隨著我國(guó)煤炭工業(yè)全面向深部進(jìn)軍，開采深度增加帶來的高地應(yīng)力、高瓦斯壓力及低煤層透氣性特征日益凸顯。在瓦斯抽采作業(yè)中，鉆孔不僅是瓦斯的流動(dòng)通道，更是工程擾動(dòng)的“薄弱帶”。特別是在松軟煤層和受采動(dòng)影響強(qiáng)烈的區(qū)域，鉆孔周邊煤體極易產(chǎn)生復(fù)雜的微米級(jí)至毫米級(jí)次生裂隙網(wǎng)，導(dǎo)致鉆孔漏氣嚴(yán)重。

長(zhǎng)期以來，行業(yè)內(nèi)普遍采用水泥砂漿、聚氨酯等“固相”材料進(jìn)行封孔，但這些材料固化后往往存在體積收縮、脆性大、滲透性差等先天缺陷，難以適應(yīng)深部煤體在采動(dòng)影響下的動(dòng)態(tài)變形，極易在鉆孔巖壁與封孔段之間形成環(huán)向微縫隙，造成封孔失效。針對(duì)這一行業(yè)痛點(diǎn)，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)程健維團(tuán)隊(duì)摒棄了傳統(tǒng)“被動(dòng)封堵”的思維定式，創(chuàng)新性地提出了“液相滲透、主動(dòng)密封”的學(xué)術(shù)理念，旨在破解深部松軟煤層鉆孔微裂隙漏氣難題，為提升我國(guó)深部高瓦斯礦井的瓦斯治理水平提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

瓦斯抽采過程

1 核心原理

本成果的核心在于創(chuàng)新性地提出了“復(fù)合顆粒固—液兩相流”理論。該理論摒棄了單一依靠漿液固化的傳統(tǒng)模式，而是利用流體攜帶不同粒徑和材質(zhì)的復(fù)合顆粒（剛性骨架與柔性填料）進(jìn)入鉆孔裂隙。其核心封堵機(jī)理可概括為“多級(jí)架橋—致密填充”：在注漿壓力驅(qū)動(dòng)下，流體運(yùn)移至裂隙尖端或喉道處，大顆粒首先發(fā)生“架橋效應(yīng)”形成初步骨架支撐，防止裂隙閉合；隨后，中、小顆粒在流體攜帶下依次進(jìn)入骨架孔隙進(jìn)行逐級(jí)填充，形成致密的顆粒堆積結(jié)構(gòu)；最后，具有高粘結(jié)性和自愈合能力的基液滲透包裹整個(gè)顆粒骨架，固化后形成“骨架+基質(zhì)”的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)既利用了固體顆粒的高強(qiáng)度支撐作用，又發(fā)揮了液相流體的優(yōu)異滲透與柔性密封性能，能夠自適應(yīng)深部煤體裂隙的動(dòng)態(tài)張開與閉合。

封堵機(jī)理

2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）復(fù)合顆粒固-液兩相主動(dòng)密封材料

該材料由“微納多尺度剛性骨架”與“功能化智能基液”復(fù)配而成。材料具備獨(dú)特的“剪切稀化”流變特性，泵送時(shí)黏度降低便于深部輸送，靜止后黏度回升實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定掛壁。不同于傳統(tǒng)水泥的脆性，該材料固化后呈現(xiàn)“剛?cè)岵?jì)”特征，在高地應(yīng)力環(huán)境下能隨煤體變形而蠕變，利用壓差自動(dòng)追蹤并修復(fù)新裂隙，解決了傳統(tǒng)材料“易收縮、不抗壓、難滲透”的痛點(diǎn)。

流變封堵材料

（2）鉆孔液壓復(fù)用式注漿裝置

針對(duì)傳統(tǒng)囊袋一次性使用成本高、承壓能力低且易漏漿的難題，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了鉆孔液壓復(fù)用式封隔器。該裝備采用創(chuàng)新的機(jī)械坐封技術(shù)，利用高壓水驅(qū)動(dòng)卡瓦張開與孔壁形成強(qiáng)力咬合連接，將封孔壓力極限提升至4.6 MPa以上。其獨(dú)特的兩堵一注一體化設(shè)計(jì)，不僅保證了嚴(yán)密封堵，更具備一鍵解封與循環(huán)復(fù)用功能，單套設(shè)備可重復(fù)使用50次以上，大幅降低了施工成本，真正實(shí)現(xiàn)了封孔裝備的綠色化與高壓化。

鉆孔液壓復(fù)用式封隔器核心部分模型

3 現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用案例

相比于傳統(tǒng)水泥砂漿及聚氨酯材料，本成果提出的“復(fù)合顆粒固-液兩相”主動(dòng)密封材料及配套智能裝備，可在幾乎不改變現(xiàn)有打鉆抽采工藝流程的前提下，顯著解決深部松軟煤層及強(qiáng)動(dòng)壓區(qū)“封不住、管不長(zhǎng)”的難題，具有極高的工程推廣價(jià)值。

目前，團(tuán)隊(duì)正與河南能源集團(tuán)、淮北礦業(yè)集團(tuán)、山西焦煤集團(tuán)等多家大型煤炭企業(yè)開展以下方向的深度應(yīng)用：① 深部松軟煤層穿層/順層鉆孔全生命周期主動(dòng)密封；② 失效鉆孔的微裂隙精準(zhǔn)注漿修復(fù)；③ 水力壓裂/割縫鉆孔的高承壓致密封孔。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：對(duì)比傳統(tǒng)封孔工藝，采用該技術(shù)后，順層鉆孔瓦斯平均抽采濃度由不足15%穩(wěn)定提升至30%以上；穿層鉆孔在消除微裂隙漏氣后，平均濃度達(dá)到38.69%（部分達(dá)44%以上）；特別是針對(duì)“廢孔”的二次修復(fù)，瓦斯抽采純量提升幅度高達(dá)149%。

鉆孔裂隙數(shù)據(jù)及材料配比

方案設(shè)計(jì)及材料準(zhǔn)備

以該技術(shù)為核心的成果“煤系復(fù)雜儲(chǔ)層組合改造與瓦斯智能抽采關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”榮獲2025年度中國(guó)煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人簡(jiǎn)介

程健維 教授

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院教授，博士研究生導(dǎo)師，澳大利亞“Endeavour Fellowship”奮進(jìn)學(xué)者，新疆自治區(qū)天山學(xué)者。現(xiàn)任中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)科國(guó)際交流部主任、職業(yè)健康與防護(hù)工程研究所副所長(zhǎng)、青年學(xué)術(shù)帶頭人。長(zhǎng)期從事礦井瓦斯災(zāi)害防治、瓦斯抽采鉆孔密封材料及智能裝備的研發(fā)工作

團(tuán)隊(duì)依托中國(guó)礦業(yè)大學(xué)“安全科學(xué)與工程”雙一流學(xué)科平臺(tái)，匯聚了一批中青年骨干力量。近年來，團(tuán)隊(duì)主持國(guó)自然青年、面上項(xiàng)目，省自然青年、面上，教育部博士點(diǎn)基金，中國(guó)博士后科學(xué)基金面上、特助項(xiàng)目，國(guó)家/省部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金、開放課題等15項(xiàng)縱向基金和企業(yè)委托技術(shù)開發(fā)、科技攻關(guān)項(xiàng)目100余項(xiàng)。近年來發(fā)表學(xué)術(shù)論文150余篇，出版中文學(xué)術(shù)專著2部。獲省政府科技獎(jiǎng)勵(lì)6項(xiàng)，其中科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)4項(xiàng)（R1，R1，R1，R2）、技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（R3）、自然科學(xué)三等獎(jiǎng)1項(xiàng)（R1）；國(guó)家人社部銅獎(jiǎng)1項(xiàng)（R1）；行業(yè)學(xué)會(huì)/協(xié)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)等17項(xiàng)。連續(xù)4年（2022—2025）入選斯坦福大學(xué)-Elsevier全球前2％頂尖科學(xué)家榜單。獲全國(guó)優(yōu)秀創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)博士后（國(guó)家人力資源和社會(huì)保障部），綠色礦山青年科技獎(jiǎng)，礦業(yè)、石油及安全工程領(lǐng)域優(yōu)秀青年科技人才提名獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)/榮譽(yù)稱號(hào)。

《金屬礦山》簡(jiǎn)介

《金屬礦山》由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國(guó)金屬學(xué)會(huì)主辦，主編為中國(guó)工程院王運(yùn)敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊（中國(guó)科技核心期刊）、中國(guó)精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國(guó)百?gòu)?qiáng)報(bào)刊、RCCSE中國(guó)核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國(guó)期刊方陣雙百期刊、國(guó)家百種重點(diǎn)期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國(guó)化學(xué)文摘（CA）、美國(guó)劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫(kù)收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機(jī)電與自動(dòng)化、安全環(huán)保、礦山測(cè)量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價(jià)值或工程推廣價(jià)值的研究成果，優(yōu)先報(bào)道受到國(guó)家重大科研項(xiàng)目資助的高水平研究成果。

編排：余思晨

審核：王小兵

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