鉆孔CF新型密封材料的孔隙結(jié)構(gòu)特性研究*

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鉆孔CF新型密封材料的孔隙結(jié)構(gòu)特性研究*

張超1，2，李樹(shù)剛1，2，張?zhí)燔?，2，林海飛1，2，楊會(huì)軍1，2

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安710054；2.教育部 西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054)

摘要：為了改善瓦斯抽采鉆孔的封孔效果，研究了瓦斯抽采鉆孔普通水泥密封材料、CF新型密封材料的孔隙結(jié)構(gòu)特性。實(shí)驗(yàn)?zāi)M了煤礦井下鉆孔封孔過(guò)程，綜合采用壓汞法和二氧化碳?xì)怏w吸附法對(duì)普通水泥注漿后的煤樣和CF新型密封材料注漿后的煤樣孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：CF新型密封材料相比普通水泥材料有著較好的滲透力，可以有效的消除鉆孔封孔段周?chē)⒂^裂隙和孔洞，提高封孔段的穩(wěn)定性；經(jīng)過(guò)注漿之后，普通水泥材料注漿的煤樣和CF新型密封材料注漿的煤樣平均孔徑分別為9，8.6 nm，孔隙率分別為4.428 1%，3.775 6%.

關(guān)鍵詞：孔隙結(jié)構(gòu)特性；密封性能；普通水泥密封材料；新型密封材料

0引言

鉆孔抽采是煤礦瓦斯治理的基礎(chǔ)技術(shù)手段，廣泛應(yīng)用于瓦斯抽采[1-2]、參數(shù)測(cè)試[3]、煤層注水[4]、煤層增透[5]等各個(gè)方面。一般而言，鉆孔成孔后都要求對(duì)鉆孔進(jìn)行密封，鉆孔密封是保持孔底負(fù)壓或正壓的關(guān)鍵因素，而封孔質(zhì)量的好壞直接影響各類(lèi)鉆孔作用的發(fā)揮。

目前，我國(guó)約有2/3的瓦斯抽采礦井封孔長(zhǎng)度短而且密封質(zhì)量差[6-7]。約有65%的回采工作面預(yù)抽瓦斯?jié)舛鹊陀?0%[8]，瓦斯壓力測(cè)定鉆孔中測(cè)壓成功率一般低于50%[9]。

礦井瓦斯抽采過(guò)程中，密封材料的性能影響了鉆孔周?chē)严兜姆舛滦Ч鸞5]，若材料易于滲漏或粘結(jié)性較差，則會(huì)由于鉆孔漏水漏氣而無(wú)法達(dá)到瓦斯抽采的效果[10]。因此，研究鉆孔密封材料的微觀特性及其對(duì)密封性能的影響作用對(duì)瓦斯抽采工作具有十分重要的意義。

目前我國(guó)大多數(shù)煤礦現(xiàn)場(chǎng)采用的鉆孔密封材料主要是普通水泥類(lèi)材料，但是對(duì)于普通水泥封孔材料的微觀特性以及其對(duì)密封性能的影響卻沒(méi)有進(jìn)行進(jìn)一步研究，造成企業(yè)在現(xiàn)場(chǎng)密封工作中選擇密封材料的盲目性，不僅費(fèi)料費(fèi)力費(fèi)時(shí)間，而且達(dá)不到煤礦對(duì)瓦斯抽采的要求。鑒于此，結(jié)合普通水泥本身具有高強(qiáng)度和高密度的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)研制了CF新型密封材料。CF新型密封材料具有初凝時(shí)間適當(dāng)、材料易向鉆孔內(nèi)部裂隙滲透、膨脹率和穩(wěn)定膨脹時(shí)間易調(diào)節(jié)、高強(qiáng)度、反應(yīng)溫度低、材料配比容易、原料均為常見(jiàn)建筑和化工材料以及材料無(wú)毒無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)。與此同時(shí)，文中分別選用普通水泥材料、CF新型密封材料實(shí)驗(yàn)?zāi)M了鉆孔密封過(guò)程，綜合采用壓汞法和二氧化碳?xì)怏w吸附法對(duì)普通水泥注漿后的煤樣和CF新型密封材料注漿后的煤樣孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。為煤礦現(xiàn)場(chǎng)瓦斯抽采過(guò)程中鉆孔密封材料的選擇提供了理論指導(dǎo)。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

1.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

實(shí)驗(yàn)采用剛性容器裝煤，試驗(yàn)裝置是內(nèi)邊長(zhǎng)均為500 mm的立方體，擬采用26 mm的鋼板加工而成。容器上部中心開(kāi)有50 mm的注漿孔，與壓水式手動(dòng)注漿泵相連。注漿管一端封閉，側(cè)面開(kāi)有網(wǎng)眼，模擬實(shí)際封孔時(shí)的徑向滲透。開(kāi)始注漿前應(yīng)首先將管路中的空氣排放干凈。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

圖1　相似模擬鉆孔密封裝置Fig.1　Similarity simulation of borehole sealing device

1.2　實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)步驟

為了研究新型密封材料的孔隙結(jié)構(gòu)情況，考察其對(duì)鉆孔密封性能的影響，本實(shí)驗(yàn)?zāi)M了煤礦井下鉆孔封孔過(guò)程。由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制，實(shí)驗(yàn)將煤粉通過(guò)一定的方法制成煤樣，以便進(jìn)行注漿。煤樣取自潞安集團(tuán)常村礦53采區(qū)。

實(shí)驗(yàn)步驟如下

1)取A，B 2組煤樣，A樣進(jìn)行普通水泥材料注漿，B樣進(jìn)行CF新型密封材料注漿；

2)待試驗(yàn)煤塊中注漿材料漿液凝固后，分別徑向切開(kāi)A，B樣的模擬鉆孔，分別取A，B樣中相同位置處直徑為1 cm的煤塊；

3)對(duì)制取的A，B煤樣進(jìn)行壓汞法和二氧化碳?xì)怏w吸附法。

2CF新型密封材料與普通水泥材料注漿后煤體孔隙結(jié)構(gòu)變化情況

目前，對(duì)于煤的孔隙特征研究較常見(jiàn)的方法是利用壓汞法、核磁共振和氣體吸附法等來(lái)測(cè)定煤體孔隙大小。由于壓汞法測(cè)孔半徑范圍為3.75～750 nm，根據(jù)IUPAC孔徑分類(lèi)法，無(wú)法測(cè)量煤中的微孔結(jié)構(gòu)[11]。因此，本節(jié)綜合采用壓汞法和二氧化碳?xì)怏w吸附法對(duì)潞安集團(tuán)常村煤礦53采區(qū)的煤樣進(jìn)行孔隙測(cè)定。

由前述試驗(yàn)知，A試驗(yàn)為普通水泥材料注漿煤樣，B試驗(yàn)為CF新型密封材料注漿煤樣。

2.1　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

壓汞實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，2，由于數(shù)據(jù)繁多，這里僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)。

其中，普通水泥材料注漿后煤樣壓汞數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

表1　A組煤樣壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(部分)

CF新型密封材料注漿后煤樣壓汞數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.

表2　B組煤樣壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(部分)

CO2等溫吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，4.由于數(shù)據(jù)繁多，這里僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)。

其中，普通水泥材料注漿后煤樣CO2吸附數(shù)據(jù)見(jiàn)表3.

CF新型密封材料注漿后煤樣CO2吸附數(shù)據(jù)見(jiàn)表4.

2.2　孔徑分布圖

根據(jù)壓汞實(shí)驗(yàn)和CO2吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別作出煤體微孔、中孔及大孔的孔徑分布圖，如圖2，3所示。

表3　A組煤樣CO2吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(部分)

表4　B組煤樣CO2吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(部分)

圖2　煤體中孔、大孔孔徑分布圖Fig.2　Macropore and mesopore sizedistribution of coal sample(R>3.75 nm)(a)A組煤樣　(b)B組煤樣

圖3　煤體微孔孔徑分布圖Fig.3　Micropore size distribution ofcoal sample(R<3.75 nm)(a)A組煤樣　(b)B組煤樣

由圖2和圖3可知，無(wú)論是采用普通水泥材料注漿后的煤樣和還是采用CF新型密封材料注漿后的煤樣，中孔的數(shù)量明顯多于大孔數(shù)量，煤樣中的微孔數(shù)量要遠(yuǎn)多于中孔和大孔的數(shù)量。為了更加直觀地定量對(duì)比處理前后煤樣孔隙結(jié)構(gòu)的變化情況，對(duì)壓汞實(shí)驗(yàn)和CO2吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)表5.

表5　煤體孔徑數(shù)據(jù)分析表

從表5可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是普通水泥材料注漿煤樣還是CF新型密封注漿煤樣，其微孔數(shù)量遠(yuǎn)大于中孔或大孔的數(shù)量。微孔所占孔隙結(jié)構(gòu)的比例為52%，比例最大，中孔比例在35%左右，大孔所占比例最小，僅為13%左右。這是由于煤體抗壓強(qiáng)度小，在承壓狀態(tài)下較大的孔隙結(jié)構(gòu)和裂隙基本閉合。

CF新型密封材料注漿處理的煤樣相比普通水泥材料注漿的煤樣，無(wú)論是總進(jìn)汞量、CO2吸附量或是總孔面積都小。其中，微孔體積普通水泥材料注漿的煤樣為0.042 mL/g，CF新型密封材料注漿的煤樣為0.034 mL/g，相應(yīng)中孔體積分別為0.027，0.023 mL/g，大孔體積分別為 0.011 5，0.008 5 mL/g，煤樣的平均孔徑分別為9，8.6 nm，孔隙率分別為4.428 1%，3.775 6%.

因此，CF新型密封材料相比普通水泥材料有著較好的滲透力，可以克服鉆孔封孔段周?chē)严秴^(qū)內(nèi)瓦斯壓力等各種阻力的作用，逐漸滲透到鉆孔封孔段周?chē)严秲?nèi)，可以有效的消除鉆孔封孔段周?chē)⒂^裂隙和孔洞，切斷了鉆孔內(nèi)的瓦斯以及巷道內(nèi)的空氣向封孔段周?chē)严逗涂锥礉B透的通道，提高鉆孔密封效果。

3結(jié)論

1)無(wú)論是普通水泥材料注漿煤樣還是CF新型密封材料注漿煤樣，其微孔數(shù)量遠(yuǎn)大于中孔或大孔的數(shù)量。微孔所占孔隙結(jié)構(gòu)的比例為52%，比例最大，中孔比例在35%左右，大孔所占比例最小，僅為13%左右；

2)對(duì)2種材料注漿后的煤樣進(jìn)行了壓汞實(shí)驗(yàn)和二氧化碳吸附實(shí)驗(yàn)，考察煤體孔隙結(jié)構(gòu)的變化，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，微孔體積普通水泥材料注漿的煤樣為0.042 mL/g，CF新型密封材料注漿的煤樣為0.034 mL/g，相應(yīng)中孔體積分別為0.027，0.023 mL/g，大孔體積分別為 0.011 5，0.008 5 mL/g，煤樣的平均孔徑分別為9，8.6 nm，孔隙率分別為4.428 1%，3.775 6%.因此，CF新型密封技術(shù)整體性能優(yōu)于普通水泥密封材料。

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Pore structure characteristics of CF new type of sealing material for borehole

ZHANG Chao1，2，LI Shu-gang1，2，ZHANG Tian-jun1，2，LIN Hai-fei1，2，YANG Hui-jun1，2

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China;

2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China)

Abstract：To improve the sealing effects on horizontal gas drainage borehole，the pore structure characteristics of ordinary cement and CF new type of sealing material for borehole are studied.Based on sealing process in the underground coal mine simulated by experiment，the pore structure of coal samples after grouting for ordinary cement and CF new type of sealing material are compared by means of mercury intrusion method and CO2gas adsorption method.The results show that the CF new type of sealing material has a better permeability than ordinary cement，which can effectively eliminate fractures around boreholes and improve the stability of sealing segment.After grouting，the average pore diameter of coal samples for ordinary cement and CF new type of sealing material are 9 and 8.6 nm，respectively，and the porosity of the two are 4.428 1% and 3.775 6%，respectively.

Key words：pore structure characteristics；sealing performance；ordinary cement；new type of sealing material

中圖分類(lèi)號(hào)：TB 302.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通訊作者：張超(1986-)，男，山西長(zhǎng)治人，講師，E-mail：83399527@qq.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金科學(xué)儀器基礎(chǔ)研究專(zhuān)款(51327007)；國(guó)家自然科學(xué)基金(51504189，51174158)；陜西省青年科技新星項(xiàng)目(2014KJXX69)；西安科技大學(xué)培育基金(2014058)

收稿日期：*2015-09-14責(zé)任編輯：高佳

文章編號(hào)：1672-9315(2016)01-0070-05

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0112