大直徑瓦斯抽采鉆孔非凝固膏體材料封孔技術及設備研究

唐衛東， 李曉偉， 周冬

(1.山東省三河口礦業有限責任公司，山東 濟寧 277605；2.中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116；3.江蘇徐州新沂市公安局 經濟開發區派出所，江蘇 徐州 221499)

0 引言

煤炭在未來幾年內仍然會是我國的能源消耗主體之一，在國家對能源結構進行調整的過程中比重依然占有60%左右[1-2]。我國煤炭開采礦井中，高瓦斯、突出煤層占比較高，這些煤層在開采過程中往往伴隨著大量瓦斯涌出。為防止事故發生，多采用鉆孔抽采解決瓦斯突出問題。大直徑鉆孔瓦斯抽采[3-4]是解決高瓦斯低透氣性突出煤層瓦斯問題的主要措施之一。由于大直徑鉆孔易受應力影響，其瓦斯抽采濃度與鉆孔的封孔方法有直接關系。目前大直徑瓦斯抽采封孔方法主要分為固體材料封孔和液態材料封孔2類。固體材料封孔方法主要包括水泥砂漿封孔、高分子聚氨酯類材料封孔、膨脹材料帶壓注漿封孔等方法。水泥砂漿封孔[5-6]是一種早期的封孔方法，其技術工藝簡單，價格低廉，但水泥凝固過程中本身會產生裂隙，封孔質量不佳。高分子聚氨酯類材料封孔[7-9]是目前常用的封孔方法，其初期封孔效果較好，不會對煤質產生影響，但其反應會放出熱量，存在安全隱患，且材料會受鉆孔中水分影響，造成后期抽采濃度急速下降。膨脹材料帶壓注漿封孔[10-11]是較為先進的封孔方法之一，工藝簡單，封孔效果較好，但該方法仍屬于硬質固體封孔，受應力影響，隨著時間推移，抽采鉆孔變形破壞后，瓦斯抽采濃度會急速降低。液態材料封孔的代表性方法有膏體材料、纖維素液體材料封孔法等，這類方法利用液體密封氣體，抽采效果較好，并可實現二次、多次封孔，但這類封孔工藝復雜，封孔質量與鉆孔密封注漿參數及封孔設備密切相關，尤其是大直徑鉆孔表現更為明顯。

大直徑鉆孔在成孔初期，鉆孔規則性不好，密封難度本身就很大。同時由于孔徑大，對孔周應力擾動更大，隨著時間的推移，極易隨應力變化變形，形成次生裂隙。因此，大直徑抽采鉆孔瓦斯濃度急速衰減在抽采中表現得十分普遍，造成抽采達標時間慢、需施工補充鉆孔等一系列問題。

針對上述問題，基于大直徑鉆孔孔周裂隙半徑的理論分析結果，研究了非凝固膏體材料封孔技術。該技術利用膨脹水泥與非凝固膏體材料配合形成多段“固、液、固”結構，利用非凝固膏體材料變形及非凝固特征，實現鉆孔抽采全過程的有效密封及在抽采不同時間段進行二次、多次封孔。現場工業試驗結果證明了該技術的可靠性。

1 技術原理

大直徑瓦斯抽采鉆孔非凝固膏體材料封孔技術的實質是“固體材料封堵非凝固膏體，非凝固膏體封堵氣體”,其技術原理如圖1所示。

圖1 大直徑瓦斯抽采鉆孔非凝固膏體材料封孔技術原理

大直徑瓦斯抽采鉆孔成孔后，送入抽采管路，然后送入固體材料注入管路和非凝固膏體材料注入管路。先注入可凝固風控材料，形成圖1所示中固體段1、2、3，固體段與鉆孔間形成封閉空間A、B，然后通過非凝固膏體材料注入管路向封閉空間A注入材料，形成膏體封孔段1，完成一次封孔。該過程中固體段1和固體段2封堵非凝固膏體段1，非凝固膏體段1中材料在高壓作用下向鉆孔破碎區滲透，阻斷瓦斯泄漏通道，同時由于非凝固膏體段1中材料的不凝固流動特征，鉆孔發生變形，非凝固膏體不會失去封堵作用。

抽采一段時間后，瓦斯濃度下降，可以通過非凝固膏體材料注入管路向封閉空間B注入材料，形成膏體封孔段2，完成二次封孔。由于非凝固膏體材料段1和2均為不凝固流體，后期抽采瓦斯濃度下降后可再次注入非凝固膏體材料，達到多次封孔的目的。該封孔技術起作用的主要是非凝固膏體材料，利用非凝固膏體材料封孔時既要保證初期黏度低，有一定的滲透性，使漿液達到破碎帶半徑邊沿，保證封孔質量，同時還要保證在規定時間內漿液達到預定黏度，避免漏失過快，確保整個抽采階段均能有良好的封堵效果，這與注漿壓力、材料黏度、注漿時間等工藝參數的匹配密切相關。

2 大直徑鉆孔破碎帶半徑確定

鉆孔破碎帶半徑是影響瓦斯抽采的重要因素，在封孔段以里，鉆孔破碎帶半徑越大，瓦斯滲透通道越多，抽采效果越好。但在抽采封孔段，封孔材料應盡量密封破碎帶半徑內的裂隙，以防止抽采時漏風。因此，在進行大直徑鉆孔密封研究時，推導其理論半徑是建立注漿密封抽采鉆孔模型的基礎。

抽采瓦斯鉆孔存在破碎區、應力集中區(塑性變形區、彈性變形區)和原巖應力區，其穩定性與鉆孔各區半徑和周邊煤巖體的變形量有關。研究中一般通過個體單元的平衡方程、幾何方程和本構方程探討位移、應力與應變之間的影響因素和平衡關系，得到抽采鉆孔周圍的應力場及破碎區域半徑。鉆孔周圍發生的彈性變形服從胡克定律，并服從Mohr-Coulomb準則[12]。

(1)

式中：σθ為切向應力，MPa；σr為徑向應力，MPa；φ為內摩擦角，(°)；C為黏聚力，MPa。

(2)

式中:Pi為支護力，MPa；L為距離鉆孔軸線的距離，m；R為鉆孔半徑，m。

(3)

(4)

式中：P為原巖應力，MPa；Rp為塑性區半徑，m。

(5)

將塑性區邊界條件代入式(3)，同時將邊界條件σe=σp代入，計算出塑性區半徑Rp和破碎區半徑Rs。

(6)

(7)

依據式(7)，理論上得到鉆孔的破碎帶半徑與鉆孔直徑及煤體賦存條件之間的關系，進而可以計算出不同條件下的理論破碎帶半徑。數值模擬時應將上述半徑作為邊界條件之一。

理論上非凝固膏體材料應能夠滲透至破碎區Rs邊界，才能達到良好的密封效果。實際上，非凝固膏體材料的滲透特征與材料的黏度、注漿壓力有關。黏度越高，封孔效果越理想，但需要滿足的注漿壓力越大，對設備的要求也越高。現場不可能無限制增加注漿壓力，因此，需尋找一個最佳的黏度范圍，讓非凝固膏體材料在鉆孔裂隙內充分滲透的同時，還能有足夠的黏度粘結煤層，從而完成封堵，這是封孔成功的關鍵。為探究其規律，利用Comsol Multiphysics數值仿真軟件進行了數值模擬。

3 膏體注漿壓力與黏度關系數值模擬

為探究最佳注漿壓力與黏度的關系，以達西定律板塊為基礎[13-14],利用Comsol Multiphysics數值仿真軟件建立對應模型。模型初始物理參數見表1。

表1 模型初始物理參數

煤層滲透率、孔隙率等參數采用工業試驗煤礦實際數據。其中煤層滲透率按照測試試樣中最小滲透率考慮，在最小滲透率條件下，模擬壓力及黏度能滿足滲透距離要求，實際情況下有一定富余系數，可滿足現場需要。

煤礦抽采大直徑鉆孔的直徑一般為100 mm以上，理論上鉆孔直徑越大，影響范圍越大，抽采效果越理想，但若鉆孔直徑超過120 mm會涉及鉆孔防突等問題，采用需要謹慎。因此，煤礦現場大直徑鉆孔的直徑多選用113 mm，本次模擬采用的鉆孔直徑也為113 mm。依據該直徑、煤層相關參數及式(7)，計算出理論破碎帶半徑為0.87 m。

模型建立時考慮邊界影響，留有部分富余量，建立一個20 m×20 m的理想二維鉆孔注漿模型。模擬0.8，1.0，1.2，1.5 MPa不同注漿壓力下，不同黏度漿液的孔隙漿壓的分布狀況，分析最佳注漿壓力以及注漿液體的最佳黏度范圍。模型主要設置的邊界條件：① 模型四周均為不透水邊界,流體流量為0；② 鉆孔周圍施加0.8，1.0，1.2，1.5 MPa不同的注漿壓力。

在4種不同的注漿壓力下，將不同黏度代入模型進行計算，得到模型中不同注漿壓力下孔周孔隙中非凝固膏體材料壓力分布場，部分壓力分布如圖2、圖3所示。從圖2、圖3可看出，在相同的注漿壓力下，材料黏度越大，鉆孔孔周壓力衰減速率越快，在較短距離內漿液壓力衰減為0，即非凝固膏體材料影響半徑越小。

圖2 1.5 MPa壓力，0.001 Pa·s黏度下孔周非凝固膏體材料壓力分布

圖3 1.5 MPa壓力,0.025 Pa·s黏度下孔周非凝固膏體材料壓力分布

從上述壓力分布圖中提取各個點對應的壓力值，可以得到不同壓力、不同黏度下非凝固膏體材料在模型中的影響范圍，繪制出注漿時間為10，20，30 min時漿液壓力與漿液滲透距離的變化圖，每一注漿時間下共進行11組實驗，黏度分別為0.001，0.003，0.005，0.01，0.03，0.05，0.08，0.1，0.15，0.2，0.25 Pa·s，為方便研究，分別定義為1—11號。部分壓力衰減曲線如圖4—圖6所示。

圖4 1.5 MPa壓力下，注漿時間為10 min時不同距離的漿液壓力變化

圖5 1.5 MPa壓力下，注漿時間為20 min時不同距離的漿液壓力變化

圖6 1.5 MPa壓力下，注漿時間為30 min時不同距離的漿液壓力變化

圖4—圖6表示了鉆孔孔周孔隙內不同黏度下漿液壓力變化情況。壓力大于0，表示非凝固膏體材料可以影響到，0位置為非凝固膏體材料的滲透極限。從圖4—圖6可看出，隨著漿液向外滲透，孔周裂隙內壓力均呈現衰減趨勢，同一漿液黏度下注漿時間越長，漿液滲透極限越遠；同一注漿時間下材料黏度越大，漿液滲透極限越小。因此,在研究最佳注漿壓力時應考慮注漿時間和漿液黏度2個因素。

對上述11組黏度材料進行了注漿時間為10，20，30 min的漿液最大影響距離模擬計算。其中注漿時間為10 min太短，無法完成注漿工作，實際意義不大，不再分析研究。依據圖4—圖6可得注漿時間為10～20，20～30 min時不同壓力下非凝固膏體材料的影響距離，如圖7、圖8所示。

圖7 注漿時間為10～20 min時，不同壓力下不同黏度材料延伸影響距離

從圖7和圖8可看出，4條不同壓力下的延伸曲線在2個時間段的走向趨勢是一致的，伴隨著壓力的提升，延伸距離都增大。0.8 MPa和1.0 MPa的延伸曲線更加相似和靠近，在一次延伸和二次延伸曲線上提升范圍在-0.01～0.23，-0.01～0.12 m，壓力為1.2 MPa和1.5 MPa的延伸曲線較為相似和靠近，2條延伸曲線的提升范圍在-0.02～0.15，-0.02～0.1 m，但是1.2 MPa的延伸曲線較1.0 MPa的延伸曲線提升明顯，提升范圍在0.03～0.45，0.02～0.28 m。從提升幅度上看，1.0 MPa和1.5 MPa在2次的延伸中提升幅度相近(約為0.2 m和0.12 m)，整體小于1.2 MPa(約為0.4 m和0.26 m)。

圖8 注漿時間為20～30 min時，不同壓力下不同黏度材料延伸影響距離

最優注漿壓力不僅要保證足夠注漿動力，還要符合現場實際情況，這需要結合影響距離、延伸距離和現場三方面來分析。0.8 MPa作為一個基準組；1.0 MPa在注漿效果和提升效果上略好于基準組，卻明顯不如1.2 MPa和1.5 MPa；1.2 MPa的最大影響距離略低于1.5 MPa，在提升效果上明顯好于其他3個注漿壓力。1.5 MPa作為最大壓力，其對最大影響距離的作用效果最為明顯，但是注漿壓力提升效果欠佳，顯著低于1.2 MPa的提升效果。結合現場來看，注漿壓力與注漿設備的要求成正比，壓力越大,則設備要求越高。因此，在1.2 MPa和1.5 MPa中，1.2 MPa注漿壓力更符合各方面要求，選取為最優注漿壓力。

為了確定1.2 MPa注漿壓力下合適的黏度范圍，分析不同黏度的漿液在煤體中的滲流情況,繪制了非凝固膏體材料在不同黏度下、注漿時間為10～20 min和20～30 min 2個時間段影響距離的變化曲線，如圖9所示。

依據注漿時黏度上升影響范圍衰減的速率，將不同黏度下影響范圍分為快速衰減區、緩慢衰減區及不變化區(圖9)。從圖9可看出，在10～20 min和20～30 min 2個時間段內，隨著黏度的增加，11組非凝固膏體材料黏度影響范圍的延伸距離均呈現出先快速下降、然后緩慢下降、最后在一定區域趨于平穩的趨勢。快速衰減區1—5號黏度(0.001～0.03 Pa·s)影響范圍在10～20 min時為0.51～2.52 m，在20～30 min時為0.41～1.51 m，滲透效果最佳，但是黏度過低不利于注漿完畢后粘結固化煤層，在煤體內部應力等因素的影響下容易漏失漿液；緩慢衰減區6—9號黏度(0.05～0.15 Pa·s)的最大影響距離在10～20 min時為0.23～0.45 m，在20～30 min時為0.05～0.35 m，能夠粘結固化鉆孔周圍一定量的煤體，控制圍巖破壞變形，漿液具有一定的流動性、適中的黏度和相對穩定的滲透速率；10—11號黏度(0.2～0.25 Pa·s)由于黏度過大，很難實現一定方向的擴散和滲透，只能實現較小范圍的連續性膠結體，影響范圍在10～30 min時僅為0.25 m，小于理論破碎區半徑，不能完成鉆孔密封，不再探討。結合現場實際，注漿時間一般不小于30 min，滲透半徑為10～20 min與20～30 min半徑的和，得到1.2 MPa注漿壓力下對應黏度的極限滲透半徑，見表2。

圖9 1.2 MPa下不同黏度影響范圍的延伸距離對比

表2 不同黏度對應的極限滲透半徑

選取最佳黏度時應保證漿液在30 min內滲透極限大于破碎帶半徑0.87 m，以保證漿液具有良好的流動性與穩定的滲透性，即黏度不得大于5號材料黏度0.030 Pa·s。在確保漿液具有一定的流動性和滲透性的前提下，為了更好地固結煤層，避免產生漏氣通道和松散煤體塌孔現象，黏度越大越好，因此，確定最佳黏度范圍為0.001～0.030 Pa·s。

4 封孔設備研發

結合上述研究得到的注漿壓力和黏度進行了封孔設備的研發。設備研發時，應考慮固體材料的支撐作用及非凝固膏體材料封孔的不凝固可變形2個方面的特征。應利用膨脹水泥的固體支撐作用形成相對封閉空間，為非凝固膏體材料提供相對封閉空間。注入膏體后，形成液體密封氣體的封孔模式。該模式下鉆孔變形后，不凝固膏體會隨之發生變形，避免密封失效。同時由于采用多分段，可在鉆孔抽采的不同時間段對鉆孔進行二次密封，二次密封在鉆孔應力變化的基礎上進行，鉆孔基本穩定，密封效果突出，可以實現后期的多次重復注入膏體強化密封。因此，封孔設備需要具有以下特點：

(1)采用多段“強、弱、強”等手段實現多單元鉆孔密封，避免了軟煤裂隙發育造成的只要一處裂隙較大，中間注漿段壓力均不能上升的問題。

(2)固體封孔與鉆孔形成的膏體封孔空間注入非凝固膏體材料密封，膏體具有一定的流動性和滲透性，在適應松軟煤層不規則鉆孔密封的同時，能解決后期應力作用時鉆孔變形后的鉆孔密封問題，使鉆孔長時間有效。

(3)采用多段韌性膏體密封，可以重復注入非凝固膏體材料，實現“多次封孔”，提高密封效果。

依據以上特點，開發了相應的封孔設備，設備技術原理如圖10所示。

圖10 封孔設備技術原理

封孔設備主要由注漿管、膨脹囊袋、單向閥及爆破閥組成。利用注漿管1注入膨脹封孔材料，爆破閥爆破后固體封孔段達到預定壓力，形成固體封孔段三段。向1號、2號囊袋注入非凝固膏體材料，完成密封，而后進行瓦斯抽采；抽采15 d后，通過注漿管2注入非凝固膏體材料，完成二次密封,后期在抽采30，45，60 d后可通過注漿管2多次注入非凝固膏體材料，完成多次封孔。

封孔工藝流程如下：

(1)連接1號囊袋與2號囊袋，2個囊袋間距約為5 m，然后連接3號囊袋與2號囊袋，將設備套入抽放管，送至預定封孔位置。

(2)連接注漿管至膨脹水泥材料注漿泵，將溢流閥調整至1.2 MPa，通過注漿管1緩慢注入膨脹水泥材料。

(3)待膨脹水泥注入囊袋、壓力上升至0.9 MPa后三通爆破閥爆破，立即停止注漿。

(4)待膨脹水泥材料凝固后，開始向1號囊袋與2號囊袋中間位置注入膏體，待非凝固膏體壓力上升至1.2 MPa時，從注漿泵溢流閥流出非凝固膏體停止注漿。關閉注漿管閥門，連接鉆孔進行抽放。

(5)待鉆孔抽放15 d后，通過注漿管2向1號囊袋與2號囊袋中間位置注入非凝固膏體材料，膏體壓力上升至1.0 MPa時，從注漿泵溢流閥流出膏體時停止注漿。關閉注漿管閥門，連接鉆孔進行抽放。

(6)連接鉆孔進行抽放后，每隔15 d，即封孔15，30，45，60 d時，從2個注漿管進行補漿，補漿壓力為 1.2 MPa，以提高封孔效果。

5 現場工業試驗

利用研發的封孔設備，依據上述非凝固膏體材料封孔技術參數，選擇山東省濟寧市微山縣三河口煤礦3下2326工作面進行工業試驗。試驗時，膏體封孔技術和固體封孔技術同時、同期進行，以對比評價抽放效果。該區域煤層賦存穩定，測試過程為先施工完成抽放鉆孔，利用非凝固膏體材料、傳統材料及相關封孔設備分別進行封孔。

共試驗了8個試驗鉆孔，包括5組膏體密封鉆孔、1組水泥密封鉆孔和2組聚氨酯密封鉆孔。5組膏體密封抽采鉆孔采用分時段、多次密封技術進行封堵抽采，首先在鉆孔抽采的第15 d注入一次膏體，此后抽采15 d后再對鉆孔進行二次補漿。水泥封孔和聚氨酯封孔作為試驗對照組，直接完成封孔作業后進行瓦斯抽采。現場對8組試驗鉆孔進行瓦斯抽采濃度連續觀察,瓦斯抽采體積分數如圖11所示。從圖11可看出，8組抽采鉆孔中1—6號鉆孔初期均使用膨脹水泥進行封堵，其中1—5號為膏體密封鉆孔。6組鉆孔在初期都得到了較高的瓦斯抽采體積分數，初期的平均瓦斯抽采體積分數均已超過80%；7號、8號為聚氨酯封堵鉆孔，平均瓦斯抽采體積分數在初期僅為60%左右。1—6號鉆孔在15 d內，瓦斯抽采體積分數由80%下降到60%左右，衰減幅度為20%；2組聚氨酯封孔由60%下降到50%左右，衰減幅度為10%。在15～30 d內，采用膏體分時段密封的1—5號鉆孔由于在第15 d注入一次膏體，瓦斯抽采體積分數有著明顯的回升，約為70%，上升幅度為10%，之后一直衰減到55%附近。6號水泥封孔和7號、8號聚氨酯封孔的瓦斯抽采體積分數分別下降到20%和30%左右。這說明水泥、聚氨酯初期封孔效果較好，初期抽采濃度高，但其衰減速度過快；分時段非凝固膏體材料的注入能有效緩解初期瓦斯抽采體積分數衰減過快的問題。

圖11 試驗鉆孔不同抽采時間的瓦斯體積分數

根據試驗要求，第30 d對1—5號鉆孔進行了二次補漿，二次補漿后瓦斯抽采體積分數又出現了一次回升，上升幅度約為10%，之后開始逐漸衰減。由此可見，膏體密封分段分時介入，可以有效解決鉆孔隨時間變化而變形產生新生裂隙導致密封失效的問題。對比分析在前30 d時8個鉆孔的瓦斯抽采濃度，可以明確發現,各種封孔方法初期抽采濃度區別不大，但前期非凝固膏體材料密封鉆孔濃度衰減率低，且二次、多次補漿能使抽采濃度回升，說明非凝固膏體材料鉆孔封堵質量更高、抽采能力更強。

6 結論

(1)大直徑鉆孔非凝固膏體材料抽采鉆孔封孔技術首先利用膨脹水泥材料形成三段固體封孔段，然后在不同抽采時間段在固體封孔段中注入非凝固膏體材料。非凝固膏體材料具有隨鉆孔時空變化的特征，能有效解決固體材料封孔因鉆孔變形而形成新裂隙，造成封孔失敗、抽放濃度衰減過快的難題。

(2)通過數值模擬，結合現場實際，得到了大直徑鉆孔非凝固膏體材料抽采鉆孔封孔技術中最佳注漿壓力為1.2 MPa，最佳黏度為0.001～0.030 Pa·s。

(3)現場工業試驗結果表明，非凝固膏體材料封孔瓦斯抽采濃度衰減速率低，且二次補漿后瓦斯抽采體積分數能提升10%左右，可有效提高瓦斯抽采率。