新型無機(jī)緩凝封孔漿液注漿擴(kuò)散形態(tài)研究

趙 剛，程健維，龔選平，尉 瑞，王 玨

(1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司 安全技術(shù)研究所，陜西 西安 710054；2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.中煤華晉集團(tuán)有限公司 王家?guī)X分公司，山西 運(yùn)城 043300)

0 引 言

煤炭工業(yè)作為重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，有力支撐了國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)平穩(wěn)較快發(fā)展[1]。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的2019年度《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，煤炭消費(fèi)量占我國能源消費(fèi)總量的57.7%[2]。由于我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)健康發(fā)展仍然需要大量的煤炭資源作為支撐，因此我國煤礦開采范圍必然會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，開采強(qiáng)度和開采深度也會(huì)隨之增加，會(huì)出現(xiàn)越來越多的高瓦斯礦井，瓦斯災(zāi)害對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的威脅也會(huì)增大，嚴(yán)重制約了我國煤炭工業(yè)的長期健康發(fā)展[3-5]。對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行抽采是有效降低礦井瓦斯涌出、防止瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出災(zāi)害的重要措施[6-8]，也是實(shí)現(xiàn)瓦斯回收利用的前提條件。其抽采效果除了受煤層賦存構(gòu)造、鉆孔布置方式和抽采系統(tǒng)能力等因素影響以外，瓦斯抽采鉆孔封孔質(zhì)量也是影響抽采效果的重要因素[9]，鉆孔封孔質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響到瓦斯抽采濃度和抽采純量，而封孔材料是提高封孔質(zhì)量的最重要因素。

近年來，很多學(xué)者對(duì)目前比較常見的封孔材料進(jìn)行了研究[10-13]。孫煒浩基于聚合物粉末改性水泥基封孔材料的研發(fā)，確定了封孔材料的初始水灰比，研究了水溶性聚合物粉末和再分散性聚合物粉末的摻加對(duì)水泥漿液析水率、粘度和宏觀形貌的影響[14]。武煒采用了改性后的硫鋁酸鹽水泥基注漿材料進(jìn)行現(xiàn)場注漿封孔試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：改性后的超細(xì)硫鋁酸鹽水泥基注漿材料可以對(duì)煤壁裂隙進(jìn)行擴(kuò)散充填，且填充效果良好[15]。劉志偉通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了不同比例鈉基膨潤土、鋁粉摻入量對(duì)試樣極限抗壓強(qiáng)度、膨脹率、滲透率的影響[16]。蔣承林等提出了一種利用聚氨酯作為測壓時(shí)封孔材料，用來解決松軟煤層測壓時(shí)煤體破碎、裂隙發(fā)育，順層鉆孔封孔難度大的實(shí)際問題[17]。彭紅圃等通過聚氨酯硬泡的不同厚度與高度因素來對(duì)聚氨酯硬泡材料與粉煤灰混凝土之間的粘結(jié)力進(jìn)行研究與分析[18]。張鳳杰采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法結(jié)合天固聚氨酯化學(xué)封孔材料，分析了軟硬2種煤質(zhì)中的封孔材料對(duì)鉆孔孔壁圍巖穩(wěn)定性的影響，并得出不同煤質(zhì)中抽采鉆孔應(yīng)力場和位移場變化特征[19]。

以水泥為基料的無機(jī)封孔材料，隨著鉆孔所受應(yīng)力的不斷變化，新生裂隙會(huì)持續(xù)產(chǎn)生，原生裂隙的開度和寬度也會(huì)發(fā)生變化，這些裂隙在無法得到進(jìn)一步密封的情況下會(huì)導(dǎo)通鉆孔與巷道，嚴(yán)重影響抽采效果。而聚氨酯材料的固化反應(yīng)聚合溫度太高，在井下相對(duì)封閉的空間，容易引發(fā)煤炭自燃，造成安全生產(chǎn)事故和煤炭資源的損失。因此，在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，研制一種性能優(yōu)良的封孔材料來保障瓦斯抽采鉆孔長時(shí)間高效率的工作就顯得非常重要。

1 新型無機(jī)緩凝封孔材料簡介

新型無機(jī)緩凝封孔材料是中國礦業(yè)大學(xué)程健維課題組研發(fā)的一種新型液態(tài)封孔材料[20]，主要成分為鈉基膨潤土和高嶺土，輔料有硅酸鹽水泥，粉煤灰和三聚磷酸鈉等。將其與水按照一定比例混合后，制成的膠合體漿液可以長期保持不脫水，呈現(xiàn)流體狀，具有很強(qiáng)的滲透性、懸浮穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性。由于漿液可以長時(shí)間保持流體狀態(tài)，當(dāng)鉆孔周圍裂隙受到采動(dòng)應(yīng)力發(fā)生變化后，無機(jī)緩凝漿液在采動(dòng)應(yīng)力作用下可以對(duì)鉆孔周圍新生裂隙進(jìn)行封堵。圖1為材料在干燥和與水混合后的外觀特征。

圖1 新型無機(jī)緩凝封孔材料在干燥和與水混合后狀態(tài)

本材料的主要成分鈉基膨潤土是一種多種用途的礦產(chǎn)[21]，它吸水速度慢，但吸水率和膨脹倍數(shù)大，具有較高的可塑性和較強(qiáng)的粘結(jié)性；高嶺土具有白度高、質(zhì)軟、易分散懸浮于水中并難于沉淀的特性，具有良好的懸浮性和較高的粘結(jié)性，此外高嶺土與水結(jié)合形成的泥料，在外力作用下能夠變形，外力除去后，仍能保持這種形變，具有良好的可塑性，對(duì)于封孔漿液也是非常有利的。

為了確定注漿材料使用時(shí)的合適的水灰比，對(duì)不同水灰比條件下漿液的析水率、流動(dòng)度和封堵性進(jìn)行了測試。漿液析水率和流動(dòng)度分別按照GB/T1346—2011E《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》和GB/T2419—2005E《水泥膠砂流動(dòng)度測定方法》進(jìn)行測試，漿液封堵性測試方法為將攪拌好的漿液500 mL使用注射器注入到200目篩網(wǎng)上，靜置15 min，將滯留在篩網(wǎng)的漿液倒入量筒中觀察其體積，記錄其占漿液總體積的百分比。最后綜合分析選取了水灰比為8∶1，9∶1和10∶1的漿液，表1為3種水灰比條件下的漿液性能。這3種水灰比條件下的緩凝封孔漿液具有較低的析水性、比較好的流動(dòng)度和封堵性能。

表1 不同水灰比緩凝封孔漿液性能

2 新型無機(jī)緩凝注漿漿液擴(kuò)散形態(tài)數(shù)值分析

2.1 鉆孔封孔段漿液擴(kuò)散模型

2.1.1 鉆孔封孔段漿液擴(kuò)散模型的構(gòu)建

本節(jié)運(yùn)用FLUENT數(shù)值模擬建立典型巷道的數(shù)值模擬模型來模擬城郊煤礦煤層鉆孔實(shí)際條件，通過對(duì)不同水灰比、不同注漿壓力等條件下新型無機(jī)緩凝漿液在順層鉆孔周圍裂隙的擴(kuò)散形態(tài)及變化規(guī)律進(jìn)行研究，為工作面順層鉆孔封孔段封孔參數(shù)提供指導(dǎo)。表2為煤層及頂?shù)装鍘r體相關(guān)物性參數(shù)。

表2 煤巖體相關(guān)物性參數(shù)

根據(jù)新型無機(jī)緩凝漿液不同水灰比和漿液的注漿壓力建立對(duì)應(yīng)的模型，見表3；不同水灰比的新型無機(jī)緩凝漿液的基本性能參數(shù)見表4。

表3 數(shù)值計(jì)算模型

表4 新型無機(jī)緩凝封孔漿液的基本參數(shù)

本煤層順層瓦斯抽采鉆孔數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示，鉆孔注漿滲流模型尺寸為4 m×16 m，瓦斯抽采鉆孔直徑94 mm，布置于模型中部，鉆孔中部為注漿封孔段，注漿封孔段共10 m，距離巷道3 m，注漿封孔段兩側(cè)為封堵段，左右各封堵1 m。邊界條件設(shè)置時(shí)將注漿封孔段的鉆孔壁面設(shè)為壓力注入邊界，且注漿封孔段內(nèi)的注漿壓力處處相等，計(jì)算模型的四周為零流量邊界。鉆孔周圍采用0.05 m的網(wǎng)格，距離鉆孔較遠(yuǎn)處采用0.1 m的網(wǎng)格，模型中共有8 700個(gè)單元格。將建立好的模型導(dǎo)入FLUENT中后進(jìn)行數(shù)值求解，湍流模型標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，求解采用SIMPLE算法和二階迎風(fēng)格式計(jì)算。

圖2 順層瓦斯抽采鉆孔巷道數(shù)值計(jì)算模型

2.1.2 注漿漿液在鉆孔圍巖中的擴(kuò)散形態(tài)

順層鉆孔注漿漿液擴(kuò)散形態(tài)如圖3和4所示。圖3中漿液水灰比為9∶1，分別展現(xiàn)了漿液在0.5和1.8 MPa壓力條件下的擴(kuò)散形態(tài)。從圖中可以看出，注漿壓力較小時(shí)，漿液向鉆孔周圍裂隙擴(kuò)散的深度非常小，距離鉆孔較遠(yuǎn)的裂隙很難得到有效的封堵，當(dāng)注漿壓力增加到1.8 MPa時(shí)，漿液擴(kuò)散范圍明顯增大。但是不能為了增加漿液的擴(kuò)散范圍無限制增加注漿壓力，如果不斷加大注漿壓力，會(huì)導(dǎo)致新生裂隙的產(chǎn)生，漿液從鉆孔注漿段以外的區(qū)域滲流到鉆孔內(nèi)部，堵塞瓦斯抽采鉆孔，影響瓦斯抽采效果。同時(shí)，在注漿壓力較小時(shí)，漿液在重力作用下，向下方擴(kuò)散的范圍明顯大于上方，隨著注漿壓力的不斷增大，漿液的重力對(duì)漿液流動(dòng)影響注漿減小，當(dāng)注漿壓力達(dá)到1.8 MPa時(shí)，鉆孔上下2部分漿液擴(kuò)散基本相同。

圖3 不同壓力條件下漿液擴(kuò)散形態(tài)

圖4中注漿壓力為0.5 MPa，分別展示了3種水灰比條件下的漿液擴(kuò)散情況。從圖中可以看出，在注漿壓力相同時(shí)，不同水灰比漿液在鉆孔圍巖裂隙中的擴(kuò)散差異非常大，尤其是水灰比為8∶1的漿液，由于粘度較大，在壓力較小時(shí)，漿液難以向裂隙深部擴(kuò)散，難以封堵鉆孔裂隙。

圖4 不同濃度條件下漿液擴(kuò)散形態(tài)

2.2 順層鉆孔注漿參數(shù)模擬結(jié)果分析

2.2.1 不同注漿參數(shù)對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響

通過建立FLUENT數(shù)值模型，對(duì)3種水灰比漿液在不同注漿壓力條件下的擴(kuò)散半徑進(jìn)行了模擬研究，為了便于比較不同水灰比和注漿壓力條件下鉆孔周邊煤體內(nèi)漿液擴(kuò)散半徑，提取垂直監(jiān)測線如圖2所示，在不同注漿壓力和水灰比條件下的漿液擴(kuò)散半徑數(shù)據(jù)繪制于圖5中。

圖5 鉆孔注漿壓力、水灰比與漿液擴(kuò)散半徑關(guān)系圖

1)當(dāng)注漿壓力由0.5 MPa增長到1.0 MPa時(shí)，3種水灰比漿液擴(kuò)散半徑的增長幅度最大，當(dāng)注漿壓力由1.0 MPa增長到1.8 MPa時(shí)，3種水灰比漿液的增長幅度顯著變小，注漿壓力對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響力顯著變小。由此可以看出，在注漿過程中，單獨(dú)通過提高注漿壓力來增大漿液擴(kuò)散半徑的做法是不可取的。

2)在4種注漿壓力條件下，當(dāng)水灰比由8∶1變?yōu)?∶1時(shí)，新型無機(jī)緩凝漿液的擴(kuò)散半徑分別增加了10.06%，8.56%，4.12%和5.20%，漿液濃度對(duì)漿液擴(kuò)散的影響在4種注漿壓力條件下逐漸變小；當(dāng)漿液水灰比由9∶1變?yōu)?0∶1時(shí)，漿液的擴(kuò)散半徑分別增加了4.06%，6.64%，6.32%和5.70%，新型無機(jī)緩凝漿液濃度對(duì)漿液擴(kuò)散的影響在4種注漿壓力條件下基本相同；通過對(duì)比2組數(shù)據(jù)可以看出，在注漿壓力較小時(shí)，漿液濃度變化對(duì)漿液擴(kuò)散的影響程度不同，當(dāng)注漿壓力逐漸增大，漿液濃度變化對(duì)漿液擴(kuò)散的影響程度趨于穩(wěn)定。

2.2.2 不同水灰比條件下注漿壓力在圍巖中的衰減分析

為了解不同水灰比條件下注漿壓力在圍巖中的衰減情況，在不同水灰比漿液擴(kuò)散距離上均勻取點(diǎn)，獲取各點(diǎn)的壓力并作圖，如圖6所示。

圖6 不同水灰比條件下注漿壓力在圍巖中的衰減

當(dāng)注漿壓力為0.5 MPa時(shí)，3種水灰比漿液在圍巖中的壓力分布差異很大，這是由于在注漿壓力較小的情況下，漿液濃度的不同會(huì)極大程度的影響到漿液在圍巖中的擴(kuò)散滲流。當(dāng)注漿壓力變?yōu)?.0 MPa時(shí)，水灰比為8∶1的漿液與后兩者在圍巖中的壓力曲線的差異仍然很大，而水灰比9∶1和10∶1這2種漿液在圍巖中的壓力分布差異非常小，在這2種水灰比漿液的圍巖壓力分布中，注漿壓力的影響已經(jīng)大于漿液粘度。當(dāng)注漿壓力達(dá)到1.5 MPa，水灰比為8∶1的漿液與后兩者在圍巖中的壓力曲線的差異減小。注漿壓力為1.8 MPa時(shí)，3種水灰比漿液在圍巖中的壓力曲線已經(jīng)非常接近，此時(shí)漿液濃度的變化對(duì)于漿液在圍巖中的擴(kuò)散滲流的影響程度變得非常小。

2.2.3 不同注漿時(shí)刻各種注漿壓力條件下鉆孔周邊煤體內(nèi)漿液壓力的分布情況分析

本節(jié)對(duì)水灰比為10∶1的漿液在4種注漿壓力條件下不同時(shí)刻鉆孔周邊煤體內(nèi)漿液壓力的分布情況進(jìn)行了模擬研究。不同注漿壓力條件下不同時(shí)刻的漿液壓力數(shù)據(jù)繪制于圖7中。

圖7 不同時(shí)刻鉆孔周邊煤體內(nèi)漿液壓力分布

通過對(duì)圖7中不同時(shí)刻的鉆孔周圍巖體壓力分布進(jìn)行分析，可以看出同一注漿壓力條件下隨著注漿時(shí)間的增加，漿液擴(kuò)散范圍也在增加。在同一的注漿時(shí)間，注漿壓力越大，鉆孔周圍煤巖體裂隙中同一位置的漿液壓力也越大，漿液的擴(kuò)散范圍也就越廣。但是隨著注漿壓力的持續(xù)增大，漿液擴(kuò)散范圍的增加幅度卻在慢慢減小，這就說明單純依靠提高注漿壓力來增加漿液的擴(kuò)散范圍是不可取的。

通過對(duì)在不同的注漿時(shí)間有效注漿范圍進(jìn)行提取，如圖8所示。從圖8中可以看出，漿液的有效擴(kuò)散距離并不是隨著注漿時(shí)間呈線性變化。在注漿前期，漿液擴(kuò)散較快，后期逐漸變慢，在本次模擬實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)注漿時(shí)間大于8.4 min后，漿液的有效擴(kuò)散范圍基本穩(wěn)定，不再隨著注漿時(shí)間的增加而變大。因此注漿時(shí)間不應(yīng)該小于8.4 min，否則漿液擴(kuò)散不充分，同時(shí)也不需要太長，持續(xù)延長注漿時(shí)間對(duì)漿液擴(kuò)散范圍的增加起不到明顯的作用。

圖8 注漿時(shí)間與有效擴(kuò)散距離關(guān)系

3 現(xiàn)場驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)工作面概況與鉆孔布置

河南能源城郊煤礦目前主要開采煤層為二2煤層，煤層平均厚度2.95 m，為煤與瓦斯突出煤層[22]。為了提高工作面的瓦斯抽采效果，計(jì)劃在二水平的21109工作面開展新型無機(jī)緩凝封孔材料注漿封孔實(shí)驗(yàn)，提高瓦斯抽采鉆孔的瓦斯抽采濃度。21109綜采工作面位于十一采區(qū)，工作面走向長軌道順槽1 530 m、回風(fēng)順槽1 473 m，傾斜長190 m。

在21109工作面軌道順槽中瓦斯抽采實(shí)驗(yàn)孔的布置為每5個(gè)孔一組，對(duì)比孔也是每5個(gè)一組，試驗(yàn)孔與對(duì)比孔間隔布置，試驗(yàn)孔和對(duì)比孔共施工100個(gè)，鉆孔編號(hào)從G230～G420。對(duì)比孔和試驗(yàn)孔的封孔深度以及封孔長度都一樣，分別為3m和16 m。試驗(yàn)孔和對(duì)比孔都采用礦上目前采用的“兩堵一注”封孔工藝，試驗(yàn)孔封孔時(shí)兩段采用樹脂封孔作為堵頭，再通過注漿管對(duì)中間段進(jìn)行注漿，新型無機(jī)緩凝漿液在注漿壓力的作用下向鉆孔周圍的煤巖裂隙中流動(dòng)擴(kuò)散，封堵裂隙，選取漿液水灰比為9∶1，注漿壓力1.5 MPa，注漿時(shí)間為9 min；對(duì)比孔中間段則使用膨脹水泥。

3.2 緩凝漿液封堵效果現(xiàn)場驗(yàn)證

鉆孔封孔質(zhì)量好壞有2個(gè)比較重要的參考指標(biāo)，分別是瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采純量。通過對(duì)100個(gè)瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行為期2個(gè)月的瓦斯?jié)舛群图兞勘O(jiān)測，可以描述出試驗(yàn)孔和對(duì)比孔的瓦斯?jié)舛入S著抽采天數(shù)的變化情況，分別對(duì)50個(gè)試驗(yàn)孔與對(duì)比孔的瓦斯抽采濃度和抽采純量進(jìn)行平均計(jì)算，如圖9和圖10所示。

圖9 試驗(yàn)孔與對(duì)比孔抽采瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

圖10 試驗(yàn)孔與對(duì)比孔抽采瓦斯純量變化

由試驗(yàn)孔與對(duì)比孔抽采瓦斯?jié)舛入S時(shí)間變化關(guān)系圖中可以看出，抽采15 d后，試驗(yàn)孔與對(duì)比孔抽采瓦斯?jié)舛确謩e為55.6%和50.9%，兩者相差并不大，這是因?yàn)榍捌?種材料都能夠很好的封堵住鉆孔周圍的裂隙；抽采一個(gè)月后，試驗(yàn)孔與對(duì)比孔抽采瓦斯?jié)舛确謩e為49.2%和32.8%，試驗(yàn)孔緩慢下降，但是對(duì)比孔的瓦斯抽采濃度只有最初的一半左右，這是因?yàn)樵谕咚钩椴蛇^程中產(chǎn)生的新生裂隙并沒有得到有效的封堵，導(dǎo)致鉆孔中的瓦斯通過這些新生裂隙進(jìn)入到巷道中，并且巷道中的空氣也進(jìn)入到了鉆孔內(nèi)。在為期2個(gè)月的觀測期內(nèi)，使用新型無機(jī)緩凝封孔材料進(jìn)行封孔作業(yè)的抽采鉆孔瓦斯?jié)舛仁冀K高于使用水泥砂漿封孔，并且試驗(yàn)孔中的瓦斯?jié)舛仁冀K大于30%，為后續(xù)瓦斯的利用提供了非常好的條件。

由圖10可以看出，在為期2個(gè)月的抽采期間，試驗(yàn)孔中瓦斯抽采純量變化很小，始終維持在0.12 m3/min之上，但對(duì)比孔在抽采開始一個(gè)月之內(nèi)，抽采純量急劇下降，在第30天已經(jīng)下降到了0.054 m3/min，下降了幾乎2/3，證明有大量的空氣進(jìn)入到了鉆孔中。綜合以上分析可知，采用新型無機(jī)緩凝封孔材料封孔能夠更加有效封堵鉆孔，達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié) 論

文中首先對(duì)新型無機(jī)緩凝封孔材料進(jìn)行了介紹，然后采用數(shù)值模擬軟件FLUENT，對(duì)井下煤層鉆孔封孔段在不同注漿條件下的漿液擴(kuò)散形態(tài)和壓力變化情況進(jìn)行模擬分析，最后在河南能源城郊煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場封孔實(shí)驗(yàn)。主要有以下結(jié)論。

1)在漿液水灰比一定的條件下，隨著注漿壓力從0.5 MPa逐漸增大到1.8 MPa，漿液在鉆孔周圍的擴(kuò)散距離增長速度逐漸減小，表明注漿壓力對(duì)漿液的擴(kuò)散影響程度在逐漸下降。因此在注漿過程中，不能單獨(dú)通過提高注漿壓力來增大漿液擴(kuò)散距離。

2)當(dāng)注漿壓力為0.5 MPa時(shí)，3種水灰比漿液在圍巖中的壓力分布差異很大，這是由于在注漿壓力較小的情況下，漿液濃度的不同會(huì)極大程度的影響到漿液在圍巖中的擴(kuò)散滲流。隨著注漿壓力逐漸增大，3種水灰比漿液在圍巖中的壓力曲線的差異減小。當(dāng)注漿壓力為1.8 MPa時(shí)，3種水灰比漿液在圍巖中的壓力分布趨同，此時(shí)漿液粘度的影響非常小。

3)在本次模擬實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)注漿時(shí)間大于8.4 min后，漿液的有效擴(kuò)散范圍基本穩(wěn)定，不再隨著注漿時(shí)間的增加而變大。因此注漿時(shí)間不應(yīng)該小于8.4 min，否則漿液擴(kuò)散不充分，同時(shí)也不需要太長時(shí)間，持續(xù)延長注漿時(shí)間對(duì)漿液擴(kuò)散范圍的增加起不到明顯的作用。

4)采用研制的新型緩凝封孔材料，結(jié)合傳統(tǒng)的“兩堵一注”方式，在河南能源城郊煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，在新型無機(jī)緩凝封孔材料投入使用之后，試驗(yàn)孔平均瓦斯抽采濃度和抽采純量在2個(gè)月的觀察期內(nèi)均高于對(duì)比孔，試驗(yàn)達(dá)到預(yù)期效果。