新型无机缓凝封孔浆液注浆扩散形态研究

赵 刚，程健维，龚选平，尉 瑞，王 珏

(1.中煤能源研究院有限责任公司 安全技术研究所，陕西 西安 710054；2.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116；3.中煤华晋集团有限公司 王家岭分公司，山西 运城 043300)

0 引 言

煤炭工业作为重要的基础产业，有力支撑了国民经济和社会平稳较快发展[1]。根据国家统计局发布的2019年度《国民经济和社会发展统计公报》，煤炭消费量占我国能源消费总量的57.7%[2]。由于我国经济的持续健康发展仍然需要大量的煤炭资源作为支撑，因此我国煤矿开采范围必然会进一步扩大，开采强度和开采深度也会随之增加，会出现越来越多的高瓦斯矿井，瓦斯灾害对煤矿安全生产的威胁也会增大，严重制约了我国煤炭工业的长期健康发展[3-5]。对煤层瓦斯进行抽采是有效降低矿井瓦斯涌出、防止瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出灾害的重要措施[6-8]，也是实现瓦斯回收利用的前提条件。其抽采效果除了受煤层赋存构造、钻孔布置方式和抽采系统能力等因素影响以外，瓦斯抽采钻孔封孔质量也是影响抽采效果的重要因素[9]，钻孔封孔质量的好坏会直接影响到瓦斯抽采浓度和抽采纯量，而封孔材料是提高封孔质量的最重要因素。

近年来，很多学者对目前比较常见的封孔材料进行了研究[10-13]。孙炜浩基于聚合物粉末改性水泥基封孔材料的研发，确定了封孔材料的初始水灰比，研究了水溶性聚合物粉末和再分散性聚合物粉末的掺加对水泥浆液析水率、粘度和宏观形貌的影响[14]。武炜采用了改性后的硫铝酸盐水泥基注浆材料进行现场注浆封孔试验，试验结果表明：改性后的超细硫铝酸盐水泥基注浆材料可以对煤壁裂隙进行扩散充填，且填充效果良好[15]。刘志伟通过实验对比分析了不同比例钠基膨润土、铝粉掺入量对试样极限抗压强度、膨胀率、渗透率的影响[16]。蒋承林等提出了一种利用聚氨酯作为测压时封孔材料，用来解决松软煤层测压时煤体破碎、裂隙发育，顺层钻孔封孔难度大的实际问题[17]。彭红圃等通过聚氨酯硬泡的不同厚度与高度因素来对聚氨酯硬泡材料与粉煤灰混凝土之间的粘结力进行研究与分析[18]。张凤杰采用计算机数值模拟方法结合天固聚氨酯化学封孔材料，分析了软硬2种煤质中的封孔材料对钻孔孔壁围岩稳定性的影响，并得出不同煤质中抽采钻孔应力场和位移场变化特征[19]。

以水泥为基料的无机封孔材料，随着钻孔所受应力的不断变化，新生裂隙会持续产生，原生裂隙的开度和宽度也会发生变化，这些裂隙在无法得到进一步密封的情况下会导通钻孔与巷道，严重影响抽采效果。而聚氨酯材料的固化反应聚合温度太高，在井下相对封闭的空间，容易引发煤炭自燃，造成安全生产事故和煤炭资源的损失。因此，在总结前人研究成果的基础上，研制一种性能优良的封孔材料来保障瓦斯抽采钻孔长时间高效率的工作就显得非常重要。

1 新型无机缓凝封孔材料简介

新型无机缓凝封孔材料是中国矿业大学程健维课题组研发的一种新型液态封孔材料[20]，主要成分为钠基膨润土和高岭土，辅料有硅酸盐水泥，粉煤灰和三聚磷酸钠等。将其与水按照一定比例混合后，制成的胶合体浆液可以长期保持不脱水，呈现流体状，具有很强的渗透性、悬浮稳定性和高温稳定性。由于浆液可以长时间保持流体状态，当钻孔周围裂隙受到采动应力发生变化后，无机缓凝浆液在采动应力作用下可以对钻孔周围新生裂隙进行封堵。图1为材料在干燥和与水混合后的外观特征。

图1 新型无机缓凝封孔材料在干燥和与水混合后状态

本材料的主要成分钠基膨润土是一种多种用途的矿产[21]，它吸水速度慢，但吸水率和膨胀倍数大，具有较高的可塑性和较强的粘结性；高岭土具有白度高、质软、易分散悬浮于水中并难于沉淀的特性，具有良好的悬浮性和较高的粘结性，此外高岭土与水结合形成的泥料，在外力作用下能够变形，外力除去后，仍能保持这种形变，具有良好的可塑性，对于封孔浆液也是非常有利的。

为了确定注浆材料使用时的合适的水灰比，对不同水灰比条件下浆液的析水率、流动度和封堵性进行了测试。浆液析水率和流动度分别按照GB/T1346—2011E《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》和GB/T2419—2005E《水泥胶砂流动度测定方法》进行测试，浆液封堵性测试方法为将搅拌好的浆液500 mL使用注射器注入到200目筛网上，静置15 min，将滞留在筛网的浆液倒入量筒中观察其体积，记录其占浆液总体积的百分比。最后综合分析选取了水灰比为8∶1，9∶1和10∶1的浆液，表1为3种水灰比条件下的浆液性能。这3种水灰比条件下的缓凝封孔浆液具有较低的析水性、比较好的流动度和封堵性能。

表1 不同水灰比缓凝封孔浆液性能

2 新型无机缓凝注浆浆液扩散形态数值分析

2.1 钻孔封孔段浆液扩散模型

2.1.1 钻孔封孔段浆液扩散模型的构建

本节运用FLUENT数值模拟建立典型巷道的数值模拟模型来模拟城郊煤矿煤层钻孔实际条件，通过对不同水灰比、不同注浆压力等条件下新型无机缓凝浆液在顺层钻孔周围裂隙的扩散形态及变化规律进行研究，为工作面顺层钻孔封孔段封孔参数提供指导。表2为煤层及顶底板岩体相关物性参数。

表2 煤岩体相关物性参数

根据新型无机缓凝浆液不同水灰比和浆液的注浆压力建立对应的模型，见表3；不同水灰比的新型无机缓凝浆液的基本性能参数见表4。

表3 数值计算模型

表4 新型无机缓凝封孔浆液的基本参数

本煤层顺层瓦斯抽采钻孔数值计算模型如图2所示，钻孔注浆渗流模型尺寸为4 m×16 m，瓦斯抽采钻孔直径94 mm，布置于模型中部，钻孔中部为注浆封孔段，注浆封孔段共10 m，距离巷道3 m，注浆封孔段两侧为封堵段，左右各封堵1 m。边界条件设置时将注浆封孔段的钻孔壁面设为压力注入边界，且注浆封孔段内的注浆压力处处相等，计算模型的四周为零流量边界。钻孔周围采用0.05 m的网格，距离钻孔较远处采用0.1 m的网格，模型中共有8 700个单元格。将建立好的模型导入FLUENT中后进行数值求解，湍流模型标准k-ε模型，求解采用SIMPLE算法和二阶迎风格式计算。

图2 顺层瓦斯抽采钻孔巷道数值计算模型

2.1.2 注浆浆液在钻孔围岩中的扩散形态

顺层钻孔注浆浆液扩散形态如图3和4所示。图3中浆液水灰比为9∶1，分别展现了浆液在0.5和1.8 MPa压力条件下的扩散形态。从图中可以看出，注浆压力较小时，浆液向钻孔周围裂隙扩散的深度非常小，距离钻孔较远的裂隙很难得到有效的封堵，当注浆压力增加到1.8 MPa时，浆液扩散范围明显增大。但是不能为了增加浆液的扩散范围无限制增加注浆压力，如果不断加大注浆压力，会导致新生裂隙的产生，浆液从钻孔注浆段以外的区域渗流到钻孔内部，堵塞瓦斯抽采钻孔，影响瓦斯抽采效果。同时，在注浆压力较小时，浆液在重力作用下，向下方扩散的范围明显大于上方，随着注浆压力的不断增大，浆液的重力对浆液流动影响注浆减小，当注浆压力达到1.8 MPa时，钻孔上下2部分浆液扩散基本相同。

图3 不同压力条件下浆液扩散形态

图4中注浆压力为0.5 MPa，分别展示了3种水灰比条件下的浆液扩散情况。从图中可以看出，在注浆压力相同时，不同水灰比浆液在钻孔围岩裂隙中的扩散差异非常大，尤其是水灰比为8∶1的浆液，由于粘度较大，在压力较小时，浆液难以向裂隙深部扩散，难以封堵钻孔裂隙。

图4 不同浓度条件下浆液扩散形态

2.2 顺层钻孔注浆参数模拟结果分析

2.2.1 不同注浆参数对浆液扩散半径的影响

通过建立FLUENT数值模型，对3种水灰比浆液在不同注浆压力条件下的扩散半径进行了模拟研究，为了便于比较不同水灰比和注浆压力条件下钻孔周边煤体内浆液扩散半径，提取垂直监测线如图2所示，在不同注浆压力和水灰比条件下的浆液扩散半径数据绘制于图5中。

图5 钻孔注浆压力、水灰比与浆液扩散半径关系图

1)当注浆压力由0.5 MPa增长到1.0 MPa时，3种水灰比浆液扩散半径的增长幅度最大，当注浆压力由1.0 MPa增长到1.8 MPa时，3种水灰比浆液的增长幅度显著变小，注浆压力对浆液扩散半径的影响力显著变小。由此可以看出，在注浆过程中，单独通过提高注浆压力来增大浆液扩散半径的做法是不可取的。

2)在4种注浆压力条件下，当水灰比由8∶1变为9∶1时，新型无机缓凝浆液的扩散半径分别增加了10.06%，8.56%，4.12%和5.20%，浆液浓度对浆液扩散的影响在4种注浆压力条件下逐渐变小；当浆液水灰比由9∶1变为10∶1时，浆液的扩散半径分别增加了4.06%，6.64%，6.32%和5.70%，新型无机缓凝浆液浓度对浆液扩散的影响在4种注浆压力条件下基本相同；通过对比2组数据可以看出，在注浆压力较小时，浆液浓度变化对浆液扩散的影响程度不同，当注浆压力逐渐增大，浆液浓度变化对浆液扩散的影响程度趋于稳定。

2.2.2 不同水灰比条件下注浆压力在围岩中的衰减分析

为了解不同水灰比条件下注浆压力在围岩中的衰减情况，在不同水灰比浆液扩散距离上均匀取点，获取各点的压力并作图，如图6所示。

图6 不同水灰比条件下注浆压力在围岩中的衰减

当注浆压力为0.5 MPa时，3种水灰比浆液在围岩中的压力分布差异很大，这是由于在注浆压力较小的情况下，浆液浓度的不同会极大程度的影响到浆液在围岩中的扩散渗流。当注浆压力变为1.0 MPa时，水灰比为8∶1的浆液与后两者在围岩中的压力曲线的差异仍然很大，而水灰比9∶1和10∶1这2种浆液在围岩中的压力分布差异非常小，在这2种水灰比浆液的围岩压力分布中，注浆压力的影响已经大于浆液粘度。当注浆压力达到1.5 MPa，水灰比为8∶1的浆液与后两者在围岩中的压力曲线的差异减小。注浆压力为1.8 MPa时，3种水灰比浆液在围岩中的压力曲线已经非常接近，此时浆液浓度的变化对于浆液在围岩中的扩散渗流的影响程度变得非常小。

2.2.3 不同注浆时刻各种注浆压力条件下钻孔周边煤体内浆液压力的分布情况分析

本节对水灰比为10∶1的浆液在4种注浆压力条件下不同时刻钻孔周边煤体内浆液压力的分布情况进行了模拟研究。不同注浆压力条件下不同时刻的浆液压力数据绘制于图7中。

图7 不同时刻钻孔周边煤体内浆液压力分布

通过对图7中不同时刻的钻孔周围岩体压力分布进行分析，可以看出同一注浆压力条件下随着注浆时间的增加，浆液扩散范围也在增加。在同一的注浆时间，注浆压力越大，钻孔周围煤岩体裂隙中同一位置的浆液压力也越大，浆液的扩散范围也就越广。但是随着注浆压力的持续增大，浆液扩散范围的增加幅度却在慢慢减小，这就说明单纯依靠提高注浆压力来增加浆液的扩散范围是不可取的。

通过对在不同的注浆时间有效注浆范围进行提取，如图8所示。从图8中可以看出，浆液的有效扩散距离并不是随着注浆时间呈线性变化。在注浆前期，浆液扩散较快，后期逐渐变慢，在本次模拟实验中，当注浆时间大于8.4 min后，浆液的有效扩散范围基本稳定，不再随着注浆时间的增加而变大。因此注浆时间不应该小于8.4 min，否则浆液扩散不充分，同时也不需要太长，持续延长注浆时间对浆液扩散范围的增加起不到明显的作用。

图8 注浆时间与有效扩散距离关系

3 现场验证

3.1 试验工作面概况与钻孔布置

河南能源城郊煤矿目前主要开采煤层为二2煤层，煤层平均厚度2.95 m，为煤与瓦斯突出煤层[22]。为了提高工作面的瓦斯抽采效果，计划在二水平的21109工作面开展新型无机缓凝封孔材料注浆封孔实验，提高瓦斯抽采钻孔的瓦斯抽采浓度。21109综采工作面位于十一采区，工作面走向长轨道顺槽1 530 m、回风顺槽1 473 m，倾斜长190 m。

在21109工作面轨道顺槽中瓦斯抽采实验孔的布置为每5个孔一组，对比孔也是每5个一组，试验孔与对比孔间隔布置，试验孔和对比孔共施工100个，钻孔编号从G230～G420。对比孔和试验孔的封孔深度以及封孔长度都一样，分别为3m和16 m。试验孔和对比孔都采用矿上目前采用的“两堵一注”封孔工艺，试验孔封孔时两段采用树脂封孔作为堵头，再通过注浆管对中间段进行注浆，新型无机缓凝浆液在注浆压力的作用下向钻孔周围的煤岩裂隙中流动扩散，封堵裂隙，选取浆液水灰比为9∶1，注浆压力1.5 MPa，注浆时间为9 min；对比孔中间段则使用膨胀水泥。

3.2 缓凝浆液封堵效果现场验证

钻孔封孔质量好坏有2个比较重要的参考指标，分别是瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采纯量。通过对100个瓦斯抽采钻孔进行为期2个月的瓦斯浓度和纯量监测，可以描述出试验孔和对比孔的瓦斯浓度随着抽采天数的变化情况，分别对50个试验孔与对比孔的瓦斯抽采浓度和抽采纯量进行平均计算，如图9和图10所示。

图9 试验孔与对比孔抽采瓦斯浓度变化

图10 试验孔与对比孔抽采瓦斯纯量变化

由试验孔与对比孔抽采瓦斯浓度随时间变化关系图中可以看出，抽采15 d后，试验孔与对比孔抽采瓦斯浓度分别为55.6%和50.9%，两者相差并不大，这是因为前期2种材料都能够很好的封堵住钻孔周围的裂隙；抽采一个月后，试验孔与对比孔抽采瓦斯浓度分别为49.2%和32.8%，试验孔缓慢下降，但是对比孔的瓦斯抽采浓度只有最初的一半左右，这是因为在瓦斯抽采过程中产生的新生裂隙并没有得到有效的封堵，导致钻孔中的瓦斯通过这些新生裂隙进入到巷道中，并且巷道中的空气也进入到了钻孔内。在为期2个月的观测期内，使用新型无机缓凝封孔材料进行封孔作业的抽采钻孔瓦斯浓度始终高于使用水泥砂浆封孔，并且试验孔中的瓦斯浓度始终大于30%，为后续瓦斯的利用提供了非常好的条件。

由图10可以看出，在为期2个月的抽采期间，试验孔中瓦斯抽采纯量变化很小，始终维持在0.12 m3/min之上，但对比孔在抽采开始一个月之内，抽采纯量急剧下降，在第30天已经下降到了0.054 m3/min，下降了几乎2/3，证明有大量的空气进入到了钻孔中。综合以上分析可知，采用新型无机缓凝封孔材料封孔能够更加有效封堵钻孔，达到了预期效果。

4 结 论

文中首先对新型无机缓凝封孔材料进行了介绍，然后采用数值模拟软件FLUENT，对井下煤层钻孔封孔段在不同注浆条件下的浆液扩散形态和压力变化情况进行模拟分析，最后在河南能源城郊煤矿进行了现场封孔实验。主要有以下结论。

1)在浆液水灰比一定的条件下，随着注浆压力从0.5 MPa逐渐增大到1.8 MPa，浆液在钻孔周围的扩散距离增长速度逐渐减小，表明注浆压力对浆液的扩散影响程度在逐渐下降。因此在注浆过程中，不能单独通过提高注浆压力来增大浆液扩散距离。

2)当注浆压力为0.5 MPa时，3种水灰比浆液在围岩中的压力分布差异很大，这是由于在注浆压力较小的情况下，浆液浓度的不同会极大程度的影响到浆液在围岩中的扩散渗流。随着注浆压力逐渐增大，3种水灰比浆液在围岩中的压力曲线的差异减小。当注浆压力为1.8 MPa时，3种水灰比浆液在围岩中的压力分布趋同，此时浆液粘度的影响非常小。

3)在本次模拟实验中，当注浆时间大于8.4 min后，浆液的有效扩散范围基本稳定，不再随着注浆时间的增加而变大。因此注浆时间不应该小于8.4 min，否则浆液扩散不充分，同时也不需要太长时间，持续延长注浆时间对浆液扩散范围的增加起不到明显的作用。

4)采用研制的新型缓凝封孔材料，结合传统的“两堵一注”方式，在河南能源城郊煤矿进行了现场试验，在新型无机缓凝封孔材料投入使用之后，试验孔平均瓦斯抽采浓度和抽采纯量在2个月的观察期内均高于对比孔，试验达到预期效果。