相变凝胶材料在测压封孔中的应用效果研究

王首杰 刘 飞 韩俊丰

（1.山西煤炭运销集团长治有限公司，山西 长治 046000；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

煤与瓦斯突出是煤体-围岩系统在采掘活动下发生的一种矿井动力灾害，其本质就是能量的意外积累与释放[1-2]。瓦斯压力在煤与瓦斯突出的孕育和发生过程中起着至关重要的作用[3-5]，瓦斯压力不仅是煤层瓦斯含量计算和煤层突出危险性预测、评价的基本参数，也是瓦斯防治措施效果检验的主要指标[6-8]。煤层瓦斯压力测定方法主要采用直接法进行瓦斯压力测定。在所有的煤层瓦斯压力测试技术中，水泥砂浆封孔测压法的应用较多，其不仅适用于上行孔和下行孔的煤层瓦斯压力测定，也适用于水平钻孔。但是由于水泥凝固后受钻孔周围煤体挤压易发生脆性断裂，造成钻孔漏气。本文以水泥砂浆封孔测压技术为基础，将密封材料更换为相变凝胶材料，考察该材料在煤层瓦斯压力测定过程中的可行性。

1 相变凝胶材料封孔工艺

1.1 相变凝胶材料

相变凝胶材料是一种以水溶性高分子聚合物为主要成分的新型、绿色、环保的钻孔密封材料，初期搅拌均匀后为液体状态，随着时间增加，逐渐凝固成果冻状。相变凝胶材料具有粘结性强、可塑性高、稳定性好等特点，其基料主要为改性纤维素醚，是经过碱纤维素与醚化剂在一定条件下生成的纤维素衍生物，是纤维素大分子上羟基被醚基团部分或全部取代的产物。由于经过醚化处理的纤维素产品，大大改善了其内部亲水性，作为食品添加剂、乳化剂、增稠剂、悬浮剂及动物明胶的替代品等广泛应用于日常生活生产中。其可代替水泥并具有一定弹塑性，使钻孔封孔段在外力作用下可以产生一定量的塑性变形而不产生裂纹，降低钻孔封孔段的漏气率。由于相变凝胶材料的凝胶效果与水的酸碱度有一定关系，因此在试验开展前期，先取中能煤业井下静压水用相变凝胶材料与水配比按照2.5:100、3:100、3.5:100 三种比例进行样品调制，观测三种样品不同比例下凝胶效果，进而确定适合中能煤业的最佳比例。根据地面试验结果，确定凝胶材料与水配比为3:100。

1.2 囊袋式封孔测压装置

囊袋式注浆封孔装置主要由前后两个封堵囊袋、测压钢管、注浆管、快速接头、止回阀、爆破阀、堵头组成。不同于常用的封堵囊袋，针对相变凝胶材料物理特性，囊袋材质为不渗水材料。具体测压工艺如图1。

图1 囊袋式封孔工艺示意图（m）

如图1 所示，测压管采用4 分钢管，为施工方便，将4 分钢管加工成2 m 一根，两头加工外丝，通过内丝接箍进行连接，孔底花管为4 分钢管利用电钻打眼加工而成。内部囊袋置于花管外侧约50 cm 处，外部囊袋置于距孔口1 m 左右位置。经测压装置下入测压孔内后逐步进行注浆。将注浆材料按照一定比例搅拌均匀后，利用高压注浆泵连接预留的注浆管快速接头将注浆液注入封孔装置。注浆液首先注满内外囊袋后，在注浆泵压力作用下，注浆段爆破阀在压力达到1.2 MPa 后张开，注浆液经过爆破阀注入注浆段腔室，继续进行注浆，待注浆泵压力达到1.5 MPa 后注浆完成。注浆完成两小时后在孔口安装阀门和压力表进行压力观测。

2 测压钻孔布置

中能煤业位于长子县境内，行政区划隶属长子县南漳镇、大堡头镇、慈林山镇和上党区北呈乡。井田地理坐标为东经112°53′14″～112°58′15″，北纬36°00′59″～36°04′30″（1980 西安坐标系，6 度带）。矿井现采3 号煤层，在二采区2305 工作面运输顺槽进行瓦斯压力测定工作。由于相变凝胶材料封孔测压技术为试验阶段，为准确测定二采区瓦斯压力，设计在2305 运输顺槽非采帮施工两组测压钻孔，一组利用常规水泥砂浆进行注浆密封（注浆完毕后24 h 方可安装压力表），另一组采用相变凝胶材料进行注浆密封。试验地点共布置四个测压钻孔，两个钻孔为一组，组间距50 m，孔间距20 m，孔深50 m，封孔长度40 m。施工完成后对两组数据进行持续观测并对比分析。测压钻孔布置平面图如图2。

图2 测压钻孔布置平面图（m）

3 测压数据观测

本次瓦斯压力测定采用被动测压法，每3 d 观测一次瓦斯压力，在观测中发现瓦斯压力值变化较大，则应增加观测次数。钻孔瓦斯压力观测结果见表1。

表1 3 号煤层二采区瓦斯压力测定结果

将表1 所测数据绘制到散点图上，如图3。

图3 3 号煤层二采区瓦斯压力测定结果

根据图3 可以看出以下几点：

1）观测第一天两组数据分析

第1 天观测结果可以看出，第一组钻孔初始瓦斯压力明显大于第二组钻孔，其原因主要为封孔材料凝固时间不同。水泥砂浆注浆液封孔后24 h 才能凝固并开始观测，期间孔内瓦斯已通过孔口释放，导致观测初期瓦斯压力较小。

2）瓦斯压力变化情况分析

根据四个钻孔瓦斯压力变化趋势可以看出，瓦斯压力在第10 天以后基本趋于稳定。两者不同的是第一组钻孔瓦斯压力在观测期间内均呈逐渐增加状态，2-1#孔在21 d 后瓦斯压力有所下降但下降不太明显，2-1#孔在第13 天后瓦斯压力急剧下降之后略有所上升，之后又下降。分析认为2-1#孔注浆段水泥凝固后受煤体压力影响导致孔内产生微小裂隙，在瓦斯压力较大时通过裂隙缓慢释放，导致压力有所下降；2-2#孔注浆段水泥凝固后受煤体压力影响发生较大的脆性断裂现象，导致钻孔密封失效。

3）压力测定结果分析

两组钻孔最终测定结果显示，第一组钻孔测得较大的瓦斯压力，更具有参考性；第二组钻孔中2-1#孔所测瓦斯压力与第一组相差不大，仍有参考价值，2-2#孔由于后期瓦斯压力下降，该数据不作为最终结果考虑。因此中能煤业3 号煤二采区瓦斯压力为0.212～0.276 MPa。

4结论

相变凝胶材料在测压封孔中的应用效果研究结果表明：

1）相变凝胶材料在瓦斯测压封孔中是可行的，且相比水泥砂浆封孔效果更好，成功率更高；

2）根据地面试验结果，中能煤业静压水与凝胶材料最佳配比为3:100；

3）该技术在煤层瓦斯压力较大时的应用效果仍需通过现场试验进行验证；

4）相变凝胶材料在松软易断裂煤层中作为测压封孔材料可以避免受到煤体压力的影响，具有良好的推广价值。