瓦斯抽采钻孔新型封孔工艺试验研究

王科文

（山西兰花科技创业股份有限公司伯方煤矿分公司，山西 高平 048400）

瓦斯抽采浓度为检验抽采效果的关键指标之一，为能获得更好的瓦斯抽采效果，瓦斯钻孔封堵是最为关键的一个环节。伯方煤矿原采用传统的封孔方式对瓦斯抽放孔进行封堵，即利用膨胀水泥黏性变化及膨胀凝固的物理性质，配合布条增大对孔口的摩擦力对钻孔进行封堵[1-4]。通过伯方煤矿现场观察及数据收集整理发现，该封孔方式封孔质量不佳，瓦斯抽采效果整体不理想。主要表现为，孔口封堵位置在应力作用下，煤与膨胀水泥之间互相黏结。由于伯方煤矿开采的3#煤层相对较软且结构破碎，黏结面出现不规则变形及损坏现象，甚至伴随有空洞现象，大大影响了其密封性，使瓦斯抽采无法达到最优抽采强度，缩短高浓度瓦斯抽采周期，极大地降低瓦斯抽采效果。基于此，针对传统封孔工艺存在的问题，研究一套新型的封孔工艺，以解决封孔不佳、抽采不合格等难题，保证瓦斯抽采效果。

1 膨胀水泥性能测试

伯方煤矿井下钻孔封堵的主要材料为膨胀水泥，是一种典型的水性无机材料。分别对不同水灰比影响下的该材料析水率、膨胀率和黏度进行测试。

1）不同水灰比影响下的析水率以及膨胀率测试

以井下使用的封孔材料膨胀水泥为测试对象，测试其在不同水灰比影响下的析水率和膨胀率有何种变化规律，统计数据结果见表1。

表1 不同水灰比下析水率及膨胀率

从表1 数据可知：水灰比越大，其析水率越低，体积膨胀率越高。在水灰比为1:0.8 时，体积膨胀率仅3.75%，但当水灰比达到1:1.5 时，体积膨胀率已达到26.25%。但在井下实际操作过程中，在注浆设备与现场条件的影响下，水灰比最大只能达到1:1.1 左右，其体积膨胀率仍有16.88%，理论上可以将孔口完全固结密封。但由于水灰比较大，渗透率随之降低，浆液无法完全注入孔口裂隙中，加之该煤层较为破碎，导致黏结面未做到固结，甚至出现损坏空洞等漏气现象。

2）不同水灰比影响下的黏度测试

以井下使用封孔材料膨胀水泥为测试对象，配合NDJ-8T 黏度计，针对前一次测试水灰比对析水率及膨胀率影响的数据，仅对水灰比为1:1、1:1.3以及1:1.5 的水泥浆液进行黏度测试，收集并统计数据结果见表2。

表2 不同水灰比下膨胀水泥黏度测试参数表

从表2 数据可知：水灰比越大，其黏度越大，且在相同时间变化内黏度的上升速度越快。水灰比为1:1 时，初始黏度值为706 MPa·s，在随后4 min内其黏度增加45%以上；当水灰比达到1:1.5 时，4 min 内黏度增加超过280%。进一步证明：随着水灰比的增加，黏度上升速度越快，其渗透率越低。为保证膨胀率，在增加水灰比的情况下无法将孔口裂隙进行完全填充，降低水灰比增加渗透率又无法保证膨胀率，因此，这两种情况均无法对钻孔良好封堵。

2 新型封孔材料相变凝胶

通过以上测试可知，伯方煤矿瓦斯抽放孔若想达到理想的注浆封孔效果，注浆材料必须要具备渗透性好且膨胀率高等特点。加之考虑到抽采结束后进行设备回收工作，需要防止设备损坏以及拆卸容易。基于上述分析并结合矿井实际情况，拟研发一种具备以上优点的新型封孔材料相变凝胶。

新型封孔材料相变凝胶（简称PCG），为水溶性高分子凝胶浆液，其优点是可通过控制其凝胶液的凝胶点，使该材料在不同时间节点上发生不同相变反应，以达到黏度低、渗透率高、膨胀率强等特点，可以解决钻孔封堵不佳的难题。加之该材料具有降解性，使设备材料回收更容易，且不损坏材料。图1 为普通膨胀水泥与相变凝胶的固结对比图。

图1 膨胀水泥与相变凝胶固结对比图

对新型封孔材料相变凝胶的黏度特征进行分析，其主要参数见表3。由表3 数据可知：其凝胶时间较长，凝胶点可控，最开始其黏度小于50 MPa·s。该黏度下渗透率大，固结后其黏度大于30万MPa·s，起到很好的固结封孔作用。

表3 钻孔封孔相关参数表

表3 新型封孔材料相变凝胶性能参数表

3 现场测试及成果分析

1）工程概况

伯方煤矿井下3#煤层较为破碎，瓦斯赋存较稳定。本次现场测试地点为3205 综放工作面，工作面内构造发育较少，煤层平均原瓦斯含量为10 m3/t，原瓦斯压力为0.68 MPa，最大绝对瓦斯涌出量7.78 m3/min，煤层透气性系数为0.26～0.31 m2/MPa2·d。

2）不同钻孔封堵方式的相关参数

使用同样的注浆泵，维持注浆压力在0.5 MPa以上，孔口均采用膨胀水泥配合布条进行封堵（长度2 m），采用膨胀水泥和新型材料相变凝胶分别往孔内注浆封孔（长度12 m）。具体施工参数见表3。

3）测试成果分析

采用CJZ4Z 瓦斯参数综合测量仪对本次测试对象进行数据收集，收集方式为分组连续测定。该仪器为矿用井下专业测定仪器，可对瓦斯浓度、压力、温度等数据进行实时测定及数据保存，具备直接显示查询等功能。3205 综放工作面的N121 和N122组钻孔瓦斯抽采参数测定如图2。

图2 N121 和N122 组钻孔瓦斯抽采参数测定图

由图2 可知：在同样的封孔条件及抽采负压下，注浆封孔材料使用相变凝胶（PCG）相比使用膨胀水泥，在抽采效果上得到大大的提升。整体上使用PCG 比使用膨胀水泥其瓦斯抽采浓度提升2 倍，瓦斯抽采纯量提升1.5 倍；根据时间节点来看，在瓦斯抽采100 d 内，采用PCG 封孔材料的瓦斯抽采浓度及纯量的衰减较弱，瓦斯抽采浓度在100 d 后仍能达到56.44%。这与新型封孔材料相变凝胶的特性有着极大的关系，该材料可通过控制其凝胶液的凝胶点，使该材料在不同的时间节点上发生不同的相变反应，以达到黏度低、渗透率高、膨胀率强等特点，这使注浆液根据孔内情况更好地注入孔内裂隙中。待凝固后，其黏度变大，与孔内煤与裂隙的契合度高，形成一个整体，增大煤岩层的内聚力，防止其煤岩层进一步破碎空洞等现象。所以，新型封孔材料相变凝胶其封孔能力在各方面均优于传统封孔材料膨胀水泥。

4 结论

1）注浆封孔材料膨胀水泥，其水灰比越大析水率越低，膨胀率越大，黏度越大，黏度上升率越快，流体性能变小，渗透率变低；与破碎煤体之间易发生应力错位，不易渗入裂隙中，在应力作用下易产生破损甚至空洞等力学分层现象。

2）新型封孔材料相变凝胶（简称PCG），为水溶性高分子凝胶浆液，其优点就是可通过控制其凝胶液的凝胶点，以达到黏度低、渗透率高、膨胀率强等特点，与孔内煤体契合度高，内聚力强，相较膨胀水泥其封孔状态更好。

3）使用相变凝胶（PCG）注浆封孔，在抽采效果上得到大幅度提升。瓦斯抽采浓度提升2 倍，瓦斯抽采纯量提升1.5 倍；使用相变凝胶（PCG）瓦斯抽采浓度在100 d 后仍能达到56.44%。