高水材料瓦斯封孔性能研究

李 强 王晓东 唐江波

（1.山西华阳集团新能股份有限公司，山西 阳泉 045000；2.华阳新材料科技集团有限公司技术中心，山西 阳泉 045000；3.晋能控股煤业集团南庄煤炭有限公司西上庄煤矿，山西 阳泉 045000）

封孔注浆瓦斯抽采是降低煤层瓦斯含量，确保高瓦斯矿井安全开采的重要手段[1-2]。据相关统计，我国煤矿有50%以上的煤矿瓦斯抽采浓度低于30%[3-4]，作为瓦斯抽采效果的主要影响因素，封孔材料与封孔工艺对瓦斯抽采效果有决定性作用[5-6]。针对上述问题，本文研究了不同水灰比、物料比条件下，高水材料作为封孔材料的强度、渗透性等性能，得到了不同影响因素对高水封孔材料性能的影响规律，丰富了封孔注浆瓦斯抽采技术的理论体系。

1 试验设计及材料分析

1.1 试验材料分析

试验选取的山西长治的高水材料，A 料颜色呈灰黑色，其主要成分由硫铝酸盐水泥熟料与缓凝剂等材料组成，主要起到胶结的作用；B 料颜色呈灰白色，其主要成分由石膏、生石灰、速凝剂等材料组成，主要起到碱激发催化的作用。A 料与B 料单配置浆液时无凝结、无离析，A 料与B 料等比混合后则会迅速凝结。

1.2 试验方案

为研究不同水灰比与材料配比对高水材料封孔性能的影响规律，试验采用单一变量法，探讨该变量对材料性能的影响规律。

根据常规高水材料配比，基础组设定为水:A料:B 料=3:1:1，以基础组为对照组，编号为H1。本次试验共设计五个配比，根据影响因素的不同分为两类，每一类因素分别设置三个水平试验，其中H1、H3、H5 用于研究不同水灰比对高水材料性能的影响，H2、H3、H4 用于研究物料比（A、B 料之比）对高水材料性能的影响。具体试验方案见表1。

表1 试验方案表

1.3 测试方法

根据影响高水材料封孔的主要技术指标，测试了高水材料的初凝时间、单轴抗压强度、渗透性，具体试验步骤如下：

（1）将A、B 料分别制成料浆，均匀混合并充分搅拌，将其装入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的标准立方体模具中，将模具放在震动机上摇匀，用刮刀将试件刮平。另外取部分料浆以《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080-2016）试验要求为参照，采用维卡仪测试高水封孔材料的初凝时间。

（2）将装好料浆的模具常温下养护，料浆凝结后拆除模具，将制备好的标准试件放入SHBY-40B 数控标准养护箱内进行养护，养护条件为：相对湿度95%，温度（20±1 ）℃。

（3）采用WAW-1000D 电液伺服压力机对材料进行单轴抗压强度测试，试验参照《煤和岩石物理力学性质测定方法 第12 部分：煤的坚固性系数测定方法》（GB-T23561.12-2010）为标准进行，压力机的加载速度设定为1 mm/s。

（4）高水封孔材料的渗透率参考MYS-1 型煤岩样渗透率测试系统进行测试。

2 测试结果分析

2.1 凝结时间测试结果

根据凝结时间的相关测试要求及步骤对不同试验配比的高水封孔材料的凝结时间进行了测试，见表2。

（1）由图1（a）可知，随着水灰比的增大，高水材料的凝结时间逐渐增长，主要是因为物料的量一定，材料的需水量固定，当水达到饱和时，材料内部自由水的含量增加，挥发所需要的时间越长，从而凝结时间变长。

（2）由图1（b）可知，随着物料比的增大，材料的凝结时间逐渐缩短，说明A 料能够快速与水反应，吸收大量的水，主要原因为A 料为水泥基材料，其中的钙质化物遇水迅速产生水化反应，此过程消耗大量的水分，并形成针状结晶。

（3）由表2 与图1 可知，试验组材料的凝结时间范围在5～21 min，说明材料的凝结性能较好，并且可以通过水灰比与物料比调节凝结时间，有利于现场的快速施工。

表2 凝结时间测试结果

图1 凝结时间测试结果

2.2 单轴抗压强度测试结果

根据单轴抗压强度的相关测试要求及步骤对不同试验配比的高水封孔材料的单轴抗压强度进行了测试。

（1）由图2（a）可知，材料在各龄期内的单轴抗压强度均随水灰比的增大而减小。主要原因为水灰比增大，浆体浓度降低，同体积内材料生成的水化胶结产物减少，导致材料内部结构间的孔隙率增大，致使强度降低。

（2）由图2（b）可知，各龄期内材料的单轴抗压强度均与物料比成正比。材料的强度由钙化产物决定，A 料是产生钙化物的主要成分，所以随着物料比的增大，钙化产物微观的颗粒组成会更加致密，因此材料的强度会增大。

图 2 单轴抗压强度测试结果

（3）根据表3 和图2 可得，高水材料的单轴抗压强度均随着时间增长先快速增长后缓慢增长。主要是因为随着时间的增长，材料内部的水化产物逐渐稳定，并且将材料内部的孔隙逐渐填满，所以材料的强度不断增加，当养护时间达到7 d 时，材料的水化反应基本完成，故材料的强度基本稳定。

表3 单轴抗压强度测试结果

2.3 渗透性测试结果

根据渗透率的相关测试要求及步骤对不同试验配比的高水封孔材料的渗透性进行了测试，见表4。

表4 渗透率测试结果

（1）由图3（a）可知，随着水灰比的增加，材料的渗透性逐渐变大。主要原因为材料与水反应形成钙化产物，钙化产物呈现枝网状、针状分布，相互之间无序的交错，水含量的增加导致网络间的分布更加松散，空间间隙更大，从而导致渗透率会增大。

图3 渗透率测试结果

（2）由图3（b）可知，随着物料比的增加，材料的渗透率逐渐降低。主要原因为A 料是材料的主要骨料，其中含有大量的钙化物，随着A 料的增加，水化反应后形成的钙化产物增加，材料内部的支柱、网状结构会更加的密实，导致材料内部的孔隙率降低，从而导致渗透性降低。

（3）当前试验的配比下材料的渗透率范围是0.042～0.091 m2/MPa2·d，而试验矿井煤的渗透率为0.095 7～0.169 2 m2/MPa2·d，由此可知当前试验配比下高水材料渗透率较低，有较好的封孔效果。

3 工业性试验

3.1 试验方案布置

试验在阳泉新景矿3218 辅助进风巷进行，本煤层抽采钻孔孔深120 m，孔间距1.5 m，孔径为130 mm，钻孔的封孔段为9～17 m，抽采负压为13 kPa 以上。试验以10 个孔为一组，试验孔与对照组交替进行。根据试验的结果及现场的具体施工情况，选取高水材料配比为2:1:1。

3.2 试验结果分析

由图4 综合分析可知，对照孔的初始抽采浓度基本高于50%，对照孔的瓦斯抽采浓度大多数低于50%。随着时间的增加，试验组与对照组的瓦斯抽采浓度均有所下降，但是对照组的瓦斯衰减幅度较大，且随时间增加衰减越严重，说明高水材料封孔的时效性较好。

图4 单组瓦斯抽采平均浓度对照图

试验组的初始瓦斯抽采平均浓度处于60%左右，而对照组的初始平均瓦斯抽采浓度仅为45%，与传统封孔相比，试验孔的瓦斯抽采效果较好，瓦斯抽采浓度提升15%，充分证明了高水材料封孔的优势与可行性。

表5 3218 辅助进风巷部分瓦斯抽采浓度对照表（单位：%）

4 结论

（1）高水材料凝结时间随水灰比的增大而增长，随物料比的增大而缩短，材料凝结时间范围在5～21 min 之间；高水材料具有较高的强度，单轴抗压强度随水灰比的增大而降低，随物料比的增大而增强，7 d 之后材料的强度基本不变；渗透率范围是0.042～0.091 m2/MPa2·d，远低于煤层的渗透率，密封性能良好。

（2）经现场试验可知，试验孔的瓦斯抽采浓度随时间变化较小，且较原封孔材料，瓦斯抽采浓度提升近1.5 倍，说明高水材料瓦斯封孔效果较好。