突出煤層瓦斯抽采順層鉆孔高效封孔材料研究

郭松 袁東 劉淵

摘?要：為解決瓦斯抽采順層鉆孔穩定性較差，易受采動影響導致鉆孔失穩破壞，降低了瓦斯抽采效率的問題，通過對順層鉆孔穩定性進行分析，采用了DesignExpert對影響封孔材料性能的水灰比、緩凝劑與膨脹劑摻量三個因素設計了正交實驗，得到了高效封孔材料的材料摻量。研究表明：巷道掘進后巷道圍巖可分為四個區域，其中破碎區的順層鉆孔穩定性最差，其次是塑性區與彈性區，原巖應力區的順層鉆孔穩定性最高；水灰比、緩凝劑、膨脹劑對封孔材料的影響程度由大到小分別為水灰比＞膨脹劑＞緩凝劑；得到了三種材料的最佳摻量及封孔材料的預測強度為水灰比1.1、緩凝劑0.05%、膨脹劑4%，封孔材料強度為27.551MPa，與實際封孔材料強度相差僅為0.5%，對比于傳統封孔材料，該新型封孔材料具有流動性高、膨脹后不會收縮的特性，對順層鉆孔具有更強的封堵性。該研究可為順層鉆孔封孔材料研究提供一定的研究依據。

關鍵詞：突出煤層；順層鉆孔；瓦斯抽采；封孔材料

隨著我國科學技術的不斷發展，各種清潔能源的利用技術得到了極大的發展，但我國“富煤、貧油、少氣”的資源分布特征，決定了我國未來較長一段時間內煤炭為我國能源消費的主要結構不會改變［1］。我國煤礦開采條件中煤層瓦斯含量高、透氣性低的問題常引發煤礦突出事故，采用順層鉆孔能有效遏制煤礦瓦斯突出事故。然而瓦斯抽采順層鉆孔穩定性較差，易受采動影響導致鉆孔失穩破壞，降低了瓦斯抽采效率，因此，研制出高質量的鉆孔封孔材料是保證礦井安全高效生產的重要條件之一。

鉆孔失穩破壞的主要原因為巷道圍巖的應力場分布及鉆孔孔周應力場發生了改變，徐超平等［2］針對松軟煤體瓦斯抽采順層鉆孔易失穩破壞的問題，總結了導致鉆孔失穩破壞的因素，并分析了各因素條件下對鉆孔失穩破壞的影響作用，認為煤體結構是影響鉆孔失穩破壞特征的最主要因素，圍巖應力與鉆孔鉆進方式是影響鉆孔穩定性及成孔率的主要因素，而瓦斯抽采過程中導致孔隙壓力短時間內急劇升高影響了煤巖體的強度，從而降低了鉆孔穩定性。鄒雙英等［3］通過數值模擬的手段分析了巷道圍巖應力分布情況，結合了現場實測證明了數值模擬的正確性，從而確定了順層鉆孔的最佳封孔深度，對提高瓦斯抽采效率具有重要意義。牛心剛等［4］通過理論分析將順層鉆孔漏氣影響因素分成了四類，采用了數值模擬對該四類影響因素進行了分析，得到了順層鉆孔孔周應力分布規律，確定了順層鉆孔的最佳封孔參數，結合了現場實測驗證了該結果的準確性。開展順層鉆孔失穩破壞機理的研究是研制鉆孔密封材料的基礎，包若羽［5］針對松軟低透煤層瓦斯抽采效率低下等問題，總結了順層鉆孔密封段的漏氣因素，得出了順層鉆孔密封段瓦斯流動衰減機制，提出了順層鉆孔密封段的瓦斯流動數學模型，得到了瓦斯抽采順層鉆孔最易失穩破壞位置，最終提出了新型注漿加固技術，有效改善了順層鉆孔瓦斯抽采效率低下的問題。李時宜等［6］對傳統的封孔工藝進行了改進，采用了新型封孔材料并結合“兩堵一注”封孔工藝有效改善了順層鉆孔瓦斯抽采效果，通過現場實測，改進后的新型封孔工藝明顯優于傳統的封孔工藝。

為提高順層鉆孔瓦斯抽采效率，國內外學者針對順層鉆孔失穩破壞機理、鉆孔密封段漏氣因素等做了大量研究，并提出了新的封孔工藝，研究成果豐富，但針對封孔材料的研究成果較少，因此，本文基于順層鉆孔失穩破壞機理，采用DesignExpert設計了響應面分析，以封孔材料強度為指標，分析各材料摻量對封孔材料強度的影響程度，優化了封孔材料配比，從而研制出新型高效封孔材料，為順層鉆孔封孔材料研究提供一定的研究依據。

一、工程概況

本實驗研究于貴州某礦井11016回風巷開展，該工作面最大走向長度1175m，最小走向長度851m，平均走向長度1031m，煤層平均傾角15°，煤層平均厚度1.4m，工作面煤層原始瓦斯含量為4.75m3/t，工作面煤層原始瓦斯壓力為1.67MPa。工作面煤層物理性質如表1所示。

二、順層鉆孔穩定性分析

巷道掘進后，巷道圍巖原始應力場遭到破壞，圍巖應力場重新分布，待圍巖應力重新平衡后，巷道圍巖按照煤巖體應力狀態可以分為四個區域。離巷道最近的區域為破碎區，該區域下的煤巖體極為破碎，該區域煤巖體變形與破壞程度最大。此外，煤巖體中存在大量的宏觀裂隙給瓦斯抽采鉆孔提供了大量的漏氣通道，進一步降低了瓦斯抽采效率，因此，該區域下的鉆孔為密封的重點對象。巷道圍巖破碎區外一層為圍巖塑性區，該區域下的煤巖體較為破碎，煤巖體中微觀裂隙與宏觀裂隙并存，且越接近圍巖破碎區，宏觀裂隙密度越大。巷道圍巖塑性區外為彈性區，該區域下煤巖體所受到的應力尚未達到自身的強度極限，煤巖體變形服從胡克定律，破壞條件服從摩爾庫倫準則。處于彈性區范圍下的煤巖體穩定性較高，該區域下煤巖體較為完整，裂隙密度遠低于破碎區與塑性區裂隙密度，且多數裂隙為微觀裂隙，因此，該區域下煤巖體中布置的抽采鉆孔瓦斯漏氣量低，不需要高強度的封孔作業。處于原始應力區下的煤巖體所受到的應力為原巖應力，煤巖體較為完整，煤巖體中含有的裂隙為原生裂隙，且裂隙密度遠低于靠近巷道區域煤巖體裂隙密度，在實際工況中可以忽略該區域的漏氣情況。

造成順層鉆孔穩定性低下的原因除巷道掘進影響外，鉆孔鉆進后孔周煤巖體應力場重新分布、瓦斯解吸、煤層開采、巷道掘進等多方面條件下也會影響鉆孔穩定性。與巷道掘進后應力重新分布類似，鉆孔鉆進成孔后孔周應力也會發生應力重新分布，但鉆進成孔的影響程度較低，且孔周應力重新分布導致孔周煤巖體出現小范圍的破碎區與塑性區有利于瓦斯解吸，提高瓦斯抽采效率。煤巖體中瓦斯解吸釋放過程中，瓦斯賦存狀態由吸附態轉變成游離態，該過程中，瓦斯體積迅速膨脹，瓦斯壓力迅速增大，從而導致裂隙向外擴展，降低了煤巖體的穩定性。此外，臨近煤層開采、巷道掘進等多方面煤礦作業過程中造成的采動影響，也是造成鉆孔穩定性低下的重要因素之一。

三、高效封孔材料性能分析

通過對瓦斯抽采順層鉆孔失穩破壞機理進行分析后，結合該礦的地質條件，認為順層鉆孔密封段急需高強度的封孔材料，以提高瓦斯抽采效率。常見的礦用封孔材料以膨脹水泥為主，但傳統的膨脹水泥流動性差、強度低、凝固后具有一定的收縮性，使得鉆孔封孔前期封孔材料漿液無法充分注入至煤巖體裂隙中，且凝固后膨脹水泥的收縮提供了新的漏氣通道，不僅對鉆孔穩定性提升幅度小，且形成的漏氣通道也降低了瓦斯抽采效率。為提高封孔材料流動性及強度，在傳統膨脹水泥中加入一定摻量的緩凝劑及膨脹劑能有效提升材料的性能。為探究各材料的最佳摻量，采用DesignExpert設計響應面分析，對凝固后的各摻量材料進行單軸壓縮實驗，以封孔材料的強度為指標，分析各材料的最佳摻量。

（一）實驗方案

DesignExpert是由StatEase公司開發的一款專門設計實驗方案及相關分析的軟件，通過該軟件的相關分析能準確得到各材料最佳摻量。選用的新型封孔材料基料為硅酸鹽水泥，選用的緩凝劑為有機酸類緩凝劑中的檸檬酸，選用的膨脹劑為氧化鈣硫酸鈣復合膨脹劑，此外，還需要考慮水灰比對新型風控材料的強度影響。表1為實驗設計方案。采用DesignExpert設計各材料摻量正交實驗表。設計出正交實驗表后，嚴格按照表中數據配比封孔材料，配比完成后加水攪拌均勻將材料注入7cm×7cm×7cm的標準模具，隨后將試樣放入養護箱進行養護處理。待材料養護完成后，取出所有試件，通過單軸壓縮實驗機進行強度測試。

（二）實驗結果分析

對上述結果進行響應分析時，需要選取合適的模型來擬合該結果的相關性，采用DesignExpert推薦使用的Quadratic模型進行擬合，擬合結果如表3所示。

由表3數據可知，該模型的P值極小，認為該模型極為顯著，且失擬項的顯著性為不顯著，認為該模型的擬合程度較高，擬合相關性系數R2=0.9923，則可認為采用該模型對封孔材料預測值具有較高的可信度，與實際值幾乎沒有差距。對水灰比、緩凝劑與膨脹劑三個因素的交互作用對封孔材料的強度進行分析，得到各因素交互作用的等高線圖與響應面曲線圖。在等高線圖中，若等高線呈橢圓狀則認為兩因素的交互作用越強烈，在響應面曲線圖中，若圖中響應面邊緣曲線越陡則可認為該因素較另一因素的作用，對封孔材料的強度影響越大。

由DesignExpert的分析結果得出水灰比與緩凝劑的交互作用較差，其交互作用等高線圖中未呈現出明顯的橢圓形，在水灰比與緩凝劑的三維響應面圖中，可明顯看出水灰比一側曲面變形程度較大，而緩凝劑一側的曲面變形程度較為平緩，未呈現出較大的坡度，因此，認為水灰比對封孔材料的影響程度大于緩凝劑的影響程度。水灰比與膨脹劑相互作用等高線圖呈現出了較為完整的橢圓形，兩因素的交互作用強烈對封孔材料強度的影響大，在水灰比與膨脹劑的三維響應面圖中，水灰比一側的曲面變形程度略大于膨脹劑一側，但整體相差不大，可認為水灰比對封孔材料強度的影響程度略大于膨脹劑的影響程度。緩凝劑與膨脹劑的交互作用等高線圖未呈現出明顯的橢圓形，膨脹劑與緩凝劑的交互作用較差，在膨脹劑與緩凝劑的三維響應面圖中，膨脹劑一側的曲面明顯較陡，而緩凝劑一側的曲面較為平緩，可認為膨脹劑對封孔材料強度的影響程度略大于緩凝劑的影響程度。綜上所述，三個影響因素對封孔材料強度的影響程度大小為水灰比＞膨脹劑＞緩凝劑。

為得出各材料最佳摻量，需要采用DesignExpert對三種因素進行最高值預測，預測結果如表4所示。

通過分析得出各材料最佳摻量為水灰比為1.1、緩凝劑為0.05%、膨脹劑為4%，采用該預測值進行實驗，得到了試件的強度為27.418MPa，與預測值相差0.5%，說明該預測方法的準確性高。對比于傳統封孔材料，該封孔材料在注漿早期具有較強的流動性，能夠使封孔漿液流向微小裂隙，此外，該封孔材料凝固膨脹后不會收縮，具有更強的封堵性。

四、結論

（1）分析了順層鉆孔穩定性，巷道掘進后巷道圍巖可分為四個區域，其中破碎區的順層鉆孔穩定性最差，其次是塑性區與彈性區，原巖應力區的順層鉆孔穩定性最高。

（2）采用了DesignExpert對影響封孔材料強度的三種材料摻量設計了正交實驗，通過Quadratic模型進行擬合，該模型對實驗結果顯著程度高，具有較高的可信度。分析了三個影響因素對封孔材料強度的影響程度，影響程度由大到小分別為水灰比＞膨脹劑＞緩凝劑。

（3）通過對三種材料摻量進行預測，得到了三種材料的最佳摻量及封孔材料的預測強度為水灰比1.1、緩凝劑0.05%、膨脹劑4%，封孔材料強度為27.551MPa，與實際封孔材料強度相差僅為0.5%，對比于傳統封孔材料，該新型封孔材料具有流動性高、膨脹后不會收縮的特性，對順層鉆孔具有更強的封堵性。

參考文獻：

［1］王一琦，楊雷，范超軍.高瓦斯厚煤層順層鉆孔有效抽采區及參數優化研究［J］.煤礦安全，2022，53（10）：212221.

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［5］包若羽.松軟煤層抽采鉆孔密封段失穩機理及新型加固密封技術研究［D］.西安：西安科技大學，2019.

［6］李時宜，張青松，劉標懿，等.瓦斯抽采鉆孔密封用天固封孔材料及工藝應用研究［J］.礦業安全與環保，2019，46（03）：4447.

作者簡介：郭松（1983—?），男，漢族，貴州甕安人，本科學歷，碩士學位，黔南州煤炭安全生產技術中心副主任，主要負責煤礦安全生產技術工作；袁東（1988—?）男，漢族，貴州人，本科，助理工程師，研究方向：煤礦安全監管；劉淵（1974—?）男，漢族，貴州盤州人，本科，工程師，研究方向：采礦工程。