相變凝膠材料在測壓封孔中的應(yīng)用效果研究

王首杰 劉 飛 韓俊豐

（1.山西煤炭運銷集團長治有限公司，山西 長治 046000；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

煤與瓦斯突出是煤體-圍巖系統(tǒng)在采掘活動下發(fā)生的一種礦井動力災(zāi)害，其本質(zhì)就是能量的意外積累與釋放[1-2]。瓦斯壓力在煤與瓦斯突出的孕育和發(fā)生過程中起著至關(guān)重要的作用[3-5]，瓦斯壓力不僅是煤層瓦斯含量計算和煤層突出危險性預(yù)測、評價的基本參數(shù)，也是瓦斯防治措施效果檢驗的主要指標(biāo)[6-8]。煤層瓦斯壓力測定方法主要采用直接法進行瓦斯壓力測定。在所有的煤層瓦斯壓力測試技術(shù)中，水泥砂漿封孔測壓法的應(yīng)用較多，其不僅適用于上行孔和下行孔的煤層瓦斯壓力測定，也適用于水平鉆孔。但是由于水泥凝固后受鉆孔周圍煤體擠壓易發(fā)生脆性斷裂，造成鉆孔漏氣。本文以水泥砂漿封孔測壓技術(shù)為基礎(chǔ)，將密封材料更換為相變凝膠材料，考察該材料在煤層瓦斯壓力測定過程中的可行性。

1 相變凝膠材料封孔工藝

1.1 相變凝膠材料

相變凝膠材料是一種以水溶性高分子聚合物為主要成分的新型、綠色、環(huán)保的鉆孔密封材料，初期攪拌均勻后為液體狀態(tài)，隨著時間增加，逐漸凝固成果凍狀。相變凝膠材料具有粘結(jié)性強、可塑性高、穩(wěn)定性好等特點，其基料主要為改性纖維素醚，是經(jīng)過堿纖維素與醚化劑在一定條件下生成的纖維素衍生物，是纖維素大分子上羥基被醚基團部分或全部取代的產(chǎn)物。由于經(jīng)過醚化處理的纖維素產(chǎn)品，大大改善了其內(nèi)部親水性，作為食品添加劑、乳化劑、增稠劑、懸浮劑及動物明膠的替代品等廣泛應(yīng)用于日常生活生產(chǎn)中。其可代替水泥并具有一定彈塑性，使鉆孔封孔段在外力作用下可以產(chǎn)生一定量的塑性變形而不產(chǎn)生裂紋，降低鉆孔封孔段的漏氣率。由于相變凝膠材料的凝膠效果與水的酸堿度有一定關(guān)系，因此在試驗開展前期，先取中能煤業(yè)井下靜壓水用相變凝膠材料與水配比按照2.5:100、3:100、3.5:100 三種比例進行樣品調(diào)制，觀測三種樣品不同比例下凝膠效果，進而確定適合中能煤業(yè)的最佳比例。根據(jù)地面試驗結(jié)果，確定凝膠材料與水配比為3:100。

1.2 囊袋式封孔測壓裝置

囊袋式注漿封孔裝置主要由前后兩個封堵囊袋、測壓鋼管、注漿管、快速接頭、止回閥、爆破閥、堵頭組成。不同于常用的封堵囊袋，針對相變凝膠材料物理特性，囊袋材質(zhì)為不滲水材料。具體測壓工藝如圖1。

圖1 囊袋式封孔工藝示意圖（m）

如圖1 所示，測壓管采用4 分鋼管，為施工方便，將4 分鋼管加工成2 m 一根，兩頭加工外絲，通過內(nèi)絲接箍進行連接，孔底花管為4 分鋼管利用電鉆打眼加工而成。內(nèi)部囊袋置于花管外側(cè)約50 cm 處，外部囊袋置于距孔口1 m 左右位置。經(jīng)測壓裝置下入測壓孔內(nèi)后逐步進行注漿。將注漿材料按照一定比例攪拌均勻后，利用高壓注漿泵連接預(yù)留的注漿管快速接頭將注漿液注入封孔裝置。注漿液首先注滿內(nèi)外囊袋后，在注漿泵壓力作用下，注漿段爆破閥在壓力達到1.2 MPa 后張開，注漿液經(jīng)過爆破閥注入注漿段腔室，繼續(xù)進行注漿，待注漿泵壓力達到1.5 MPa 后注漿完成。注漿完成兩小時后在孔口安裝閥門和壓力表進行壓力觀測。

2 測壓鉆孔布置

中能煤業(yè)位于長子縣境內(nèi)，行政區(qū)劃隸屬長子縣南漳鎮(zhèn)、大堡頭鎮(zhèn)、慈林山鎮(zhèn)和上黨區(qū)北呈鄉(xiāng)。井田地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°53′14″～112°58′15″，北緯36°00′59″～36°04′30″（1980 西安坐標(biāo)系，6 度帶）。礦井現(xiàn)采3 號煤層，在二采區(qū)2305 工作面運輸順槽進行瓦斯壓力測定工作。由于相變凝膠材料封孔測壓技術(shù)為試驗階段，為準(zhǔn)確測定二采區(qū)瓦斯壓力，設(shè)計在2305 運輸順槽非采幫施工兩組測壓鉆孔，一組利用常規(guī)水泥砂漿進行注漿密封（注漿完畢后24 h 方可安裝壓力表），另一組采用相變凝膠材料進行注漿密封。試驗地點共布置四個測壓鉆孔，兩個鉆孔為一組，組間距50 m，孔間距20 m，孔深50 m，封孔長度40 m。施工完成后對兩組數(shù)據(jù)進行持續(xù)觀測并對比分析。測壓鉆孔布置平面圖如圖2。

圖2 測壓鉆孔布置平面圖（m）

3 測壓數(shù)據(jù)觀測

本次瓦斯壓力測定采用被動測壓法，每3 d 觀測一次瓦斯壓力，在觀測中發(fā)現(xiàn)瓦斯壓力值變化較大，則應(yīng)增加觀測次數(shù)。鉆孔瓦斯壓力觀測結(jié)果見表1。

表1 3 號煤層二采區(qū)瓦斯壓力測定結(jié)果

將表1 所測數(shù)據(jù)繪制到散點圖上，如圖3。

圖3 3 號煤層二采區(qū)瓦斯壓力測定結(jié)果

根據(jù)圖3 可以看出以下幾點：

1）觀測第一天兩組數(shù)據(jù)分析

第1 天觀測結(jié)果可以看出，第一組鉆孔初始瓦斯壓力明顯大于第二組鉆孔，其原因主要為封孔材料凝固時間不同。水泥砂漿注漿液封孔后24 h 才能凝固并開始觀測，期間孔內(nèi)瓦斯已通過孔口釋放，導(dǎo)致觀測初期瓦斯壓力較小。

2）瓦斯壓力變化情況分析

根據(jù)四個鉆孔瓦斯壓力變化趨勢可以看出，瓦斯壓力在第10 天以后基本趨于穩(wěn)定。兩者不同的是第一組鉆孔瓦斯壓力在觀測期間內(nèi)均呈逐漸增加狀態(tài)，2-1#孔在21 d 后瓦斯壓力有所下降但下降不太明顯，2-1#孔在第13 天后瓦斯壓力急劇下降之后略有所上升，之后又下降。分析認(rèn)為2-1#孔注漿段水泥凝固后受煤體壓力影響導(dǎo)致孔內(nèi)產(chǎn)生微小裂隙，在瓦斯壓力較大時通過裂隙緩慢釋放，導(dǎo)致壓力有所下降；2-2#孔注漿段水泥凝固后受煤體壓力影響發(fā)生較大的脆性斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆孔密封失效。

3）壓力測定結(jié)果分析

兩組鉆孔最終測定結(jié)果顯示，第一組鉆孔測得較大的瓦斯壓力，更具有參考性；第二組鉆孔中2-1#孔所測瓦斯壓力與第一組相差不大，仍有參考價值，2-2#孔由于后期瓦斯壓力下降，該數(shù)據(jù)不作為最終結(jié)果考慮。因此中能煤業(yè)3 號煤二采區(qū)瓦斯壓力為0.212～0.276 MPa。

4結(jié)論

相變凝膠材料在測壓封孔中的應(yīng)用效果研究結(jié)果表明：

1）相變凝膠材料在瓦斯測壓封孔中是可行的，且相比水泥砂漿封孔效果更好，成功率更高；

2）根據(jù)地面試驗結(jié)果，中能煤業(yè)靜壓水與凝膠材料最佳配比為3:100；

3）該技術(shù)在煤層瓦斯壓力較大時的應(yīng)用效果仍需通過現(xiàn)場試驗進行驗證；

4）相變凝膠材料在松軟易斷裂煤層中作為測壓封孔材料可以避免受到煤體壓力的影響，具有良好的推廣價值。