基于响应面法的煤层气抽采孔二次注浆新型裂缝密封材料开发与优化

《Fuel》：RSM-based development and optimization of a novel fracture sealing material for secondary grouting in extraction boreholes

本研究针对煤层气（CBM）抽采效率衰减难题，开发了一种兼具低粘度、微膨胀、可控凝胶时间和适当强度的新型裂缝密封材料（FSM）。通过单因素实验和响应面法（RSM）优化配方，现场验证表明其能有效封堵钻孔周围多尺度裂缝，使甲烷浓度提升32.32%-42.83%，显著延长钻孔寿命并提升CBM抽采效率。

　　

Section snippets

Raw materials

新型FSM以氨基树脂为基材，经酚醛（PF）改性，并添加交联剂、发泡剂、稳泡剂和增韧剂制成。氨基树脂（通用分子式(C₂H₆N₂O₂)_n）富含氨基（?NH₂）、羟基（?OH）和羰基（C=O）等极性官能团，可与水分子形成氢键，增强亲水性和溶解性，是理想的注浆基料。

Effect of the W/M ratio on apparent viscosity

表观粘度是表征浆液流动阻力的关键性质。如图3所示，FSM浆液的表观粘度随水料比（W/M）升高显著下降，但下降速率渐缓直至稳定。这是因为高含水量降低了固体颗粒间的摩擦阻力，提升了流动性。然而，过高的W/M比会降低浆液稳定性，导致分层和泌水，因此需权衡粘度与稳定性以优化注浆性能。

Analysis of RSM results

响应面法（RSM）是一种用于建模分析多因素复杂过程的多元回归方法。通过方差分析（ANOVA）和回归建模，可优化因素水平并预测响应目标。其中Box-Behnken设计（BBD）因其高效性和可靠性被广泛采用。

Field application and validation

为验证FSM的现场注浆效果，在屯兰煤矿开展对比试验。与传统水泥砂浆相比，I组钻孔经FSM即时二次注浆后，甲烷平均浓度提升32.32%，后续抽采阶段稳定在56.84%–64.62%；II组钻孔在抽采30天后进行FSM注浆，甲烷浓度瞬时提升42.83%，较注浆前提高11.35%。结果表明FSM能有效封堵多尺度裂缝，逆转浓度衰减，延长钻孔寿命。

Conclusions

针对煤层气抽采效能下降问题，本研究开发了用于二次注浆的新型FSM，通过单因素实验和RSM优化配方，并经现场试验验证其优越性。主要结论如下：

1. 1.
   单因素实验表明各组分显著影响FSM性能（如粘度、凝胶时间、抗压强度和膨胀率）；
2. 2.
   RSM建立的二次回归模型预测误差低于5%，精准指导配方优化；
3. 3.
   现场应用证实FSM能持久密封裂缝，提升甲烷浓度，为煤层气高效抽采提供技术支撑。