瓦斯抽采鉆孔新型封孔工藝試驗研究

王科文

（山西蘭花科技創業股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

瓦斯抽采濃度為檢驗抽采效果的關鍵指標之一，為能獲得更好的瓦斯抽采效果，瓦斯鉆孔封堵是最為關鍵的一個環節。伯方煤礦原采用傳統的封孔方式對瓦斯抽放孔進行封堵，即利用膨脹水泥黏性變化及膨脹凝固的物理性質，配合布條增大對孔口的摩擦力對鉆孔進行封堵[1-4]。通過伯方煤礦現場觀察及數據收集整理發現，該封孔方式封孔質量不佳，瓦斯抽采效果整體不理想。主要表現為，孔口封堵位置在應力作用下，煤與膨脹水泥之間互相黏結。由于伯方煤礦開采的3#煤層相對較軟且結構破碎，黏結面出現不規則變形及損壞現象，甚至伴隨有空洞現象，大大影響了其密封性，使瓦斯抽采無法達到最優抽采強度，縮短高濃度瓦斯抽采周期，極大地降低瓦斯抽采效果。基于此，針對傳統封孔工藝存在的問題，研究一套新型的封孔工藝，以解決封孔不佳、抽采不合格等難題，保證瓦斯抽采效果。

1 膨脹水泥性能測試

伯方煤礦井下鉆孔封堵的主要材料為膨脹水泥，是一種典型的水性無機材料。分別對不同水灰比影響下的該材料析水率、膨脹率和黏度進行測試。

1）不同水灰比影響下的析水率以及膨脹率測試

以井下使用的封孔材料膨脹水泥為測試對象，測試其在不同水灰比影響下的析水率和膨脹率有何種變化規律，統計數據結果見表1。

表1 不同水灰比下析水率及膨脹率

從表1 數據可知：水灰比越大，其析水率越低，體積膨脹率越高。在水灰比為1:0.8 時，體積膨脹率僅3.75%，但當水灰比達到1:1.5 時，體積膨脹率已達到26.25%。但在井下實際操作過程中，在注漿設備與現場條件的影響下，水灰比最大只能達到1:1.1 左右，其體積膨脹率仍有16.88%，理論上可以將孔口完全固結密封。但由于水灰比較大，滲透率隨之降低，漿液無法完全注入孔口裂隙中，加之該煤層較為破碎，導致黏結面未做到固結，甚至出現損壞空洞等漏氣現象。

2）不同水灰比影響下的黏度測試

以井下使用封孔材料膨脹水泥為測試對象，配合NDJ-8T 黏度計，針對前一次測試水灰比對析水率及膨脹率影響的數據，僅對水灰比為1:1、1:1.3以及1:1.5 的水泥漿液進行黏度測試，收集并統計數據結果見表2。

表2 不同水灰比下膨脹水泥黏度測試參數表

從表2 數據可知：水灰比越大，其黏度越大，且在相同時間變化內黏度的上升速度越快。水灰比為1:1 時，初始黏度值為706 MPa·s，在隨后4 min內其黏度增加45%以上；當水灰比達到1:1.5 時，4 min 內黏度增加超過280%。進一步證明：隨著水灰比的增加，黏度上升速度越快，其滲透率越低。為保證膨脹率，在增加水灰比的情況下無法將孔口裂隙進行完全填充，降低水灰比增加滲透率又無法保證膨脹率，因此，這兩種情況均無法對鉆孔良好封堵。

2 新型封孔材料相變凝膠

通過以上測試可知，伯方煤礦瓦斯抽放孔若想達到理想的注漿封孔效果，注漿材料必須要具備滲透性好且膨脹率高等特點。加之考慮到抽采結束后進行設備回收工作，需要防止設備損壞以及拆卸容易。基于上述分析并結合礦井實際情況，擬研發一種具備以上優點的新型封孔材料相變凝膠。

新型封孔材料相變凝膠（簡稱PCG），為水溶性高分子凝膠漿液，其優點是可通過控制其凝膠液的凝膠點，使該材料在不同時間節點上發生不同相變反應，以達到黏度低、滲透率高、膨脹率強等特點，可以解決鉆孔封堵不佳的難題。加之該材料具有降解性，使設備材料回收更容易，且不損壞材料。圖1 為普通膨脹水泥與相變凝膠的固結對比圖。

圖1 膨脹水泥與相變凝膠固結對比圖

對新型封孔材料相變凝膠的黏度特征進行分析，其主要參數見表3。由表3 數據可知：其凝膠時間較長，凝膠點可控，最開始其黏度小于50 MPa·s。該黏度下滲透率大，固結后其黏度大于30萬MPa·s，起到很好的固結封孔作用。

表3 鉆孔封孔相關參數表

表3 新型封孔材料相變凝膠性能參數表

3 現場測試及成果分析

1）工程概況

伯方煤礦井下3#煤層較為破碎，瓦斯賦存較穩定。本次現場測試地點為3205 綜放工作面，工作面內構造發育較少，煤層平均原瓦斯含量為10 m3/t，原瓦斯壓力為0.68 MPa，最大絕對瓦斯涌出量7.78 m3/min，煤層透氣性系數為0.26～0.31 m2/MPa2·d。

2）不同鉆孔封堵方式的相關參數

使用同樣的注漿泵，維持注漿壓力在0.5 MPa以上，孔口均采用膨脹水泥配合布條進行封堵（長度2 m），采用膨脹水泥和新型材料相變凝膠分別往孔內注漿封孔（長度12 m）。具體施工參數見表3。

3）測試成果分析

采用CJZ4Z 瓦斯參數綜合測量儀對本次測試對象進行數據收集，收集方式為分組連續測定。該儀器為礦用井下專業測定儀器，可對瓦斯濃度、壓力、溫度等數據進行實時測定及數據保存，具備直接顯示查詢等功能。3205 綜放工作面的N121 和N122組鉆孔瓦斯抽采參數測定如圖2。

圖2 N121 和N122 組鉆孔瓦斯抽采參數測定圖

由圖2 可知：在同樣的封孔條件及抽采負壓下，注漿封孔材料使用相變凝膠（PCG）相比使用膨脹水泥，在抽采效果上得到大大的提升。整體上使用PCG 比使用膨脹水泥其瓦斯抽采濃度提升2 倍，瓦斯抽采純量提升1.5 倍；根據時間節點來看，在瓦斯抽采100 d 內，采用PCG 封孔材料的瓦斯抽采濃度及純量的衰減較弱，瓦斯抽采濃度在100 d 后仍能達到56.44%。這與新型封孔材料相變凝膠的特性有著極大的關系，該材料可通過控制其凝膠液的凝膠點，使該材料在不同的時間節點上發生不同的相變反應，以達到黏度低、滲透率高、膨脹率強等特點，這使注漿液根據孔內情況更好地注入孔內裂隙中。待凝固后，其黏度變大，與孔內煤與裂隙的契合度高，形成一個整體，增大煤巖層的內聚力，防止其煤巖層進一步破碎空洞等現象。所以，新型封孔材料相變凝膠其封孔能力在各方面均優于傳統封孔材料膨脹水泥。

4 結論

1）注漿封孔材料膨脹水泥，其水灰比越大析水率越低，膨脹率越大，黏度越大，黏度上升率越快，流體性能變小，滲透率變低；與破碎煤體之間易發生應力錯位，不易滲入裂隙中，在應力作用下易產生破損甚至空洞等力學分層現象。

2）新型封孔材料相變凝膠（簡稱PCG），為水溶性高分子凝膠漿液，其優點就是可通過控制其凝膠液的凝膠點，以達到黏度低、滲透率高、膨脹率強等特點，與孔內煤體契合度高，內聚力強，相較膨脹水泥其封孔狀態更好。

3）使用相變凝膠（PCG）注漿封孔，在抽采效果上得到大幅度提升。瓦斯抽采濃度提升2 倍，瓦斯抽采純量提升1.5 倍；使用相變凝膠（PCG）瓦斯抽采濃度在100 d 后仍能達到56.44%。