隨著我國煤炭工業(yè)全面向深部進軍，開采深度增加帶來的高地應力、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通道，更是工程擾動的“薄弱帶”。特別是在松軟煤層和受采動影響強烈的區(qū)域，鉆孔周邊煤體極易產生復雜的微米級至毫米級次生裂隙網，導致鉆孔漏氣嚴重。

長期以來，行業(yè)內普遍采用水泥砂漿、聚氨酯等“固相”材料進行封孔，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，難以適應深部煤體在采動影響下的動態(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。針對這一行業(yè)痛點，中國礦業(yè)大學程健維團隊摒棄了傳統(tǒng)“被動封堵”的思維定式，創(chuàng)新性地提出了“液相滲透、主動密封”的學術理念，旨在破解深部松軟煤層鉆孔微裂隙漏氣難題，為提升我國深部高瓦斯礦井的瓦斯治理水平提供強有力的技術支撐。

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的復合顆粒（剛性骨架與柔性填料）進入鉆孔裂隙。其核心封堵機理可概括為“多級架橋—致密填充”：在注漿壓力驅動下，流體運移至裂隙尖端或喉道處，大顆粒首先發(fā)生“架橋效應”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入骨架孔隙進行逐級填充，形成致密的顆粒堆積結構；最后，具有高粘結性和自愈合能力的基液滲透包裹整個顆粒骨架，固化后形成“骨架+基質”的互穿網絡結構。這種結構既利用了固體顆粒的高強度支撐作用，又發(fā)揮了液相流體的優(yōu)異滲透與柔性密封性能，能夠自適應深部煤體裂隙的動態(tài)張開與閉合。

封堵機理

2 關鍵技術

（1）復合顆粒固-液兩相主動密封材料

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

流變封堵材料

（2）鉆孔液壓復用式注漿裝置

針對傳統(tǒng)囊袋一次性使用成本高、承壓能力低且易漏漿的難題，團隊研發(fā)了鉆孔液壓復用式封隔器。該裝備采用創(chuàng)新的機械坐封技術，利用高壓水驅動卡瓦張開與孔壁形成強力咬合連接，將封孔壓力極限提升至4.6 MPa以上。其獨特的兩堵一注一體化設計，不僅保證了嚴密封堵，更具備一鍵解封與循環(huán)復用功能，單套設備可重復使用50次以上，大幅降低了施工成本，真正實現了封孔裝備的綠色化與高壓化。

鉆孔液壓復用式封隔器核心部分模型

3 現場工程應用案例

相比于傳統(tǒng)水泥砂漿及聚氨酯材料，本成果提出的“復合顆粒固-液兩相”主動密封材料及配套智能裝備，可在幾乎不改變現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動壓區(qū)“封不住、管不長”的難題，具有極高的工程推廣價值。

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

現場應用表明：對比傳統(tǒng)封孔工藝，采用該技術后，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，平均濃度達到38.69%（部分達44%以上）；特別是針對“廢孔”的二次修復，瓦斯抽采純量提升幅度高達149%。

鉆孔裂隙數據及材料配比

方案設計及材料準備

以該技術為核心的成果“煤系復雜儲層組合改造與瓦斯智能抽采關鍵技術及應用”榮獲2025年度中國煤炭工業(yè)科學技術獎一等獎

團隊負責人簡介

程健維 教授

中國礦業(yè)大學

中國礦業(yè)大學安全工程學院教授，博士研究生導師，澳大利亞“Endeavour Fellowship”奮進學者，新疆自治區(qū)天山學者?，F任中國礦業(yè)大學安全科學與工程學科國際交流部主任、職業(yè)健康與防護工程研究所副所長、青年學術帶頭人。長期從事礦井瓦斯災害防治、瓦斯抽采鉆孔密封材料及智能裝備的研發(fā)工作

團隊依托中國礦業(yè)大學“安全科學與工程”雙一流學科平臺，匯聚了一批中青年骨干力量。近年來，團隊主持國自然青年、面上項目，省自然青年、面上，教育部博士點基金，中國博士后科學基金面上、特助項目，國家/省部重點實驗室開放基金、開放課題等15項縱向基金和企業(yè)委托技術開發(fā)、科技攻關項目100余項。近年來發(fā)表學術論文150余篇，出版中文學術專著2部。獲省政府科技獎勵6項，其中科技進步二等獎4項（R1，R1，R1，R2）、技術發(fā)明二等獎1項（R3）、自然科學三等獎1項（R1）；國家人社部銅獎1項（R1）；行業(yè)學會/協(xié)會科技進步一等獎等17項。連續(xù)4年（2022—2025）入選斯坦福大學-Elsevier全球前2％頂尖科學家榜單。獲全國優(yōu)秀創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)博士后（國家人力資源和社會保障部），綠色礦山青年科技獎，礦業(yè)、石油及安全工程領域優(yōu)秀青年科技人才提名獎等獎項/榮譽稱號。

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學術論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學術期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學文摘（CA）、美國劍橋科學文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學技術振興機構數據庫（JST）等世界著名數據庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質勘探等領域具有重大學術價值或工程推廣價值的研究成果，優(yōu)先報道受到國家重大科研項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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