破坏机理、钻孔密封段漏气因素等做了大量研究，并提出了新的封孔工艺，研究成果丰富，但针对封孔材料的研究成果较少，因此，本文基于顺层钻孔失稳破坏机理，采用DesignExpert设计了响应面分析，以封孔材料强度为指标，分析各材料掺量对封孔材料强度的影响程度，优化了封孔材料配比，从而研制出新型高效封孔材料，为顺层钻孔封孔材料研究提供一定的研究依据。

一、工程概况

本实验研究于贵州某矿井11016回风巷开展，该工作面最大走向长度1175m，最小走向长度851m，平均走向长度1031m，煤层平均倾角15°，煤层平均厚度1.4m，工作面煤层原始瓦斯含量为4.75m3/t，工作面煤层原始瓦斯压力为1.67MPa。工作面煤层物理性质如表1所示。

二、顺层钻孔稳定性分析

巷道掘进后，巷道围岩原始应力场遭到破坏，围岩应力场重新分布，待围岩应力重新平衡后，巷道围岩按照煤岩体应力状态可以分为四个区域。离巷道最近的区域为破碎区，该区域下的煤岩体极为破碎，该区域煤岩体变形与破坏程度最大。此外，煤岩體中存在大量的宏观裂隙给瓦斯抽采钻孔提供了大量的漏气通道，进一步降低了瓦斯抽采效率，因此，该区域下的钻孔为密封的重点对象。巷道围岩破碎区外一层为围岩塑性区，该区域下的煤岩体较为破碎，煤岩体中微观裂隙与宏观裂隙并存，且越接近围岩破碎区，宏观裂隙密度越大。巷道围岩塑性区外为弹性区，该区域下煤岩体所受到的应力尚未达到自身的强度极限，煤岩体变形服从胡克定律，破坏条件服从摩尔库伦准则。处于弹性区范围下的煤岩体稳定性较高，该区域下煤岩体较为完整，裂隙密度远低于破碎区与塑性区裂隙密度，且多数裂隙为微观裂隙，因此，该区域下煤岩体中布置的抽采钻孔瓦斯漏气量低，不需要高强度的封孔作业。处于原始应力区下的煤岩体所受到的应力为原岩应力，煤岩体较为完整，煤岩体中含有的裂隙为原生裂隙，且裂隙密度远低于靠近巷道区域煤岩体裂隙密度，在实际工况中可以忽略该区域的漏气情况。

造成顺层钻孔稳定性低下的原因除巷道掘进影响外，钻孔钻进后孔周煤岩体应力场重新分布、瓦斯解吸、煤层开采、巷道掘进等多方面条件下也会影响钻孔稳定性。与巷道掘进后应力重新分布类似，钻孔钻进成孔后孔周应力也会发生应力重新分布，但钻进成孔的影响程度较低，且孔周应力重新分布导致孔周煤岩体出现小范围的破碎区与塑性区有利于瓦斯解吸，提高瓦斯抽采效率。煤岩体中瓦斯解吸释放过程中，瓦斯赋存状态由吸附态转变成游离态，该过程中，瓦斯体积迅速膨胀，瓦斯压力迅速增大，从而导致裂隙向外扩展，降低了煤岩体的稳定性。此外，临近煤层开采、巷道掘进等多方面煤矿作业过程中造成的采动影响，也是造成钻孔稳定性低下的重要因素之一。

三、高效封孔材料性能分析

通过对瓦斯抽采顺层钻孔失稳破坏机理进行分析后，结合该矿的地质条件，认为顺层钻孔密封段急需高强度的封孔材料，以提高瓦斯抽采效率。常见的矿用封孔材料以膨胀水泥为主，但传统的膨胀水泥流动性差、强度低、凝固后具有一定的收缩性，使得钻孔封孔前期封孔材料浆液无法充分注入至煤岩体裂隙中，且凝固后膨胀水泥的收缩提供了新的漏气通道，不仅对钻孔稳定性提升幅度小，且形成的漏气通道也降低了瓦斯抽采效率。为提高封孔材料流动性及强度，在传统膨胀水泥中加入一定掺量的缓凝剂及膨胀剂能有效提升材料的性能。为探究各材料的最佳掺量，采用DesignExpert设计响应面分析，对凝固后的各掺量材料进行单轴压缩实验，以封孔材料的强度为指标，分析各材料的最佳掺量。

（一）实验方案

DesignExpert是由StatEase公司开发的一款专门设计实验方案及相关分析的软件，通过该软件的相关分析能准确得到各材料最佳掺量。选用的新型封孔材料基料为硅酸盐水泥，选用的缓凝剂为有机酸类缓凝剂中的柠檬酸，选用的膨胀剂为氧化钙硫酸钙复合膨胀剂，此外，还需要考虑水灰比对新型风控材料的强度影响。表1为实验设计方案。采用DesignExpert设计各材料掺量正交实验表。设计出正交实验表后，严格按照表中数据配比封孔材料，配比完成后加水搅拌均匀将材料注入7cm×7cm×7cm的标准模具，随后将试样放入养护箱进行养护处理。待材料养护完成后，取出所有试件，通过单轴压缩实验机进行强度测试。

（二）实验结果分析

对上述结果进行响应分析时，需要选取合适的模型来拟合该结果的相关性，采用DesignExpert推荐使用的Quadratic模型进行拟合，拟合结果如表3所示。

由表3数据可知，该模型的P值极小，认为该模型极为显著，且失拟项的显著性为不显著，认为该模型的拟合程度较高，拟合相关性系数R2=0.9923，则可认为采用该模型对封孔材料预测值具有较高的可信度，与实际值几乎没有差距。对水灰比、缓凝剂与膨胀剂三个因素的交互作用对封孔材料的强度进行分析，得到各因素交互作用的等高线图与响应面曲线图。在等高线图中，若等高线呈椭圆状则认为两因素的交互作用越强烈，在响应面曲线图中，若图中响应面边缘曲线越陡则可认为该因素较另一因素的作用，对封孔材料的强度影响越大。

由DesignExpert的分析结果得出水灰比与缓凝剂的交互作用较差，其交互作用等高线图中未呈现出明显的椭圆形，在水灰比与缓凝剂的三维响应面图中，可明显看出水灰比一侧曲面变形程度较大，而缓凝剂一侧的曲面变形程度较为平缓，未呈现出较大的坡度，因此，认为水灰比对封孔材料的影响程度大于缓凝剂的影响程度。水灰比与膨胀剂相互作用等高线图呈现出了较为完整的椭圆形，两因素的交互作用强烈对封孔材料强度的影响大，在水灰比与膨胀剂的三维响应面图中，水灰比一侧的曲面变形程度略大于膨胀剂一侧，但整体相差不大，可认为水灰比对封孔材料强度的影响程度略大于膨胀剂的影响程度。缓凝剂与膨胀剂的交互作用等高线图未呈现出明显的椭圆形，膨胀剂与缓凝剂的交互作用较差，在膨胀剂与缓凝剂的三维响应面图中，膨胀剂一侧的曲面明显较陡，而缓凝剂一侧的曲面较为平缓，可认为膨胀剂对封孔材料强度的影响程度略大于缓凝剂的影响程度。综上所述，三个影响因素对封孔材料强度的影响程度大小为水灰比＞膨胀剂＞缓凝剂。

为得出各材料最佳掺量，需要采用DesignExpert对三种因素进行最高值预测，预测结果如表4所示。

通過分析得出各材料最佳掺量为水灰比为1.1、缓凝剂为0.05%、膨胀剂为4%，采用该预测值进行实验，得到了试件的强度为27.418MPa，与预测值相差0.5%，说明该预测方法的准确性高。对比于传统封孔材料，该封孔材料在注浆早期具有较强的流动性，能够使封孔浆液流向微小裂隙，此外，该封孔材料凝固膨胀后不会收缩，具有更强的封堵性。

四、结论

（1）分析了顺层钻孔稳定性，巷道掘进后巷道围岩可分为四个区域，其中破碎区的顺层钻孔稳定性最差，其次是塑性区与弹性区，原岩应力区的顺层钻孔稳定性最高。

（2）采用了DesignExpert对影响封孔材料强度的三种材料掺量设计了正交实验，通过Quadratic模型进行拟合，该模型对实验结果显著程度高，具有较高的可信度。分析了三个影响因素对封孔材料强度的影响程度，影响程度由大到小分别为水灰比＞膨胀剂＞缓凝剂。

（3）通过对三种材料掺量进行预测，得到了三种材料的最佳掺量及封孔材料的预测强度为水灰比1.1、缓凝剂0.05%、膨胀剂4%，封孔材料强度为27.551MPa，与实际封孔材料强度相差仅为0.5%，对比于传统封孔材料，该新型封孔材料具有流动性高、膨胀后不会收缩的特性，对顺层钻孔具有更强的封堵性。

参考文献：

［1］王一琦，杨雷，范超军.高瓦斯厚煤层顺层钻孔有效抽采区及参数优化研究［J］.煤矿安全，2022，53（10）：212221.

［2］徐超平，李贺，鲁义，等.软煤瓦斯抽采钻孔失稳特性及控制技术研究现状［J］.矿业安全与环保，2022，49（03）：131135.

［3］邹双英，杜联营，张开仲，等.顺层瓦斯抽采钻孔定点定长封孔应用研究［J］.矿业安全与环保：16［20230330］.

［4］牛心刚，国林东.顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度及注浆参数研究［J］.矿业安全与环保，2021，48（04）：4854.

［5］包若羽.松软煤层抽采钻孔密封段失稳机理及新型加固密封技术研究［D］.西安：西安科技大学，2019.

［6］李时宜，张青松，刘标懿，等.瓦斯抽采钻孔密封用天固封孔材料及工艺应用研究［J］.矿业安全与环保，2019，46（03）：4447.

作者简介：郭松（1983— ），男，汉族，贵州瓮安人，本科学历，硕士学位，黔南州煤炭安全生产技术中心副主任，主要负责煤矿安全生产技术工作；袁东（1988— ）男，汉族，贵州人，本科，助理工程师，研究方向：煤矿安全监管；刘渊（1974— ）男，汉族，贵州盘州人，本科，工程师，研究方向：采矿工程。