高水材料瓦斯封孔性能研究

李 強 王曉東 唐江波

（1.山西華陽集團新能股份有限公司，山西 陽泉 045000；2.華陽新材料科技集團有限公司技術中心，山西 陽泉 045000；3.晉能控股煤業集團南莊煤炭有限公司西上莊煤礦，山西 陽泉 045000）

封孔注漿瓦斯抽采是降低煤層瓦斯含量，確保高瓦斯礦井安全開采的重要手段[1-2]。據相關統計，我國煤礦有50%以上的煤礦瓦斯抽采濃度低于30%[3-4]，作為瓦斯抽采效果的主要影響因素，封孔材料與封孔工藝對瓦斯抽采效果有決定性作用[5-6]。針對上述問題，本文研究了不同水灰比、物料比條件下，高水材料作為封孔材料的強度、滲透性等性能，得到了不同影響因素對高水封孔材料性能的影響規律，豐富了封孔注漿瓦斯抽采技術的理論體系。

1 試驗設計及材料分析

1.1 試驗材料分析

試驗選取的山西長治的高水材料，A 料顏色呈灰黑色，其主要成分由硫鋁酸鹽水泥熟料與緩凝劑等材料組成，主要起到膠結的作用；B 料顏色呈灰白色，其主要成分由石膏、生石灰、速凝劑等材料組成，主要起到堿激發催化的作用。A 料與B 料單配置漿液時無凝結、無離析，A 料與B 料等比混合后則會迅速凝結。

1.2 試驗方案

為研究不同水灰比與材料配比對高水材料封孔性能的影響規律，試驗采用單一變量法，探討該變量對材料性能的影響規律。

根據常規高水材料配比，基礎組設定為水:A料:B 料=3:1:1，以基礎組為對照組，編號為H1。本次試驗共設計五個配比，根據影響因素的不同分為兩類，每一類因素分別設置三個水平試驗，其中H1、H3、H5 用于研究不同水灰比對高水材料性能的影響，H2、H3、H4 用于研究物料比（A、B 料之比）對高水材料性能的影響。具體試驗方案見表1。

表1 試驗方案表

1.3 測試方法

根據影響高水材料封孔的主要技術指標，測試了高水材料的初凝時間、單軸抗壓強度、滲透性，具體試驗步驟如下：

（1）將A、B 料分別制成料漿，均勻混合并充分攪拌，將其裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的標準立方體模具中，將模具放在震動機上搖勻，用刮刀將試件刮平。另外取部分料漿以《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080-2016）試驗要求為參照，采用維卡儀測試高水封孔材料的初凝時間。

（2）將裝好料漿的模具常溫下養護，料漿凝結后拆除模具，將制備好的標準試件放入SHBY-40B 數控標準養護箱內進行養護，養護條件為：相對濕度95%，溫度（20±1 ）℃。

（3）采用WAW-1000D 電液伺服壓力機對材料進行單軸抗壓強度測試，試驗參照《煤和巖石物理力學性質測定方法 第12 部分：煤的堅固性系數測定方法》（GB-T23561.12-2010）為標準進行，壓力機的加載速度設定為1 mm/s。

（4）高水封孔材料的滲透率參考MYS-1 型煤巖樣滲透率測試系統進行測試。

2 測試結果分析

2.1 凝結時間測試結果

根據凝結時間的相關測試要求及步驟對不同試驗配比的高水封孔材料的凝結時間進行了測試，見表2。

（1）由圖1（a）可知，隨著水灰比的增大，高水材料的凝結時間逐漸增長，主要是因為物料的量一定，材料的需水量固定，當水達到飽和時，材料內部自由水的含量增加，揮發所需要的時間越長，從而凝結時間變長。

（2）由圖1（b）可知，隨著物料比的增大，材料的凝結時間逐漸縮短，說明A 料能夠快速與水反應，吸收大量的水，主要原因為A 料為水泥基材料，其中的鈣質化物遇水迅速產生水化反應，此過程消耗大量的水分，并形成針狀結晶。

（3）由表2 與圖1 可知，試驗組材料的凝結時間范圍在5～21 min，說明材料的凝結性能較好，并且可以通過水灰比與物料比調節凝結時間，有利于現場的快速施工。

表2 凝結時間測試結果

圖1 凝結時間測試結果

2.2 單軸抗壓強度測試結果

根據單軸抗壓強度的相關測試要求及步驟對不同試驗配比的高水封孔材料的單軸抗壓強度進行了測試。

（1）由圖2（a）可知，材料在各齡期內的單軸抗壓強度均隨水灰比的增大而減小。主要原因為水灰比增大，漿體濃度降低，同體積內材料生成的水化膠結產物減少，導致材料內部結構間的孔隙率增大，致使強度降低。

（2）由圖2（b）可知，各齡期內材料的單軸抗壓強度均與物料比成正比。材料的強度由鈣化產物決定，A 料是產生鈣化物的主要成分，所以隨著物料比的增大，鈣化產物微觀的顆粒組成會更加致密，因此材料的強度會增大。

圖 2 單軸抗壓強度測試結果

（3）根據表3 和圖2 可得，高水材料的單軸抗壓強度均隨著時間增長先快速增長后緩慢增長。主要是因為隨著時間的增長，材料內部的水化產物逐漸穩定，并且將材料內部的孔隙逐漸填滿，所以材料的強度不斷增加，當養護時間達到7 d 時，材料的水化反應基本完成，故材料的強度基本穩定。

表3 單軸抗壓強度測試結果

2.3 滲透性測試結果

根據滲透率的相關測試要求及步驟對不同試驗配比的高水封孔材料的滲透性進行了測試，見表4。

表4 滲透率測試結果

（1）由圖3（a）可知，隨著水灰比的增加，材料的滲透性逐漸變大。主要原因為材料與水反應形成鈣化產物，鈣化產物呈現枝網狀、針狀分布，相互之間無序的交錯，水含量的增加導致網絡間的分布更加松散，空間間隙更大，從而導致滲透率會增大。

圖3 滲透率測試結果

（2）由圖3（b）可知，隨著物料比的增加，材料的滲透率逐漸降低。主要原因為A 料是材料的主要骨料，其中含有大量的鈣化物，隨著A 料的增加，水化反應后形成的鈣化產物增加，材料內部的支柱、網狀結構會更加的密實，導致材料內部的孔隙率降低，從而導致滲透性降低。

（3）當前試驗的配比下材料的滲透率范圍是0.042～0.091 m2/MPa2·d，而試驗礦井煤的滲透率為0.095 7～0.169 2 m2/MPa2·d，由此可知當前試驗配比下高水材料滲透率較低，有較好的封孔效果。

3 工業性試驗

3.1 試驗方案布置

試驗在陽泉新景礦3218 輔助進風巷進行，本煤層抽采鉆孔孔深120 m，孔間距1.5 m，孔徑為130 mm，鉆孔的封孔段為9～17 m，抽采負壓為13 kPa 以上。試驗以10 個孔為一組，試驗孔與對照組交替進行。根據試驗的結果及現場的具體施工情況，選取高水材料配比為2:1:1。

3.2 試驗結果分析

由圖4 綜合分析可知，對照孔的初始抽采濃度基本高于50%，對照孔的瓦斯抽采濃度大多數低于50%。隨著時間的增加，試驗組與對照組的瓦斯抽采濃度均有所下降，但是對照組的瓦斯衰減幅度較大，且隨時間增加衰減越嚴重，說明高水材料封孔的時效性較好。

圖4 單組瓦斯抽采平均濃度對照圖

試驗組的初始瓦斯抽采平均濃度處于60%左右，而對照組的初始平均瓦斯抽采濃度僅為45%，與傳統封孔相比，試驗孔的瓦斯抽采效果較好，瓦斯抽采濃度提升15%，充分證明了高水材料封孔的優勢與可行性。

表5 3218 輔助進風巷部分瓦斯抽采濃度對照表（單位：%）

4 結論

（1）高水材料凝結時間隨水灰比的增大而增長，隨物料比的增大而縮短，材料凝結時間范圍在5～21 min 之間；高水材料具有較高的強度，單軸抗壓強度隨水灰比的增大而降低，隨物料比的增大而增強，7 d 之后材料的強度基本不變；滲透率范圍是0.042～0.091 m2/MPa2·d，遠低于煤層的滲透率，密封性能良好。

（2）經現場試驗可知，試驗孔的瓦斯抽采濃度隨時間變化較小，且較原封孔材料，瓦斯抽采濃度提升近1.5 倍，說明高水材料瓦斯封孔效果較好。