煤炭工程 ２０１２年第８期 瓦斯抽采钻孔高密封性封孔材料 性能试验研究 郑春山 ，林柏泉 ，杨 威 ，倪冠华 （１．中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州２．中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州２２１１１６） ２２１１１６； 摘 要：为提高瓦斯抽采钻孔密封材料的封孔性能，研发了ＰＤ系列封孔材料，使用ＦＥＩ ＱｕａｎｔａＴＭ ２５０环境扫描电子显微镜分析了其与钻孔壁结合特征及其向钻孔周边渗透情况，并建 立了钻孔周边缝隙流体泄漏模型进行理论验证。该ＰＤ系列材料在潞安集团常村矿的现场试验表 明其具有很好的密封性能，推广应用前景广阔。 关键词：瓦斯抽采钻孔；封孔；ＰＤ系列材料；高密封性 中图分类号：ＴＤ７１２ ．６３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—０９５９（２０１２）０８－００８８－０４ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ Ｔｅｓｔ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｔｉｇｈｔｎｅｓｓｎ Ｂｏｒｅｈｏｌｅ Ｓｅａｌｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ Ｇａｓ Ｄｒａｉｎａｇｅ Ｂｏｒｅｈｏｌｅ ＺＨＥＮＧ Ｃｈｕｎ—ｓｈａｎ ．ＬＩＮ Ｂａｉ—ｑｕａｎＩ ．ＹＡＮＧ Ｗｅｉ ，ＮＩ Ｇｕａｎ—ｈｕａ ， （１．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｍｉｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ ２２１１１６，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ ２２１ｌ１６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ，ＰＤ ｓｅｒｉｅｓ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．ＦＥＩ ＱｕａｎｔａＴＭ ２５０ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｗａｌｌ ｂｉｎｄｉｎｇ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ．Ｔｈｅ ｌｉｑｕｉｄ ｌｅａｋａｇｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｗａｓ ｖｅｒｉｉｆｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｔｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ＰＤ ｓｅｒｉｅｓ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ Ｃｈａｎｇｃｕｎ Ｍｉｎｅ ｏｆ Ｌｕｈｎ Ｇｒｏｕｐ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＰＤ ｓｅｒｉｅｓ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃｏｕｌｄ ｈａｖｅ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｓｅａｌｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｕｔｌｏｏｋ ｏｆ ｔｈｅ ＰＤ ｓｅｒｉｅｓ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｗｉｄｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ；ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｓｅａｌｉｎｇ；ＰＤ ｓｅｒｉｅｓ ｍａｔｅｒｉａｌ；ｈｉｇｈ ｔｉｇｈｔｎｅｓｓ 煤矿瓦斯抽采是煤矿瓦斯治理的有效技术手段，良好 的钻孑Ｌ密封是实现高效抽采的根本前提 Ｊ。目前应用较 多的瓦斯抽采钻孔封孔材料主要有聚氨酯 Ｊ、膨胀水泥复 合材料等，但现场经验表明有些地质条件下，这些已有材 料的密封效果并不理想。为提高封孔效果，笔者对一种新 １ ＰＤ系列材料的封孔性能试验研究 １．１ ＰＤ系列材料的封孔性能试验设计 为验证ＰＤ系列材料的高密封性能，设计将ＰＤ系列材 料的密封性能和聚氨酯材料进行对比： １）首先取六个ｑｂ２２０ｍｍ×２００ｍｍ的圆柱形刚性容器， 分为Ａ、Ｂ、Ｃ三组，每组２个，分别记为Ａ。、Ａ 、Ｂ 、 型封孔材料一ＰＤ系列材料（水泥基聚合物复合密封材料）进 行研究，该材料具有如下特征：①高致密性，ＰＤ封孑Ｌ材料 内部结构严实，无微观孑Ｌ洞和裂隙；②高粘结性，它能够 和钻孑Ｌ壁面结合成一体，结合处基本不存在空隙；③强渗 透性，ＰＤ封孔材料比聚氨酯有着较强的渗透力，在煤体内 更容易克服钻孔周围裂隙区内瓦斯压力、水锁效应的阻挡 作用，向钻孔周围裂隙内逐渐渗透，实现封堵裂隙最大化。 收稿日期：２０１２—０２—２１ Ｂ：、Ｃ 、Ｃ ，将样煤装满每个容器；然后在Ａ，、Ａ 两个容 器的煤体中分别打直径为３０ｍｍ、深度为１６０ｍｍ的模拟钻 孑Ｌ，在Ｂ、Ｃ两组容器的煤体中分别打直径为６０ｍｍ和 ８０ｍｍ、深度均为１６０ｍｍ的模拟钻孔；最后使用ＰＤ系列材 料分别对Ａ。、Ｂ 、Ｃ 容器中的模拟钻孔进行密封，同时使 基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３）资助项目（２０１１ＣＢ２０１２０５）；国家自然科学基金项目（５１０７４１６１）；中国矿 业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题资金资助项目（ＳＫＬＣＲＳＭ０８Ｘ０３） 作者简介：郑春山（１９８９一），男，内蒙古乌兰浩特人，２０１ １年毕业于太原科技大学安全工程专业，现从事矿井瓦斯防 治方面的研究工作。 ８８ 煤炭工程 ２０１２年第８期 其流体泄漏量的计算公式为： Ｑ Ｄ （２） 式中Ｄ——钻孔直径，ｍ。 图４钻孔密封同心布置示意图 ２）偏心环缝隙流体泄露模型，如图５所示，钻孔周边 与密封圈之间的缝隙出现偏心，偏心距为ｅ，其流体泄漏量 的计算公式为： Ｑ： △＾ （１＋１．５６ ）（３） 式中 ——偏心率。 ∞ 图５钻孔密封偏心布置示意图 ２．２讨论分析 由式（２）和式（３）可知，钻孔周边缝隙流体泄漏量与下 列因素有关：缝隙宽度（Ａｈ）、密封液的粘度（ ）、钻孑Ｌ直 径（Ｄ）等。在其他条件一定的情况下，钻孔周边缝隙流体 泄漏量随缝隙宽度Ａｈ的增长成三次方规律增加，缝隙宽 度与泄漏量的关系为： Ｑ＝Ｋ。ａｈ （４） 式中 ——比例系数。 故Ａｈ对钻孔周边缝隙流体泄漏量影响很大。又由上 面分析可知，ＰＤ封孔材料内部结构严实，无微观孔洞和裂 隙，可以与钻孔煤壁致密地结合，且其向钻孔周边渗透力 强，可大大减小Ａｈ的值，从而可有效阻止钻孔内的瓦斯以 及巷道内的空气通过钻孔周围裂隙圈泄漏与渗入，达到高 密封性能的目的。 ３现场试验 潞安环保能源开发股份有限公司常村矿位于山西沁水 煤田东南部，其为高瓦斯矿井，２ｏ０８年矿井瓦斯等级鉴定 结果：瓦斯绝对涌出量为７１．２ｍ ／ｍｉｎ，相对涌出量为 ５．８８ｍ ／ｔ。为了考察ＰＤ系列材料的封孔效果，在该矿的 ９０ Ｎ１—３胶带巷进行瓦斯抽采钻孑Ｌ的密封效果考察试验。试 验方案如下：在Ｎ１—３胶带巷内施工９９ ～１１８ 近水平本煤 层钻孔，然后分别用ＰＤ系列材料和聚氨酯两种材料密封， 其中相邻两孑Ｌ使用不同材料，封孔完成后并网抽采，并安 装孔板流量计，每天读取一次数据，连续观察８０ｄ。 对数据进行筛选，分别选取８个ＰＤ系列材料和聚氨酯 所封钻孔的数据。所测抽采负压均相对稳定，维持在６— ８ｋＰａ左右，但ＰＤ系列材料的抽采负压多高于聚氨酯。以 下主要对钻孔瓦斯浓度变化和纯瓦斯流量进行分析： １）瓦斯浓度区间分布对比图如图６所示，从图６中可 以看出，选取３个阶段ＰＤ材料密封钻孔的高浓度值分布均 优于聚氨酯，并且随着时间的推移，瓦斯浓度均在降低， 但是ＰＤ材料封孔浓度值较聚氨酯封孔衰减的慢，７ｄ后， ＰＤ材料封孑Ｌ瓦斯浓度值在０％～２０％的比例为１３％，４０％ ０， 忸 ｏ／０／丑 忸 加 ｍ ５ ０ ∞如 如加ｍ ０ Ｏ％～２０％２０％～３０％３０％～４０％４０％～５０％＞５０％ 浓度值分布区间 （ａ）第７天 Ｏ％～２Ｏ％２０％～３０％３０％～４Ｏ％４０％～５０％＞５０％ 浓度值分布区问 （ｂ）第１４天 Ｏ％－－２０％２０％～３Ｏ％３０％～４Ｏ％４０％～５０％＞５０％ 浓度值分布区问 （ｃ）第２５天 图６钻孑Ｌ瓦斯浓度分布对比图 （下转第９４页） ｏ／如 ∞ 如煤炭 工程 ２０１２年第８期 通过评价结果与现场情况的对比发现，论文预测结果 王恩元，何学秋．煤矿采掘过程中煤岩体电磁辐射特征及 应用［Ｊ］．地球物理学报，２００５，４８（１）：２１６～２２１． 王恩元，林海燕．煤与瓦斯突出危险性的图示判别法 ［Ｊ］．山西煤炭．１９９６，（３）：ｌ２ １３． 与现场实际运用《煤矿安全规程》规定的方法所得结果基 本一致，这表明该方法用于煤层突出危险性评价是可行和 有效的。 林柏泉，周延，刘贞堂．安全系统工程［Ｍ］．徐州：中 ３结论 国矿业大学出版社，２００５． １）采用相似权法确定煤与瓦斯突出危险性评价指标的 田云丽，周丽华．基于ＢＰ神经网络的煤与瓦斯突出预测 方法的研究［Ｊ］．系统工程理论与实践，２００５，（１２）： １０２—１０６ 权重，可以充分利用样本资料信息，比专家调查法、主观 经验法等方法更能准确地确定指标权重的大小，避免了指 标权重确定时的主观性和随意性，根据所得指标的权重． 能够比较清楚地了解主次因素。 ２）利用建立的煤与瓦斯突出危险性集对分析方法能较 好的预测煤与瓦斯突出，集对分析方法的预测结果与实际 肖红飞，何学秋，王恩元．煤与瓦斯突出电磁辐射指标临 界值的确定及应用［Ｊ］．煤炭学报，２００３，２８（５）：４６５ ４６９． 朱兵，王红芳，王文圣，等．基于集对原理的峰和量关 系分析［Ｊ］．四川大学学报（工程科学版），２００７，３９（３）： ２９～３３． 情况非常吻合，准确性高，从而为煤与瓦斯突出危险性评 价提供了一条新途径。 参考文献： ［１］ ［２］ 赵克勤．集对分析及其初步应用［Ｍ］．杭州：浙江科学技 王文圣，向红莲，李跃清，等．基于集对分析的年径流丰 枯分类新方法［Ｊ］．四川大学学报（工程科学版），２００８， ４Ｏ（５）：１～６． 李建明，曲成毅，刘庆欧．相似权法及其在属性综合评价中 ］ 术出版社，２０００．ｊ ］ ］ ］ 】 。ｌ＿ｌ ］ ＿ｎ ｌ 的应用［Ｊ］．中华流行病学杂志，２００４，２５（１２）：１～５． 程乾生．属性识别理论模型及其应用［Ｊ］．北京大学学 报，１９９７，３３（１）：１２～２０． 蔡成功，张建国．平煤集团煤与瓦斯突出强度预测的模糊 综合评判［Ｊ］．中全科学学报，２００５，１５（４）：３３一 （责任编辑， 、 张宝优） （上接第９０页） 以上的为５０％，而聚氨酯封孔相应的比例分别为２４％和 ２６％。２５ｄ后，ＰＤ材料封孔瓦斯浓度值在０％一２０％的比 ４结论 例上升为４９％，４０％以上的下降为２６％，而聚氨酯封孔相 应的比例分别变为６２％和１３％。 ２）纯瓦斯流量均值对比图如图７所示，分别取每种材 １）ＰＤ系列封孔材料内部结构严实，无微观孔洞和裂 隙，可以与钻孔煤壁致密地结合，且其向钻孔周边渗透力 强，该材料可以有效阻止钻孑Ｌ内的瓦斯以及巷道内的空气 通过钻孔周围裂隙圈泄漏与渗入，达到高密封性能的目的。 ２）潞安集团常村矿的现场试验结果表明：与聚氨酯相 比，ＰＤ系列材料可以有效提高抽采负压，增大抽采瓦斯浓 度值和纯瓦斯流量均值，并能大大降低后两个指标的衰减 速度，从而实现瓦斯的持续高效抽采。 参考文献： ［１］ 刘俊杰，乔德清．对我国煤矿瓦斯事故的思考［Ｊ］．煤炭 学报，２００６，３１（１）：５８～６２． 料所封８个孔的纯瓦斯流量值，为消除某一天的数据可能 带来的误差影响，以相邻的５ｄ作为一个时间段，共分６个 时问段，每一个时间段的纯瓦斯流量均值都是这５ｄ的值相 加后除以５，所得的均值。从图７中可以看出，ＰＤ料封孔 与聚氨酯相比，不仅每一时间段的纯瓦斯流量均值高，而 且前者较后者，其纯瓦斯流量均值下降慢的多，从而保证 瓦斯的持续高效抽采。 ［２］ 林柏泉．矿井瓦斯防治理论与技术［Ｍ］．徐州：中国矿业 璺 大学出版社，２０１０． 拿 道 嘲 毫 ［３］ 郝志勇．材料复合技术及其在钻孔密封中的应用研究［Ｄ］． 徐州：中国矿业大学，２０１０． ［４］ 陈杰，金龙哲．关于聚氨酯封孔可提高瓦斯抽放效果的研 究［Ｊ］．煤炭工程，２００３，（８）：４７～４９． 摄 ［５］ 学科建设办公室．中国矿业大学“２１１工程”仪器设备手册 ［Ｍ］．徐州：中国矿业大学出版社，１９９９． ［６］ 刘三钧，林柏泉．钻孔密封机理及新型煤层瓦斯压力测定技 时问段（每段为五天） 术研究［Ｊ］，中国煤炭，２００９，（９）：１３一ｌ８． 图７纯瓦斯流量均值对比图 （责任编辑张宝优）
