趙建斌，程健維

(1.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)孟縣恒泰皇后煤業(yè)有限公司，山西 陽(yáng)泉 045100；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

瓦斯抽采是治理煤礦瓦斯災(zāi)害的重要舉措之一[1]。隨著工作面的推進(jìn)，在開采擾動(dòng)下地層出現(xiàn)應(yīng)變-孔隙率-滲透率的綜合變化[2]，因此煤巖體受采動(dòng)影響易發(fā)生固體骨架變形并產(chǎn)生與外界貫通的微裂隙或裂紋網(wǎng)絡(luò)。岳城煤礦[3]、鄭州礦區(qū)[4]、劉莊煤礦[5]、官地煤礦[6]等地工程實(shí)踐均表明，傳統(tǒng)的“固封氣”瓦斯鉆孔封孔材料(如水泥砂漿、聚氨酯類)對(duì)持續(xù)封堵、后期維持高濃度等指標(biāo)實(shí)現(xiàn)效果不佳，材料凝固后無(wú)法二次流動(dòng)，新生裂隙逐漸發(fā)育溝通外界產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象，降低了瓦斯抽采濃度，縮短了瓦斯鉆孔使用壽命，瓦斯抽采濃度在10～20 d內(nèi)即衰減至10%以下難以利用。

目前，“液封氣”封堵理念已經(jīng)獲得廣泛認(rèn)可[7-9]，液相類封孔材料具有表面張力低和接觸角小的特性，能夠在靜止?fàn)顟B(tài)、微小尺度下封堵裂隙，同時(shí)保持可長(zhǎng)時(shí)間流動(dòng)的特性[10]。觸變性和封堵性能使液態(tài)封堵材料可充分滲透至破碎煤巖體裂隙中，確保了負(fù)壓抽采下空氣不易混入，漿液可動(dòng)態(tài)封堵瓦斯抽采過(guò)程中新生縫隙[11，12]。

膨潤(rùn)土材料具有較大比表面積、良好的吸附性能、耐熱性能、膨脹性能[13，14]，改性后可表現(xiàn)膠體觸變的性能[15]。本文以鈉基膨潤(rùn)土為主要材料，研制了一種新型無(wú)機(jī)封孔材料，改性后可以長(zhǎng)期保持不脫水，呈現(xiàn)流體狀，具有很強(qiáng)的滲透性、懸浮穩(wěn)定性和凝膠轉(zhuǎn)變能力。注漿后封孔有效期延長(zhǎng)，封孔周期內(nèi)(通常為鉆孔施工后半年至一年)主動(dòng)滲透、自動(dòng)封堵，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效封孔。

1 液態(tài)長(zhǎng)效封孔機(jī)理及材料制備

1.1 液態(tài)封孔材料封堵機(jī)理

膨潤(rùn)土基封孔材料具有層狀保水結(jié)構(gòu)，以鈉基膨潤(rùn)土為主要材料，添加有機(jī)改性劑?；凇耙悍鈿狻彼枷?，利用漿液在靜止?fàn)顟B(tài)、微小尺度下體現(xiàn)的機(jī)械強(qiáng)度及其全周期流動(dòng)性，使之與破碎煤體緊密固結(jié)，充分保護(hù)了破碎煤體，確保瓦斯有序涌出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆孔過(guò)程中新產(chǎn)生縫隙的動(dòng)態(tài)封堵。

在瓦斯抽采過(guò)程中，煤體受地應(yīng)力的影響，其滲透率、孔隙率、裂隙發(fā)育程度等指標(biāo)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，目前廣泛使用的水泥砂漿、聚氨酯材料均會(huì)凝固，因此無(wú)法封堵煤體新產(chǎn)生的細(xì)微裂隙，封堵效果短期內(nèi)大幅降低。本文中的膨潤(rùn)土基封孔材料在注漿后始終表現(xiàn)為流體狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。優(yōu)點(diǎn)在于煤層新生裂隙產(chǎn)生后材料在壓力作用下主動(dòng)運(yùn)移并封堵，可維持抽采濃度或者通過(guò)補(bǔ)漿實(shí)現(xiàn)封孔后期抽采濃度提高的目標(biāo)。因此本研究不選取常規(guī)固態(tài)封孔材料“三性”指標(biāo)(強(qiáng)度、膨脹性、透氣性)，而選擇反映液態(tài)封孔技術(shù)的保水穩(wěn)定性、黏度及觸變封堵性、補(bǔ)漿提升系數(shù)等指標(biāo)。

圖1 材料微觀、膠體狀態(tài)Fig.1 Material powder，colloid state cycle

1.2 材料配方

1.2.1 膨潤(rùn)土

使用《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》(GB/T 2419—2005E)方法，測(cè)試漿液流動(dòng)度，選擇穩(wěn)定性高和流動(dòng)性好的漿液配比。配制固液比1∶5～1∶15的不同比例110 mL凈漿液，靜置1 h后倒入漿圓模中，測(cè)量漿液最大擴(kuò)展面直徑，選取最大直徑作為該濃度的流動(dòng)度。測(cè)量平板流動(dòng)度的同時(shí)使用NDJ-1S黏度計(jì)測(cè)量漿液黏度。測(cè)試結(jié)果分為高黏區(qū)和低黏區(qū)，分界線為固液比1∶8。工程應(yīng)用中漿液配置完畢至注漿工作結(jié)束約為1 h，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)黏度大于850 mPa·s的漿液存在“下漿慢、注不動(dòng)”的問(wèn)題，因此漿液固液比應(yīng)大于1∶8。流動(dòng)度測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 流動(dòng)度測(cè)試結(jié)果Fig.2 Result of fluidity test

漿液析水率是表征漿液保水性能的重要指標(biāo)，采用《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》(GB/T 1346—2011E)，配置漿液90 mL倒入量筒中，靜置24 h測(cè)量上部清水體積占比。以析水率1%為分臨界值。測(cè)試結(jié)果如圖3所示，分為強(qiáng)弱保水區(qū)，為實(shí)現(xiàn)注漿后長(zhǎng)期穩(wěn)定，漿液固液比應(yīng)小于1∶10。

圖3 析水率測(cè)試Fig.3 Result of bleeding test

綜上，考慮到膨潤(rùn)土礦物遇水成膠后的流動(dòng)性、黏度和保水性，確定長(zhǎng)效封孔材料中膨潤(rùn)土礦物配比應(yīng)為1∶8、1∶9、1∶10。

1.2.2 粉煤灰

煤層裂隙分為宏觀裂隙和微觀裂隙，分界點(diǎn)為70 μm，作為注漿材料的主要功能是擴(kuò)散封堵煤層鉆孔各級(jí)裂隙，其中主要封堵微觀裂隙。為增強(qiáng)滲透及封堵性，添加粉煤灰提高封堵性和體系穩(wěn)定性。選擇200目篩網(wǎng)，其孔徑為74 μm，該孔徑處于煤層宏觀裂隙與微觀裂隙臨界點(diǎn)。配置100 g固液比1∶8～1∶10的漿液。靜置1 h后注在篩網(wǎng)上收集濾下漿液，靜置。待不再滲透時(shí)，計(jì)算濾下質(zhì)量占比，即為進(jìn)入微小裂隙的封堵體積。封堵率應(yīng)大于0%小于100%。

試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，其中1∶9、1∶10封堵率隨粉煤灰占比提高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，這是由于添加的粉煤灰和膨潤(rùn)土中存在小于篩網(wǎng)的組分，其成膠后膠粒仍可運(yùn)移通過(guò)篩網(wǎng)，完成滲透封堵；但隨著粉煤灰的逐漸增多，微觀膠粒體積不斷增大，體系黏度增大導(dǎo)致無(wú)法通過(guò)篩網(wǎng)。二者存在最優(yōu)平衡點(diǎn)即封堵性最值點(diǎn)。因此對(duì)于1∶8、1∶9、1∶10三種濃度膨潤(rùn)土漿液添加粉煤灰的質(zhì)量比應(yīng)為總質(zhì)量的20%、15%、10%。

圖4 漿液滲透封堵性Fig.4 Sealing property of the grout

1.3 機(jī)械改性——增強(qiáng)封堵性能

通過(guò)外部施加機(jī)械力作用對(duì)其進(jìn)行表面改性。膨潤(rùn)土礦物表面具有吸附性，因此可與有機(jī)基團(tuán)或無(wú)機(jī)化合物形成吸附，根據(jù)吸附作用不同，分為物理吸附和化學(xué)吸附[16]。

當(dāng)黏土顆粒受到外界機(jī)械力作用時(shí)，晶格部分端面羥基鍵斷裂，表面活性提高促進(jìn)顆粒表面反應(yīng)的進(jìn)行[17，18]。通過(guò)摩擦、擠壓、高速攪拌等強(qiáng)機(jī)械力改性后，材料粒度變細(xì)，比表面積變大，表面能提高，反應(yīng)活性提高[19]。

帶壓注漿過(guò)程中，漿液攜帶顆粒滲透，在裂隙末端，不同大小顆粒滲透并封堵各級(jí)裂隙。粒度是影響滲透、封堵性能的主要指標(biāo)。使用研磨機(jī)將粉狀材料(膨潤(rùn)土和粉煤灰的混合物)研磨至不同粒徑，干燥后使用篩網(wǎng)過(guò)篩，將粒度穩(wěn)定在固定區(qū)間。研磨后將不同粒徑組材料以膨潤(rùn)土∶水∶粉煤灰=1∶10∶0.1混合并配制成漿液，靜置24 h待水化后，使用如圖5所示抽濾裝置測(cè)試單層裂隙封堵能力。不同粒徑粉料配制而成的漿液封堵性能見表1。隨粒徑減小，滲透性逐漸提高，在微觀裂隙與宏觀裂隙分界處(70 μm，約200目)，粒徑范圍150～200的材料可以充分滲透，應(yīng)提高該粒徑范圍材料的占比。因此將最終材料的粒度配比設(shè)置為“粒徑范圍100～150”：“粒徑范圍150～200”：“粒徑范圍>200”=1∶2∶1。

表1 不同粒徑單層裂隙封堵性Table 1 Sealing performance of single layer cracks with different particle sizes

圖5 抽濾裝置Fig.5 Suction filter device

1.4 高溫焙燒改性法——提高反應(yīng)活性

根據(jù)前人研究成果[20，21]，膨潤(rùn)土焙燒活化改性溫度選擇300 ℃最佳。使用機(jī)械改性后的膨潤(rùn)土粉料，放入管式爐加熱，溫度設(shè)置為300 ℃，持續(xù)時(shí)間2 h，連接氮?dú)獍l(fā)生器持續(xù)通入氮?dú)?，純?9.997%，以減少高溫焙燒過(guò)程中氧氣對(duì)膨潤(rùn)土的氧化，維持改性效果。

高溫焙燒可使膨潤(rùn)土內(nèi)部自由水、吸附水、層間水和空氣逸出，形成細(xì)小孔隙，增大比表面積，從而增強(qiáng)吸附能力。焙燒2 h后自由水、吸附水和層間水全部逸出，膨潤(rùn)土的吸附能力達(dá)到最大。

1.5 有機(jī)活化改性法——增強(qiáng)保水性能

1.5.1 有機(jī)改性

在礦物層間插入極性分子或基團(tuán)，改變表現(xiàn)特性，通過(guò)添加特定組分，生成具備有關(guān)特性的膨潤(rùn)土-有機(jī)復(fù)合物[22]。本研究使用硅烷偶聯(lián)劑類化合物，其改性原理是通過(guò)與結(jié)構(gòu)材料起物理和化學(xué)反應(yīng)，在基材表面生成一層幾個(gè)分子厚的不溶性疏水甲基(Si—CH3)薄膜，使其表面表現(xiàn)出疏水性[23]。甲基硅酸易被弱酸分解，并很快聚合生成具有防水性能的聚甲基硅醚，在基材表面形成一層極薄可透氣的聚硅氧烷膜而具有疏水性，減少內(nèi)部水分散失。

通過(guò)恒溫失重試驗(yàn)，選取最佳的基料配比范圍，為保證變量唯一性，將試驗(yàn)組其他的組分設(shè)置為膨潤(rùn)土：水：粉煤灰=1∶10∶0.1，有機(jī)改性組分材料質(zhì)量為10%～80%。首先將不同質(zhì)量的膨潤(rùn)土加至硅烷偶聯(lián)劑中，使用高速攪拌器攪拌，分散成膠體，靜置后加入水。使用恒溫干燥箱以恒溫加熱配置好的漿液，加快材料失水速率，加熱溫度不宜過(guò)高避免水分沸騰導(dǎo)致表面張力大于分子內(nèi)聚力而產(chǎn)生的沸騰失水。因此將試驗(yàn)溫度設(shè)定為50 ℃，恒溫加熱40 min，漿液質(zhì)量選取7 g，每隔2 min使用高精稱稱取剩余質(zhì)量，每間隔5 min使用相機(jī)記錄漿液失重形態(tài)。

添加不同質(zhì)量有機(jī)改性組分材料的恒溫失重曲線如圖6所示，藍(lán)色區(qū)域之下為無(wú)效改性區(qū)，即改性后保水性降低。改性效果隨添加質(zhì)量增多呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。添加量10%～30%范圍內(nèi)保水性提高最大，之后隨改性組分添加，保水效果降低。此時(shí)有機(jī)材料占據(jù)主導(dǎo)地位，體系水化程度低，無(wú)法形成膠體。因此有機(jī)改性組分材料添加量為10%～30%。

圖6 恒溫失重曲線Fig.6 Constant temperature weight loss curve

1.5.2 失重過(guò)程分析

在控制黏度、配制時(shí)間、配制固液比等條件下，開展改性前后漿液恒溫失重過(guò)程形貌分析。漿液不同加熱時(shí)間的失重形貌如圖7所示，圖7(a)表明，未添加有機(jī)改性組分單一材料時(shí)，漿液各部分(膠團(tuán))之間連接較弱。失水速率高，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水分子逐漸掙脫膠團(tuán)顆粒的牽引，均勻地從材料表面逸散，呈現(xiàn)為四分五裂的狀態(tài)。圖7(b)表明，添加有機(jī)改性組分的復(fù)合材料時(shí)，有機(jī)改性組分材料在漿液表面形成一層極薄的可以透氣的聚硅氧烷膜而具有疏水性[24]，因此在原有基礎(chǔ)上增加了有機(jī)膜對(duì)水分逸散的阻礙作用，形貌上始終維持材料的穩(wěn)定。使用鑷子輕輕將膜剝離出如圖8所示，在顯微鏡下放大觀察，可清晰看到疏水膜，厚度約為50 μm。因此，添加有機(jī)改性組分材料可增強(qiáng)膨潤(rùn)土基材料的保水效果。

圖7 常溫失重過(guò)程圖像Fig.7 Image of weight loss process at room temperature

圖8 有機(jī)改性組分疏水膜(加熱40 min后)Fig.8 Hydrophobic film of organic modified components (heating for 40 min)

1.6 材料配比

根據(jù)前文試驗(yàn)結(jié)果，選取膨潤(rùn)土作為基礎(chǔ)材料，粉煤灰、有機(jī)改性組分作為主要材料和改性材料，共同配制新型封孔材料。但單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)法代表多因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，材料復(fù)配過(guò)程中不同添加組分存在相互干擾現(xiàn)象、抑制水化現(xiàn)象和相互反應(yīng)等。因此，需要進(jìn)行多因素正交實(shí)驗(yàn)以找到最優(yōu)配比。多因素測(cè)試組見表2，正交結(jié)果如圖9所示。實(shí)驗(yàn)以恒溫失重實(shí)驗(yàn)和24 h黏度實(shí)驗(yàn)作為主要評(píng)判指標(biāo)，反映保水能力和封堵、滲透性能。其中保水能力計(jì)算如下：

表2 正交實(shí)驗(yàn)組Table 2 Scheme of orthogonal experiment

圖9 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Result of orthogonal experiment

式中，fb為保水能力；m40為加熱40 min后材料剩余質(zhì)量，g；ms為加熱前材料的初始質(zhì)量，g。

綜上所述，膨潤(rùn)土基封孔材料組分比例應(yīng)為膨潤(rùn)土和水固液比為1∶9，添加粉煤灰占固相質(zhì)量比15%，添加有機(jī)改性劑占液相質(zhì)量比20%。

2 材料性能

2.1 穩(wěn)定性測(cè)試

瓦斯鉆孔封孔材料所用漿液必須具備保持長(zhǎng)時(shí)間不脫水的特性，在瓦斯鉆孔抽采周期內(nèi)需維持狀態(tài)穩(wěn)定，新生裂隙產(chǎn)生時(shí)具備二次流動(dòng)能力。配制固液比為1∶10的漿液，置于陰涼不通風(fēng)處，模擬煤層注漿結(jié)束后漿液物理狀態(tài)變化，每隔15 d測(cè)量容器內(nèi)上、中、下部和總體密度。

材料保水穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果如圖10所示，60 d后上、中、下部密度距離材料剛配制結(jié)束后分別變化2.17%、2.08%、2.08%，整體密度變化2.17%，材料的強(qiáng)保水性可保證抽采周期內(nèi)不失水，維持穩(wěn)定狀態(tài)，全周期具備流動(dòng)性。

圖10 材料保水穩(wěn)定性測(cè)試Fig.10 Stability test of material water-retaining property

2.2 黏度及觸變封堵性測(cè)試

使用NDJ-1S黏度計(jì)觀測(cè)成漿后一段時(shí)間的黏度變化，結(jié)果如圖11所示，可以發(fā)現(xiàn)材料黏度變化分為三個(gè)區(qū)域，0～2 h內(nèi)為低黏度區(qū)，黏度低，且變化較小；2～4.5 h內(nèi)為黏度上升區(qū)，漿液黏度快速上升、流動(dòng)度急劇下降；4.5 h后為高黏度區(qū)，此時(shí)黏度趨于穩(wěn)定，流動(dòng)度差。工程實(shí)踐中，漿液黏度850 mPa·s是維持封孔段內(nèi)負(fù)壓(小于70 kPa)的臨界黏度值。因此成漿初期黏度小，可充分?jǐn)U散并進(jìn)入微小裂隙；約4 h后黏度上升，在微小裂隙中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生較大阻力，致使流動(dòng)減緩、氣體無(wú)法運(yùn)移，達(dá)到充分封堵裂隙的目的。

圖11 材料黏度變化曲線、封堵性與觸變性Fig.11 Change curve of material viscosity，sealing property and thixotropy

材料鉆孔抽采全周期(通常為半年至一年)始終保持膠體狀態(tài)，為驗(yàn)證其觸變性，使用攪拌器以相同功率攪拌不同時(shí)間模擬對(duì)同一時(shí)刻的漿液施加不同程度擾動(dòng)，觀測(cè)黏度變化以反映膠團(tuán)聯(lián)結(jié)等程度，結(jié)果見圖11中紅色與藍(lán)色曲線。受到不同程度擾動(dòng)的漿液表現(xiàn)出相同的黏度變化趨勢(shì)，同一時(shí)刻漿液析水率相同，二次擾動(dòng)之后黏度明顯降低，下降程度和施加擾動(dòng)程度成正比。成漿后體系水化、膠團(tuán)相互連結(jié)，宏觀表現(xiàn)為黏度增大；當(dāng)施加外界擾動(dòng)時(shí)，膠團(tuán)連接被破壞，粒子之間空隙增大，剪切力減小，宏觀表現(xiàn)為黏度降低；但擾動(dòng)不會(huì)改變極性分子吸附狀態(tài)，擾動(dòng)停止后，體系趨于穩(wěn)定，水化作用占據(jù)主導(dǎo)，黏度再次增加。因此新型封孔漿液具有黏度可控性，可根據(jù)不同的使用環(huán)境，改變二次擾動(dòng)程度和時(shí)間進(jìn)而改變漿液黏度，使其符合特定環(huán)境的黏度要求。

3 工程應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)選取在某礦Ⅱ7226S底抽巷，煤層原始瓦斯含量為72煤3.61 m3/t、73煤3.33 m3/t、82煤4.79 m3/t。該采區(qū)采用保護(hù)層開采方式進(jìn)行區(qū)域瓦斯治理，72煤作為上保護(hù)層首先開采，之后采73煤，最后采82煤。于Ⅱ7226S底抽巷施工瓦斯抽采鉆孔，施工方式如圖12所示，鉆孔仰式交錯(cuò)式布置。J472為新型封孔材料實(shí)驗(yàn)組，J478為水泥材料對(duì)比組。通常固態(tài)材料封孔技術(shù)為一次封孔，即注漿封孔后不補(bǔ)漿，孔內(nèi)僅存有初次注漿的材料。根據(jù)新型封孔材料特有的全周期流動(dòng)性，為驗(yàn)證二次封孔的效果及可行性，設(shè)計(jì)于注漿結(jié)束30 d后開展二次注漿工作，注漿結(jié)束后每隔一周測(cè)量瓦斯?jié)舛?，與此同時(shí)水泥封孔對(duì)照組在濃度降低至10%以下時(shí)施工在原鉆孔周邊施工補(bǔ)漿鉆孔，完成二次封孔對(duì)照組。濃度監(jiān)測(cè)周期內(nèi)選取平均濃度、衰減系數(shù)k以及提升系數(shù)a作為評(píng)價(jià)瓦斯抽放效果指標(biāo)。量化反映封孔技術(shù)的封孔效果衰減程度和補(bǔ)漿工藝對(duì)其效果的提升程度。

圖12 巷道瓦斯抽放試驗(yàn)鉆孔及封孔系統(tǒng)布置Fig.12 Layout diagram of drilling and sealing system for gas extraction test in roadway

式中，ci為第i次瓦斯?jié)舛龋?。

式中，ca為補(bǔ)漿后瓦斯?jié)舛?；c0為補(bǔ)漿前瓦斯?jié)舛取?/p>

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 平均濃度

根據(jù)濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果，傳統(tǒng)水泥材料封孔后濃度短期內(nèi)迅速衰減至10%以下。雖然開展補(bǔ)漿工作，但隨生產(chǎn)系統(tǒng)的推進(jìn)，鉆孔周圍裂隙不斷產(chǎn)生，補(bǔ)漿所注入的固態(tài)封孔材料無(wú)法封堵注漿后新產(chǎn)生的裂隙，因此注漿初期抽采濃度迅速下降，補(bǔ)漿后短暫提升后繼續(xù)下降。水泥材料平均瓦斯抽采濃度26.39%。

使用新型封孔材料注漿后，孔內(nèi)始終維持注漿壓力，結(jié)合該材料不凝固的特點(diǎn)，在新生裂隙產(chǎn)生后可迅速運(yùn)移并封堵，后期補(bǔ)漿后提高了孔內(nèi)壓力，提高了二次封孔能力，新型封孔材料平均瓦斯抽采濃度41.66%，較水泥材料提高15.27百分點(diǎn)，提升明顯。

3.2.2 補(bǔ)漿提升系數(shù)

按設(shè)計(jì)工藝在低濃鉆孔圍巖穩(wěn)定后另行施工淺鉆孔注水泥材料二次注漿。水泥材料凝固后無(wú)法流動(dòng)，導(dǎo)致初次注漿區(qū)域新生微小裂隙難以封堵，漏氣通道仍存在，補(bǔ)漿后濃度提升有限，僅可維持20%抽采濃度，提升效果不一，最高0.47、平均僅0.26。使用新型封孔材料試驗(yàn)組沿原注漿管路注漿即可補(bǔ)漿，無(wú)需施工新鉆孔，補(bǔ)漿后區(qū)域壓力回復(fù)，漿液擴(kuò)散能力提高，新生裂隙得以充分封堵，瓦斯抽采濃度回復(fù)至封孔初期水平，提升系數(shù)最高可達(dá)0.6、平均0.48。補(bǔ)漿后提升系數(shù)較傳統(tǒng)水泥材料提高0.22。

3.2.3 衰減系數(shù)

新型封孔材料和水泥材料瓦斯抽采平均濃度如圖13所示，水泥材料注漿后濃度快速下降，初次注漿后14 d時(shí)間即衰減至10%以下，衰減程度多在0.94～0.99區(qū)間、平均0.95。新型封孔材料以其特有的全周期流動(dòng)特性，可在抽采負(fù)壓和注漿壓力作用下，持續(xù)運(yùn)移并封堵新生微小裂隙；注漿30 d后，漿液充分?jǐn)U散，壓力降低，瓦斯抽采濃度略有下降，初次注漿后衰減系數(shù)多在0.4～0.6區(qū)間、平均0.47；衰減系數(shù)較傳統(tǒng)水泥材料降低0.48。

圖13 新型封孔材料和水泥材料瓦斯抽采平均濃度Fig.13 Average gas extraction concentration with new sealing material and cement material

3.2.4 廢孔利用功能

工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)新型封孔材料可實(shí)現(xiàn)廢孔再利用，試驗(yàn)孔J472-5施工時(shí)串孔，注漿后瓦斯抽采濃度始終小于15%，但補(bǔ)漿后，注入新型封孔材料后通過(guò)周圍裂隙通道運(yùn)移至J472-5抽采區(qū)域并加以封堵，彌補(bǔ)了初次注漿不到位問(wèn)題，因此補(bǔ)漿后抽采濃度由7.2%提升至77.8%，提高9.8倍。通過(guò)該技術(shù)可充分利用大量低濃鉆孔，減少二次補(bǔ)打孔投入的人力物力，降低單位抽采成本，提升單位抽采效果。

4 結(jié) 論

1)以膨潤(rùn)土為基礎(chǔ)材料，使用偶聯(lián)劑等有機(jī)組分，通過(guò)機(jī)械化學(xué)聯(lián)合改性法，結(jié)合粒度封堵性試驗(yàn)，確定最優(yōu)材料配方和粒徑配比，研發(fā)得到適合煤礦瓦斯鉆孔抽采工程實(shí)踐的強(qiáng)封堵、高保水、觸變二次流動(dòng)的新型封孔材料。

2)開展宏觀流變性能試驗(yàn)分析，設(shè)計(jì)常溫靜置保水試驗(yàn)，研究封孔材料穩(wěn)定性，該材料60 d內(nèi)密度變化僅2%，材料的強(qiáng)保水性可保證抽采周期內(nèi)不失水，有助于封堵新生裂隙。

3)開展煤礦現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)組平均抽采濃度最高53.16%，平均41.66%，較傳統(tǒng)材料提高最大27.76百分點(diǎn)。同時(shí)經(jīng)過(guò)實(shí)踐可實(shí)現(xiàn)廢孔利用，工程效果良好。穩(wěn)定性高、后期流動(dòng)性強(qiáng)、全周期封堵、補(bǔ)漿操作簡(jiǎn)單，使用效果較水泥材料有明顯提升。

4)本研究使用的封孔工藝為人工注漿和人工補(bǔ)漿，新生裂隙封堵量有限。為更好地提升新型封孔材料封孔效果，未來(lái)需配套研發(fā)并使用動(dòng)態(tài)注漿裝置，實(shí)現(xiàn)注漿系統(tǒng)根據(jù)封孔段壓力變化自動(dòng)注漿，提高瓦斯抽采效果盡可能接近100%抽采。