新型半流体动态密封材料及密封技术研究

摘 要：【目的】针对现有固态封孔材料无法封堵新生裂隙，导致瓦斯抽采后期效果变差的问题，开发一种由黏结性材料、膨胀剂和颗粒填充材料等配置而成的新型有机黏液封孔材料。【方法】首先对新型有机黏液的黏度、保水性、膨胀性和密封包裹性进行测试分析，然后对原有的“三堵两注”封孔装置进行改进，研制与新型有机黏液配套使用的三囊袋分段式封孔器。在现场测试阶段，根据试验工作面条件制定顺层瓦斯抽采钻孔封孔方案，采用水泥封孔材料和新型有机黏液封孔材料进行对比试验。【结果】在30 d的观测期内，采用新型有机黏液封孔的钻孔瓦斯抽采浓度和纯量均大于采用水泥封孔的钻孔。【结论】新型半流体动态密封材料密封包裹性优于水泥封孔材料，对瓦斯抽采效果提升明显。

关键词：瓦斯抽采；新型有机黏液；封孔性能；封孔装置

中图分类号：TD32；TD712" "文献标志码：A" " "文章编号：1003-5168（2024）11-0039-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.008

Research on New Semifluid Dynamic Sealing Materials and Sealing Technology

GE Xinyu

（China Coal Xinji Liuzhuang Mining Co.， Ltd.， Fuyang 236200， China）

Abstract： [Purposes] Aiming at the problem that the existing solid sealing material can not plug the nascent fissure， which leads to the poor effect in the late stage of gas extraction， a new organic mucous sealing material is developed， which is composed of adhesive material， expansion agent and particle filling material. [Methods] Firstly， the viscosity， water retention， expansion and sealing properties of the new organic mucus were tested and analyzed， and then the original \"three plug and two injection\" sealing device was improved， and the three-bag piecework sealing device used with the new organic mucus was developed. In the field test stage， the sealing scheme of gas extraction borehole along bedding was first developed according to the test working face conditions， and the cement sealing material and the new organic mucous sealing material were used for comparative experiments. [Findings] During the observation period of 30 days， the gas extraction concentration and purity of the boreholes sealed with the new organic mucus were greater than that of the boreholes sealed with cement. [Conclusions] The sealing and wrapping property of the new semi-fluid dynamic sealing material is better than that of the cement sealing material， and the effect of gas extraction is improved significantly.

Keywords： gas extraction; new organic mucus; hole sealing performance; hole sealing device

0 引言

煤炭是我国的基础能源，在能源消费结构中占有较高比例［1-2］。作为煤的伴生物，瓦斯既是一种清洁能源，同时也是煤矿生产的主要危险源，瓦斯灾害长期制约我国煤炭工业的健康发展［3］。通过对本煤层和邻近煤层进行瓦斯抽采，能够有效降低工作面瓦斯浓度，防止瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出灾害事故的发生，保障回采工作面的安全正常生产［4］，而抽采瓦斯钻孔的有效封孔技术是提高瓦斯抽采效果至关重要的环节。

优良的封孔材料可显著提升瓦斯抽采钻孔的密封质量［5-6］，因此封孔材料的研发也是当前热门的研究方向。目前，瓦斯抽采钻孔的密封材料应用最广泛的是水泥基封孔材料［7-9］和聚氨酯封孔材料［10-11］。水泥基材料封孔前期强度高，其微膨胀特性使得水泥浆液能够扩散到钻孔周围裂隙中，故封孔初期抽采效果较好，并且随着超细水泥的应用，对微小裂隙的封堵效果也明显加强［12-13］。随着工作面的回采，瓦斯抽采钻孔所受应力也在不断变化，会产生许多新生裂隙，原有裂隙的结构也会发生变化，但固化后的水泥基材料无法对其进行封堵。虽然可以采用二次封孔作业对新生裂隙进行封堵，但是并没有从根本上解决上述问题，并且对同一钻孔进行两次封孔作业也会大大增加井下工人的工作量。聚氨酯封孔材料初期膨胀率大，裂隙封堵效果好［14-15］，但其后期强度低，难以适应多尺度裂隙的密封，并且聚氨酯材料的固化聚合反应释放的热量较大，在井下相对封闭的空间，容易引发煤炭自燃，造成安全生产事故和煤炭资源的损失［16］。

通过对钻孔周边煤岩裂隙多尺度发育特征进行分析可知，要提高煤岩体钻孔裂隙及在采动卸压下新生裂隙的封堵水平，行之有效的方法是研发一种非凝固类封孔材料。近年来，一些学者已经在这一方面进行了研究和探索［17-20］，但大都停留在实验室阶段，距离实际应用还有很大的差距，并且没有根据封孔材料的特性对应开发配套的封孔装置。因此，在总结前人研究成果的基础上，研制一种性能优良的封孔材料和配套封孔装置来提高工作面瓦斯抽采效果就显得非常重要。

1 新型有机黏液封孔材料性能测试

根据瓦斯抽采钻孔有效封堵条件，新型有机黏液封孔材料应该具有一定的流动性和微膨胀性，以便在一定的注浆压力下进入钻孔周边裂隙中并且可以对裂隙进行有效填充。封孔完成后黏液必须具有良好的保水性，不会因为大量失水而收缩变形从而在煤体和封孔材料之间产生裂隙，并且密封性能较好，所使用的原材料本身无毒无害、价格低廉，适合井下大量使用。

1.1 材料黏度和保水性测试

不同水灰比的新型有机黏液黏度在配置完成后2 h内随时间的变化情况如图1所示。由图1可知，黏液黏度随时间的增加，先增大后逐渐趋于稳定。当黏液的水灰比为6∶1时，黏液黏度在前20 min内快速增长，20～60 min时黏液黏度虽仍然保持增长，但增长速度明显放缓，60～120 min时黏液黏度不再增长，基本稳定在10 000 mPa·s左右；黏液的水灰比为8∶1时，黏液黏度在0～75 min内持续增长，75 min后黏液黏度基本稳定在9 300 mPa·s左右；黏液的水灰比为10∶1时，黏液黏度在0～60 min内持续增长，60 min后黏液黏度基本稳定在7 000 mPa·s左右。在现场使用时，考虑黏液的流动性和渗透性，要求黏液在配置完成后初期黏度增长幅度较小，便于黏液向钻孔周围煤岩裂隙流动和渗透，以对钻孔进行高效封堵；当封孔完成后，要求黏液的黏度保持在较高水平，确保已经渗透扩散至裂隙中的黏液不易漏失，满足长期封孔的需要。因此确定新型有机黏液的合适水灰比为8∶1。

由于新型有机黏液在整个封孔周期内始终保持半流体状态，不会凝固，因此其必须具有良好的保水性能。

新型有机黏液30 d内黏度和质量损失随时间变化情况如图2所示。由图2可知，黏液质量损失在前10 d内较少，截至第10 d黏液质量减少了7.4 g；10 d后黏液质量损失的速度基本保持不变，到第30 d时，黏液质量共减少了44.4 g，每天平均减少1.48 g；与黏液原有质量相比，黏液在30 d的测试时间内共减少了8.88%。黏液黏度在前12 d基本保持稳定，维持在10 000～10 100 mPa·s之间，当黏液质量损失达到一定值后，黏液的黏度也开始缓慢增加，至第30 d时，黏液黏度增加至10 572.36 mPa·s，相较于黏液的初始黏度增加了5.20%。从上述分析可以看出，随着黏液在恒温箱中质量损失的增加，黏液的黏度也会随之增长，这是因为黏液在恒温箱中损失的质量大部分来源于黏液中的水分，随着水分的流失，黏液的黏度随之增加。但是黏液的黏度增长和质量损失百分比均未超过10%，反映了黏液具有良好的保水性，从而也确保了黏液黏度的相对稳定。

1.2 材料膨胀性测试

为了保证新型有机黏液不收缩，从而起到有效封堵裂隙的作用，其必须具有一定的膨胀性。新型有机黏液膨胀率测试结果见表1。

由表1可见，黏液配置完成后即开始膨胀，在80 min时膨胀率超过1%，160 min时膨胀率超过2%，280 min时膨胀率达到了4%，最终在360 min后黏液体积稳定在471 mL不变，膨胀率为4.67%。黏液具有的微膨胀特性有助于对钻孔周围裂隙产生更加紧密的封堵，以保证黏液的封孔效果。

1.3 材料密封包裹性测试

新型有机黏液密封性测试装置由橡胶管、“两堵一注”式封孔袋、“两堵一注”式封孔胶囊、真空泵、压力表和截止阀组成。其中橡胶管直径为75 mm，长度为6 m；橡胶管的一端为敞口状态，另一端首先加工成全封闭状态，然后在其侧边开孔，安装一根直径15 mm的橡胶管，两根橡胶管连接处使用密封胶进行黏接，最后在直径15 mm的橡胶管上依次安装压力表和截止阀。而“两堵一注”式封孔袋被配套水泥封孔材料使用，“两堵一注”式封孔胶囊被配套新型有机黏液使用，封孔袋和封孔胶囊长度均为0.75 m，两个封孔袋之间和两个封孔胶囊之间的距离均为1.5 m。在试验时，将两根橡胶管水平放置，其中一根放入“两堵一注”式封孔袋，由注浆管向封孔袋和两个封孔袋中部注入水泥浆液形成封堵段；另外一根放入“两堵一注”式封孔胶囊，由注浆管向封孔胶囊和两个胶囊中部注入新型有机黏液形成封堵段，由此在2根橡胶管内形成长3 m的负压测试段。将两根橡胶管静置48 h后，使用真空泵连接15 mm橡胶管，打开截止阀对负压测试段进行抽气，观察压力表达到0.4 MPa后关闭截止阀，停止抽气，然后观测80 min内负压测试段压力数值变化情况。具体如图3所示。

由图3可知，采用水泥浆液密封的测压段内负压从0.4 MPa下降至0 MPa用时52 min，测试全程负压下降较快；采用新型有机黏液密封的测压段内负压在80 min的测试时间内始终保有一定的负压，并没有下降至0 MPa，并且在整个过程其负压下降速度较慢，表明其密封效果优于水泥。

新型有机黏液包裹性测试方法是将配置好的水灰比为8∶1的500 g黏液静置2 h后进入黏度稳定期，然后将重300 g的煤样完全浸入黏液中5 min后取出并称量剩余黏液的质量。然后将包裹有黏液的煤样悬挂在固定支架上，下方放置烧杯对煤样上脱落的黏液进行收集称重，并每隔1 min记录一次脱落黏液的总质量，通过反算即可得到附着在煤样上黏液质量随时间的变化关系。

新型有机黏液包裹性测试结果如图4所示。黏液在煤样上初始附着质量为33.5 g，在20 min的测试时间内，以8 min为界，在1～8 min内，包裹在煤样上的黏液质量快速下降；至8 min时，包裹黏液质量下降至20.5 g；测试时间大于8 min后，包裹在煤样上的黏液质量缓慢下降；测试结束时，包裹的黏液质量为17.5 g。从脱落黏液的状态来看，快速下降时期，脱落黏液体积较大，多以块状或者团状脱落，进入缓慢下降时期后，脱落黏液呈水滴状或者拉丝状向下滴落。

水灰比为1∶1的水泥浆液与水灰比为8∶1的新型有机黏液包裹性测试结果对比见表2。水泥浆液与新型有机黏液相比，在测试全周期内其包裹质量均较低。20 min时，包裹在煤样上的水泥浆液仅剩7.4 g，占其初始质量的35.07%，而此时新型有机黏液的包裹质量为17.5 g，占其初始质量的52.24%，新型有机黏液包裹性明显优于水泥浆液。

2 新型有机黏液配套封孔器

由于新型有机黏液的非凝固特性并不能与封孔装置很好地结合在一起使用，同时为了防止新型有机黏液在抽采负压作用下流入钻孔瓦斯抽采段，有必要对原有的“三堵两注”封孔装置进行改进。

新型有机黏液配套封孔装置实物图如图5所示。在使用时，首先采用新型有机黏液对囊袋1和囊袋2进行注浆，达到一定压力后打开爆破阀1，向封孔段1注浆，当注浆泵注浆压力达到0.8 MPa时停止注浆。然后使用水泥浆液对囊袋3进行注浆，达到一定压力后打开爆破阀2，向封孔段2注浆，当注浆泵注浆压力达到1.5 MPa时停止注浆。封孔段2的水泥浆液在一定压力下渗透进周围裂隙，在新型有机黏液材料和钻孔瓦斯抽采段形成屏障，防止新型有机黏液材料在抽采负压作用下流入钻孔瓦斯抽采段。

3 新型有机黏液现场试验

新型有机黏液现场试验选择在中煤新集刘庄矿业有限公司131102工作面进行。131102工作面为走向长壁开采，工作面走向长度为844.8 m，切眼长280 m，煤层倾角平均为14.5°，采用顺层瓦斯钻孔抽采本煤层瓦斯。

该试验在工作面回风顺槽布置20个钻孔，钻孔间隔为2 m，距离底板高度1.5 m，钻孔倾角限制在±3°之间，其中10个钻孔为试验孔，另外10个为对比孔，试验孔和对比孔采用间隔布置方式。试验孔采用三囊袋分段式封孔器配合新型有机黏液和水泥浆液封孔，钻孔封孔深度为8 m，封孔段总长度为14 m，其中新型有机黏液封孔段长12 m，水泥浆液封孔段长2 m。对比孔采用传统的“两堵一注”封孔方法配合水泥浆液进行封孔，封孔深度和封孔长度与对比孔保持一致。工作面顺层瓦斯抽采钻孔布置方式如图6所示。

封孔完成后，该试验将抽采管与抽采支管连接，进行联网抽采，通过矿上煤矿瓦斯在线监测系统对各个钻孔每天的瓦斯浓度和流量数据进行记录，观测时间为期30 d。观测期满后，计算试验孔和对比孔每天的平均瓦斯抽采浓度和纯量，结果如图7和图8所示。

由图7可知，在30 d观测期内，试验孔平均瓦斯抽采浓度从54.1%下降至22.1%，对比孔平均瓦斯抽采浓度从39.6%下降至12.8%。按照利用瓦斯时，抽出瓦斯中的瓦斯浓度不得低于30%为界，试验孔抽采瓦斯利用天数为21 d，而对比孔仅为13 d，不及瓦斯抽采天数的一半。

由图8可知，试验孔中初始瓦斯抽采纯量较大，并且随着瓦斯抽采时间的增加下降较慢，始终维持在0.7 m3/min之上。对比孔在抽采初期瓦斯抽采纯量快速下降，抽采至10 d时，对比孔已经下降至0.3 m3/min，证明在此时已经有大量的空气通过钻孔周围新生裂隙进入了钻孔中，已经凝固的水泥浆液失去了对瓦斯抽采钻孔的有效封堵。综合以上分析可知，采用新型有机黏液封孔能够更加有效封堵钻孔，钻孔瓦斯抽采浓度和纯量均有所提高，达到了预期效果。

4 结论

①新型有机黏液具有一定的流动性、良好的保水性和微膨胀的特点，实验室测试其密封包裹性优于水泥材料。

②对原有的“三堵两注”封孔方法进行改进，研制出了与新型有机黏液配套使用的三囊袋分段式封孔器。

③现场试验中，在30 d的观测期内，采用新型有机黏液封孔的试验孔瓦斯抽采浓度和纯量均明显高于采用水泥浆液封孔的对比孔，瓦斯抽采效果提升明显。

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收稿日期：2023-11-30

作者简介：葛新玉（1982—），男，硕士，高级工程师，研究方向：安全技术及工程。