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(wěn)定性較差，易受采動(dòng)影響導(dǎo)致鉆孔失穩(wěn)破壞，降低了瓦斯抽采效率的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)順層鉆孔穩(wěn)定性進(jìn)行分析，采用了DesignExpert對(duì)影響封孔材料性能的水灰比、緩凝劑與膨脹劑摻量三個(gè)因素設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)，得到了高效封孔材料的材料摻量。研究表明：巷道掘進(jìn)后巷道圍巖可分為四個(gè)區(qū)域，其中破碎區(qū)的順層鉆孔穩(wěn)定性最差，其次是塑性區(qū)與彈性區(qū)，原巖應(yīng)力區(qū)的順層鉆孔穩(wěn)定性最高；水灰比、緩凝劑、膨脹劑對(duì)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(yù)測(cè)強(qiáng)度為水灰比1.1、緩凝劑0.05%、膨脹劑4%，封孔材料強(qiáng)度為27.551MPa，與實(shí)際封孔材料強(qiáng)度相差僅為0.5%，對(duì)比于傳統(tǒng)封孔材料，該新型封孔材料具有流動(dòng)性高、膨脹后不會(huì)收縮的特性，對(duì)順層鉆孔具有更強(qiáng)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(jù)。

關(guān)鍵詞：突出煤層；順層鉆孔；瓦斯抽采；封孔材料

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種清潔能源的利用技術(shù)得到了極大的發(fā)展，但我國(guó)“富煤、貧油、少氣”的資源分布特征，決定了我國(guó)未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)煤炭為我國(guó)能源消費(fèi)的主要結(jié)構(gòu)不會(huì)改變［1］。我國(guó)煤礦開(kāi)采條件中煤層瓦斯含量高、透氣性低的問(wèn)題常引發(fā)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(wěn)定性較差，易受采動(dòng)影響導(dǎo)致鉆孔失穩(wěn)破壞，降低了瓦斯抽采效率，因此，研制出高質(zhì)量的鉆孔封孔材料是保證礦井安全高效生產(chǎn)的重要條件之一。

鉆孔失穩(wěn)破壞的主要原因?yàn)橄锏绹鷰r的應(yīng)力場(chǎng)分布及鉆孔孔周應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了改變，徐超平等［2］針對(duì)松軟煤體瓦斯抽采順層鉆孔易失穩(wěn)破壞的問(wèn)題，總結(jié)了導(dǎo)致鉆孔失穩(wěn)破壞的因素，并分析了各因素條件下對(duì)鉆孔失穩(wěn)破壞的影響作用，認(rèn)為煤體結(jié)構(gòu)是影響鉆孔失穩(wěn)破壞特征的最主要因素，圍巖應(yīng)力與鉆孔鉆進(jìn)方式是影響鉆孔穩(wěn)定性及成孔率的主要因素，而瓦斯抽采過(guò)程中導(dǎo)致孔隙壓力短時(shí)間內(nèi)急劇升高影響了煤巖體的強(qiáng)度，從而降低了鉆孔穩(wěn)定性。鄒雙英等［3］通過(guò)數(shù)值模擬的手段分析了巷道圍巖應(yīng)力分布情況，結(jié)合了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)證明了數(shù)值模擬的正確性，從而確定了順層鉆孔的最佳封孔深度，對(duì)提高瓦斯抽采效率具有重要意義。牛心剛等［4］通過(guò)理論分析將順層鉆孔漏氣影響因素分成了四類，采用了數(shù)值模擬對(duì)該四類影響因素進(jìn)行了分析，得到了順層鉆孔孔周應(yīng)力分布規(guī)律，確定了順層鉆孔的最佳封孔參數(shù)，結(jié)合了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了該結(jié)果的準(zhǔn)確性。開(kāi)展順層鉆孔失穩(wěn)破壞機(jī)理的研究是研制鉆孔密封材料的基礎(chǔ)，包若羽［5］針對(duì)松軟低透煤層瓦斯抽采效率低下等問(wèn)題，總結(jié)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(dòng)衰減機(jī)制，提出了順層鉆孔密封段的瓦斯流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，得到了瓦斯抽采順層鉆孔最易失穩(wěn)破壞位置，最終提出了新型注漿加固技術(shù)，有效改善了順層鉆孔瓦斯抽采效率低下的問(wèn)題。李時(shí)宜等［6］對(duì)傳統(tǒng)的封孔工藝進(jìn)行了改進(jìn)，采用了新型封孔材料并結(jié)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，改進(jìn)后的新型封孔工藝明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的封孔工藝。

為提高順層鉆孔瓦斯抽采效率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)順層鉆孔失穩(wěn)破壞機(jī)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(duì)封孔材料的研究成果較少，因此，本文基于順層鉆孔失穩(wěn)破壞機(jī)理，采用DesignExpert設(shè)計(jì)了響應(yīng)面分析，以封孔材料強(qiáng)度為指標(biāo)，分析各材料摻量對(duì)封孔材料強(qiáng)度的影響程度，優(yōu)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(jù)。

一、工程概況

本實(shí)驗(yàn)研究于貴州某礦井11016回風(fēng)巷開(kāi)展，該工作面最大走向長(zhǎng)度1175m，最小走向長(zhǎng)度851m，平均走向長(zhǎng)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(zhì)如表1所示。

二、順層鉆孔穩(wěn)定性分析

巷道掘進(jìn)后，巷道圍巖原始應(yīng)力場(chǎng)遭到破壞，圍巖應(yīng)力場(chǎng)重新分布，待圍巖應(yīng)力重新平衡后，巷道圍巖按照煤巖體應(yīng)力狀態(tài)可以分為四個(gè)區(qū)域。離巷道最近的區(qū)域?yàn)槠扑閰^(qū)，該區(qū)域下的煤巖體極為破碎，該區(qū)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(jìn)一步降低了瓦斯抽采效率，因此，該區(qū)域下的鉆孔為密封的重點(diǎn)對(duì)象。巷道圍巖破碎區(qū)外一層為圍巖塑性區(qū)，該區(qū)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(qū)，宏觀裂隙密度越大。巷道圍巖塑性區(qū)外為彈性區(qū)，該區(qū)域下煤巖體所受到的應(yīng)力尚未達(dá)到自身的強(qiáng)度極限，煤巖體變形服從胡克定律，破壞條件服從摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則。處于彈性區(qū)范圍下的煤巖體穩(wěn)定性較高，該區(qū)域下煤巖體較為完整，裂隙密度遠(yuǎn)低于破碎區(qū)與塑性區(qū)裂隙密度，且多數(shù)裂隙為微觀裂隙，因此，該區(qū)域下煤巖體中布置的抽采鉆孔瓦斯漏氣量低，不需要高強(qiáng)度的封孔作業(yè)。處于原始應(yīng)力區(qū)下的煤巖體所受到的應(yīng)力為原巖應(yīng)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(yuǎn)低于靠近巷道區(qū)域煤巖體裂隙密度，在實(shí)際工況中可以忽略該區(qū)域的漏氣情況。

造成順層鉆孔穩(wěn)定性低下的原因除巷道掘進(jìn)影響外，鉆孔鉆進(jìn)后孔周煤巖體應(yīng)力場(chǎng)重新分布、瓦斯解吸、煤層開(kāi)采、巷道掘進(jìn)等多方面條件下也會(huì)影響鉆孔穩(wěn)定性。與巷道掘進(jìn)后應(yīng)力重新分布類似，鉆孔鉆進(jìn)成孔后孔周應(yīng)力也會(huì)發(fā)生應(yīng)力重新分布，但鉆進(jìn)成孔的影響程度較低，且孔周應(yīng)力重新分布導(dǎo)致孔周煤巖體出現(xiàn)小范圍的破碎區(qū)與塑性區(qū)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(guò)程中，瓦斯賦存狀態(tài)由吸附態(tài)轉(zhuǎn)變成游離態(tài)，該過(guò)程中，瓦斯體積迅速膨脹，瓦斯壓力迅速增大，從而導(dǎo)致裂隙向外擴(kuò)展，降低了煤巖體的穩(wěn)定性。此外，臨近煤層開(kāi)采、巷道掘進(jìn)等多方面煤礦作業(yè)過(guò)程中造成的采動(dòng)影響，也是造成鉆孔穩(wěn)定性低下的重要因素之一。

三、高效封孔材料性能分析

通過(guò)對(duì)瓦斯抽采順層鉆孔失穩(wěn)破壞機(jī)理進(jìn)行分析后，結(jié)合該礦的地質(zhì)條件，認(rèn)為順層鉆孔密封段急需高強(qiáng)度的封孔材料，以提高瓦斯抽采效率。常見(jiàn)的礦用封孔材料以膨脹水泥為主，但傳統(tǒng)的膨脹水泥流動(dòng)性差、強(qiáng)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(wú)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(duì)鉆孔穩(wěn)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(dòng)性及強(qiáng)度，在傳統(tǒng)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(shè)計(jì)響應(yīng)面分析，對(duì)凝固后的各摻量材料進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，以封孔材料的強(qiáng)度為指標(biāo)，分析各材料的最佳摻量。

（一）實(shí)驗(yàn)方案

DesignExpert是由StatEase公司開(kāi)發(fā)的一款專門(mén)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案及相關(guān)分析的軟件，通過(guò)該軟件的相關(guān)分析能準(zhǔn)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(jī)酸類緩凝劑中的檸檬酸，選用的膨脹劑為氧化鈣硫酸鈣復(fù)合膨脹劑，此外，還需要考慮水灰比對(duì)新型風(fēng)控材料的強(qiáng)度影響。表1為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。采用DesignExpert設(shè)計(jì)各材料摻量正交實(shí)驗(yàn)表。設(shè)計(jì)出正交實(shí)驗(yàn)表后，嚴(yán)格按照表中數(shù)據(jù)配比封孔材料，配比完成后加水?dāng)嚢杈鶆驅(qū)⒉牧献⑷?cm×7cm×7cm的標(biāo)準(zhǔn)模具，隨后將試樣放入養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理。待材料養(yǎng)護(hù)完成后，取出所有試件，通過(guò)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。

（二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)分析時(shí)，需要選取合適的模型來(lái)擬合該結(jié)果的相關(guān)性，采用DesignExpert推薦使用的Quadratic模型進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如表3所示。

由表3數(shù)據(jù)可知，該模型的P值極小，認(rèn)為該模型極為顯著，且失擬項(xiàng)的顯著性為不顯著，認(rèn)為該模型的擬合程度較高，擬合相關(guān)性系數(shù)R2=0.9923，則可認(rèn)為采用該模型對(duì)封孔材料預(yù)測(cè)值具有較高的可信度，與實(shí)際值幾乎沒(méi)有差距。對(duì)水灰比、緩凝劑與膨脹劑三個(gè)因素的交互作用對(duì)封孔材料的強(qiáng)度進(jìn)行分析，得到各因素交互作用的等高線圖與響應(yīng)面曲線圖。在等高線圖中，若等高線呈橢圓狀則認(rèn)為兩因素的交互作用越強(qiáng)烈，在響應(yīng)面曲線圖中，若圖中響應(yīng)面邊緣曲線越陡則可認(rèn)為該因素較另一因素的作用，對(duì)封孔材料的強(qiáng)度影響越大。

由DesignExpert的分析結(jié)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(xiàn)出明顯的橢圓形，在水灰比與緩凝劑的三維響應(yīng)面圖中，可明顯看出水灰比一側(cè)曲面變形程度較大，而緩凝劑一側(cè)的曲面變形程度較為平緩，未呈現(xiàn)出較大的坡度，因此，認(rèn)為水灰比對(duì)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(xiàn)出了較為完整的橢圓形，兩因素的交互作用強(qiáng)烈對(duì)封孔材料強(qiáng)度的影響大，在水灰比與膨脹劑的三維響應(yīng)面圖中，水灰比一側(cè)的曲面變形程度略大于膨脹劑一側(cè)，但整體相差不大，可認(rèn)為水灰比對(duì)封孔材料強(qiáng)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(xiàn)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(yīng)面圖中，膨脹劑一側(cè)的曲面明顯較陡，而緩凝劑一側(cè)的曲面較為平緩，可認(rèn)為膨脹劑對(duì)封孔材料強(qiáng)度的影響程度略大于緩凝劑的影響程度。綜上所述，三個(gè)影響因素對(duì)封孔材料強(qiáng)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(duì)三種因素進(jìn)行最高值預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果如表4所示。

通過(guò)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(yù)測(cè)值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到了試件的強(qiáng)度為27.418MPa，與預(yù)測(cè)值相差0.5%，說(shuō)明該預(yù)測(cè)方法的準(zhǔn)確性高。對(duì)比于傳統(tǒng)封孔材料，該封孔材料在注漿早期具有較強(qiáng)的流動(dòng)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(huì)收縮，具有更強(qiáng)的封堵性。

四、結(jié)論

（1）分析了順層鉆孔穩(wěn)定性，巷道掘進(jìn)后巷道圍巖可分為四個(gè)區(qū)域，其中破碎區(qū)的順層鉆孔穩(wěn)定性最差，其次是塑性區(qū)與彈性區(qū)，原巖應(yīng)力區(qū)的順層鉆孔穩(wěn)定性最高。

（2）采用了DesignExpert對(duì)影響封孔材料強(qiáng)度的三種材料摻量設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)，通過(guò)Quadratic模型進(jìn)行擬合，該模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯著程度高，具有較高的可信度。分析了三個(gè)影響因素對(duì)封孔材料強(qiáng)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(guò)對(duì)三種材料摻量進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到了三種材料的最佳摻量及封孔材料的預(yù)測(cè)強(qiáng)度為水灰比1.1、緩凝劑0.05%、膨脹劑4%，封孔材料強(qiáng)度為27.551MPa，與實(shí)際封孔材料強(qiáng)度相差僅為0.5%，對(duì)比于傳統(tǒng)封孔材料，該新型封孔材料具有流動(dòng)性高、膨脹后不會(huì)收縮的特性，對(duì)順層鉆孔具有更強(qiáng)的封堵性。

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［6］李時(shí)宜，張青松，劉標(biāo)懿，等.瓦斯抽采鉆孔密封用天固封孔材料及工藝應(yīng)用研究［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2019，46（03）：4447.

作者簡(jiǎn)介：郭松（1983—?），男，漢族，貴州甕安人，本科學(xué)歷，碩士學(xué)位，黔南州煤炭安全生產(chǎn)技術(shù)中心副主任，主要負(fù)責(zé)煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)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(jiān)管；劉淵（1974—?）男，漢族，貴州盤(pán)州人，本科，工程師，研究方向：采礦工程。