煤矿井下自动封孔装置坐封与注浆压力研究

2021-05-23李程程段会军

煤田地质与勘探 2021年2期

李程程，王毅，王力，段会军

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077)

由于我国煤矿开采的深度逐渐增加，以及高强度的机械化生产，煤矿瓦斯含量普遍增高、矿井瓦斯涌出量急剧增加[1]，高瓦斯矿井煤炭产量占我国煤炭总产量的30%[2]。为了保证煤矿井下的安全生产，需要对瓦斯危害进行治理，施工瓦斯抽采钻孔是有效的防治手段之一。封孔操作可以封堵孔口段的裂缝，防止巷道内的空气进入抽采通道，因此，封孔质量会直接影响瓦斯的抽采效果。目前井下封孔施工均为人工操作，由于操作过程繁琐、封孔深度受限等原因限制了井下封孔的效率和质量。

提高封孔效果领域已有较多的研究，主要集中在改进封孔器的结构、优化封孔工艺、提高封孔材料的性能等方面[3-6]，这些研究成果可以在一定程度上提高瓦斯抽采效率。然而目前的研究大多是针对现有的井下条件进行的，并未涉及到提高机械化、自动化封孔效率方面的研究，改进的封孔器结构简单、大多采用柔性材料制成、整体性不强，无法进行机械化操作，施工时仍需要人工进行操作，无法避免由此造成的效率与安全方面的问题。相比于掘进、开采等井下工作，封孔施工的机械化程度最低。在实现井下自动化趋势下[7]，有必要针对自动化封孔进行研究，而自动封孔装置为其中重要的一个方面。

自动封孔装置采用了整体式结构，具有更高的强度，以“两堵一注”封孔原理为基础进行设计，用内部的高压浆液提供动力。“坐封”与“注浆”受装置内浆液的压力控制，依次进行。因此，要根据自动封孔装置的工作原理对注浆与坐封压力进行研究与分析，为封孔装置的研制与应用提供理论基础与技术支持，对提高自动化封孔效率具有重要意义。

1 注浆压力的分析与确定

装置两端设有的封隔器可以对待封孔段的两端进行封堵实现“两堵”，再通过装置上的注浆机构向环空带压注浆实现“一注”，对钻孔和孔壁围岩同时进行封堵，装置的结构如图1所示。内部结构的设计可以实现注浆通道的自动切换，使装置在高压浆液的驱动下完成坐封、注浆等动作，在此基础上使用自动化钻机，在预设程序的驱动下对装置进行夹取、组装及下入等操作，并调节注浆泵的流量与泵压，实现井下封孔的自动化。

图1 自动封孔装置结构Fig.1 The structure of the automatic sealing device

封隔器由橡胶的径向膨胀实现“坐封”后，浆液在压力的作用下进入到裂隙内，此时的浆液压力为注浆压力。注浆压力直接影响浆液对围岩的封堵能力，根据封孔装置的工作原理可知，虽然坐封行为发生在注浆之前，但应先确定注浆压力，再以此确定坐封压力。

1.1 封孔注浆的分析

注浆是利用压力使浆液通过钻孔注入岩土孔隙或建筑物裂隙中，使其物理力学性能改善的一种方法。井下封孔注浆的目的是使封孔材料在压力的作用下挤注到钻孔周围的裂隙并对其进行封堵，保证抽采瓦斯的浓度。施工使用的注浆材料主要分为颗粒状注浆材料和化学注浆材料两种，由于成本低、无污染等特点，以水泥浆为代表的颗粒状浆液材料在井下封孔领域得到广泛应用。

封孔材料封堵裂隙后会降低围岩的渗透性，根据注浆原理可知，当将水泥浆的流变特性用宾汉流体描述[8]时，有：

宾汉流体的浆液在裂隙中的扩散可推导出如下公式[8]：

宾汉流体停止流动后扩散距离[8]：

根据水泥浆剪切屈服强度的经验公式有：

式中：τB为剪切屈服强度，MPa；η为宾汉流体的塑性黏滞系数；p0为浆液注入压力，MPa；p为浆液压力，MPa；Q为浆液流量，m3/s；r为注浆孔半径，m；R为浆液的渗透距离，m；a为裂隙或孔隙的宽度；τw为水的剪切屈服强度，MPa；K为常数取1.2；Wc为水灰比值。

何修仁[9]在假定岩层裂隙为均匀分布条件下，得出适用于注浆工程用计算公式：

式中：Kt为裂隙渗透系数，m/d；Δp为沿液流长度的压差，MPa；γw为水的容重，N/m3；bi为试验系数，根据水灰比进行换算；γn为浆液容重，N/m3；μw为水的动力黏度，Pa·s；b为裂隙平均开裂度，m；mt为岩石裂隙率，%。

理论上，浆液的径向扩散范围越大，对裂隙的封堵效果越好，空气进入抽采通道的阻力越大，封孔效果越好。从上述的多个表达式可以看出，影响浆液渗透范围的因素主要为：岩层的孔隙率、裂隙开度、渗透率以及浆液的黏度和注浆压力。在井下施工过程中，确保浆液渗透深度的主要和有效手段是提高注浆压力。为了避免高压使钻孔围岩的裂隙发生劈裂从而制造出更多的裂隙，要在合理的范围内选择注浆压力。

1.2 注浆径向影响范围分析

上述分析可知，可以通过控制注浆压力进而控制浆液在孔壁岩层内的扩散范围，实现最佳的封孔效果。确定浆液的封堵范围，体现在浆液对钻孔周围裂隙的封堵能力，裂隙的分布与岩层的应力状态与瓦斯的渗透性有直接关系。目前，对钻孔围岩内的应力状态和抽采钻孔的影响半径的研究较为充分，因此，可以从这两个角度对封孔材料的封堵深度进行分析。

钻孔形成过后，岩层的原始状态被破坏，在围岩内产生次生应力，可根据应力状态将钻孔周围的岩层分为4个区域，由内向外分别为：破碎区、塑性区、弹性区和原始应力区。其中破碎区的应力最小，进入塑性区后切向应力逐渐增大，在与弹性区接触时达到最大，之后逐渐减小并回归原始应力值，径向应力则逐渐增大到原始应力值[10]。岩层内的应力状态可以在一定程度上反映渗透特性[11]，岩层较完整、次生应力值较低时表明渗透性高、裂隙较为发育，当次生应力值较高时表明渗透性较低。塑性区的边缘应力值最大且高于外部的原始应力区，使孔壁产生位移或发生破坏，因此，虽然塑性区的应力较大，但裂隙多，渗透性高。

防止空气因抽采负压进入抽采通道，需要保证封孔材料的扩散深度要超出塑性应力区进入弹性应力区方可，并且要超出次生应力的影响范围。塑性区的计算公式[12]为：

式中：Rp为塑性应力区范围半径，m；pp为岩层的初始应力，MPa；c为黏聚力，MPa；φ为内摩擦角，(°)。

代入常规的钻孔以及地层参数得到，Rp=(1.2～2.2)r，可知塑性区的影响很小，由式(4)可知封孔注浆范围远大于此。进入弹性区后，岩层的次生应力逐渐降低，完整性逐渐升高，裂隙逐渐闭合，透气性降低并逐渐趋于原始值。因此，浆液渗入应超过塑性区进入弹性区并达到一定的深度。

瓦斯富集由孔口处的抽采装置提供的负压提供动力，随着径向距离的增加，负压逐渐衰减直至低于瓦斯的抽采极限。当径向距离超过一定值后，瓦斯便不会再进行汇集，可以认为封孔注浆的径向封堵距离超过瓦斯的抽采半径，就可以在钻孔径向上保证密封效果。瓦斯抽采的影响半径不是一个定值，随着围岩内二次应力的释放，岩层的渗透特性和瓦斯的压力梯度发生改变，影响半径也会增大[13]。此外，煤层的渗透特性、抽采负压、钻孔孔径等多个因素会对抽采半径产生影响。

根据抽采钻孔的影响效果不同，抽采半径的通用指标分为抽采有效半径r0和抽采影响半径R0[14]，以二者为界限，将岩体分为渗流开放区、渗流过渡区、未影响区域。布孔时渗流开放区与渗流过渡区重合的越多，抽采效果越好，孔间距L的最佳范围为2r0≤L≤R0[15]，如图2所示。以抽采120 d为限，钻孔的抽采有效半径为1～2 m、抽采影响半径为4～6 m[13,15]。由此可知，布孔距离范围为2 m≤L≤6 m，故每个孔的浆液扩散距离1 m≤rp=L/2≤3 m时可实现较好的密封能力。对于单孔而言，其浆液的渗透距应等于多孔时的孔间距离L，即2 m≤rp=L≤6 m。

图2 瓦斯渗流状态分布Fig.2 Gas seepage state distribution

1.3 注浆压力的计算与模拟分析

浆液的水灰比会对剪切屈服强度产生很大的影响[16]，选取水灰比范围在0.5～2.0进行分析。根据式(3)进行计算可知，注浆压力的范围为1.2～3.5 MPa，具体数值根据水泥浆的性能与岩层的孔隙情况而定。

利用数值模拟软件COMSOL Multiphysics，在静水条件下对水泥浆的径向扩散范围进行模拟，该软件的地下水模块可模拟流体在多孔介质中的扩散情况。钻孔直径为100 mm，以钻孔为中心、地层尺寸20 m×20 m建立二维平面注浆模型，选定普通水泥浆为研究对象，以灰岩的性质做参考，主要参数见表1。

表1 数值模拟主要参数Table 1 Main parameters of numerical simulation

用相对压力表示注浆压力，注浆压力的取值范围为1～4 MPa，用p0表示，无限远处的压力为0。以0.5 MPa为梯度递增，模拟多个注浆压力下浆液的扩散情况。利用达西定律与稀物质进行耦合计算，以浆液浓度分布代表浆液填充裂隙的体积分数，进而表示浆液的扩散情况，体积分数为0的区域表示为未扩散区域，以此确定浆液的径向扩散距离。注浆压力为2 MPa和4 MPa时的扩散情况如图3所示，扩散的深度与注浆压力呈正相关，与式(3)表现的规律相符。

图3 不同压力下浆液的径向扩散Fig.3 Radial diffusion distance of the slurry under different pressures

将模拟所得数据与计算结果进行对比，如图4所示。结果显示：注浆压力范围为1.5～3.0 MPa时，计算值和模拟值的误差在20%以内；注浆压力范围为2.0～2.5 MPa时，二者的误差在6%以内，可以认为注浆压力在2.0～2.5 MPa的区间内具有较好的一致性。浆液扩散的计算值与注浆压力为线性关系，而模拟值则表明，随着注浆压力的增加，浆液扩散距离的增长速度逐渐降低，即边际效应随注浆压力的增长而降低。原因可能是随着浆液的深入，需要覆盖的岩层体积逐渐增大而导致其扩散范围增长速度减少。

根据模拟的结果可知，当注浆压力不变时，浆液的扩散距离与扩散时间呈正相关。但浆液具有时变特性，渗透过程中黏度会随时间而增大、塑性随时间降低，因此浆液的扩散的时间有限。根据文献[17]可知，水泥浆的终凝时间最长为400～600 min，以此为时间节点进行分析。在4 MPa的注浆压力下进行瞬态模拟，分别获得第400分钟、第600分钟时浆液的扩散情况。模拟结果显示，在注浆压力为4 MPa的情况下，在第400分钟和第600分钟的时间节点上，浆液的浓度分别在2.1 m和3 m处开始衰减，并分别在3.4 m和4.1 m处浓度降为0，如图5所示。可认为浆液的最远扩散距离为3.4 m和4.1 m，在400～600 min这一时间段内的有效扩散距离为2.1～4.1 m。

图4 浆液扩散的计算值与模拟值Fig.4 The calculated and simulated values of slurry diffusion

图5 注浆压力4 MPa下不同时刻浆液的扩散情况Fig.5 Diffusion of slurry under grouting pressure of 4 MPa at different times

此外，根据文献[18-20]和施工经验可知，出于不同目的钻孔在封孔时所用的注浆压力有一定的差别，注浆压力范围为1～5 MPa。瓦斯测压钻孔在注浆压力为4～5 MPa时对围岩裂隙的封堵效果较好，可以得到更准确的瓦斯压力。瓦斯抽采钻孔在采用“两堵一注”工艺进行封孔时的注浆压力一般为2 MPa左右。由于目前封孔器主要采用柔性材料制成，强度较低，注浆压力常受于封孔器本身的性能所限。

对上述注浆压力和注浆时间对浆液扩散距离影响的计算和模拟结果进行分析，结合已有的研究成果和施工经验可知，为使浆液的扩散距离在2～4 m的范围内，注浆压力应为2～4 MPa，自动封孔装置可以满足这一注浆需求。

2 坐封压力的分析与确定

坐封是靠浆液推动活塞挤压橡胶实现径向膨胀挤压孔壁完成的，根据挤压密封原理可知，封隔器的橡胶膨胀后与孔壁接触面的压力大于浆液的压力就可以形成密封[21]，即橡胶与孔壁的接触压力pt≥p即可。因此，坐封质量直接影响注浆时压力。根据橡胶的力学特点，其径向接触力与轴向压力间存在一定的转化关系。

2.1 坐封橡胶的应变分析

由于孔内的空间有限，橡胶的压缩形变受到一定限制。图6所示为橡胶筒轴向剖面的形态尺寸。内径ø1=60 mm，压缩前外径ø2=90 mm，钻孔孔径ø=96 mm，压缩前后轴向长度分别为L1和L2。

图6 孔内橡胶压缩形变Fig.6 The compression deformation of rubber in the hole

由于橡胶的不可压缩性，压缩前后其体积不变，因此，有：

可由此算出轴向应变：

代入参数后可知ε1=0.20。若橡胶膨胀后挤压孔压入到孔壁一段距离，因此，假定橡胶膨胀后外径ø3=100 mm，可计算出轴向应变ε2=0.30。同理还可以计算出其径向应变δ1=0.20，δ2=0.33。

在确定的钻孔结构下坐封橡胶的径向与轴向的应变是确定的，可以此为依据选择合适的橡胶材料。

2.2 坐封橡胶的应力分析

橡胶是一种典型的超弹性材料，应力和应变之间呈非线性关系。橡胶的弹性性能可以通过应变能函数建立相应的本构模型进行描述。目前常见的模型有：Yeoh、Ogden、Van der Waals、Mooney-Rivlin等，其中Mooney-Rivlin本构模型在描述小和中等规模应变时准确率高，得到广泛的研究与应用[22-24]。应变能定义的表达式为：

两边求导即为应力σ，推广到宏观结构则有：

式中：Δ为外力对应的结构位移。

橡胶Mooney-Rivlin模型的应变能函数公式[25]为：

式中：W为应变能密度；Cij为Rivlin系数；I1、I2为第一、第二 Green应变不变量。

研究表明，两参数的Mooney-Rivlin模型就可以较好地拟合橡胶的实际工况。橡胶泊松比μ=0.450～0.499，可看作是一种体积不可压缩的材料，因此，当ε为应变、λ=1+ε为主伸长比时，在单轴拉伸或压缩的情况下，MooneyRivlin模型材料的应力应变方程可表示为：

C10和C01为Rivlin系数，该公式适用于橡胶应变在150%以内的情况。根据式(13)，可通过试验或计算求解C10和C01，或通过给定的C10和C01来确定橡胶的应力或应变。

以坐封橡胶的2种压缩状态下对孔壁的接触应力等于相应的注浆压力为边界条件，计算出橡胶的应力系数，再由此计算橡胶在相应的压缩条件下的轴向应力值。因此，以径向形变δ1和δ2为应变，注浆压力的范围为应力，求解式(13)有：C10=8.495，C01=7.820。再将轴向形变ε1与ε2代入式(13)，分别求出对应的σ1=2 MPa，σ2=7 MPa，由此可求出，橡胶在可发生形变的限制下，橡胶所需轴压pa=2～7 MPa，根据计算过程可知，径向形变越大所需轴向压力就越大，因此，钻孔的孔径越小封孔所需的坐封压力越小。

2.3 坐封压力的计算分析

装置坐封是由高压浆液提供的动力，封隔器内部坐封机构的设计原理如图7所示。高压浆液作用到活塞杆上产生推力，活塞杆在推力的作用下沿装置的轴向压缩坐封橡胶，使橡胶产生径向膨胀完成坐封，封堵待封孔段的两端完成“两堵”，为带压封孔提供保压空间。为了防止橡胶回弹影响坐封效果，在活塞杆和管体上设置“限位机构”，使橡胶只沿受压缩的方向发生形变。

图7 橡胶坐封原理Fig.7 Schematic of rubber sealing

浆液对活塞杆的作用面积为S1，作用力为pp；活塞对橡胶的作用面积为S2，作用力为pa，根据力的平衡有：

根据封孔装置的尺寸结构特点可知S2=(1.1～1.2)S1，因此，有pp=(1.1～1.2)pa=(2.2～8.4) MPa。由计算过程可知，钻孔孔径与封隔器外径相差越大，所需的坐封压力越大，为了保证封孔的质量，要根据钻孔的需求选择合适的封孔装置和对应的注浆、坐封压力参数。

值得注意的是，本次得出的注浆、坐封压力可以为自动封孔装置提供一定的理论基础，浆液在装置内流动时压力因摩阻会有一定损失，因此，在装置研制时要考虑这一部分。此外，受时变性影响，浆液的扩散距离不会随压力增加而一直扩大。施工时可以利用此特性，在适当的注浆压力下，通过添加缓凝剂，适当延长浆液的凝结时间，增加径向密封范围，提升封孔效果。