礦用水泥基封孔材料研究

摘 要：本文首先介紹水泥基封孔材料的使用現狀、水泥基膨脹劑研究現狀及聚合物改性研究進展，并指出目前礦用水泥基封孔材料研究中存在改性成本高、候凝時間長、膨脹與材料強度不協(xié)調等問題。最后，對礦用水泥基封孔材料的研究方向做了展望，提出利用工業(yè)廢棄物為改性材料，以發(fā)氣類、金屬粉類和氧化鈣類膨脹劑為研究方向，采用微膠囊等技術處理膨脹源，實現膨脹能的緩控釋放。

關鍵詞：瓦斯治理；鉆孔封孔；封孔質量；水泥基封孔材料；膨脹率

中圖分類號：TD712.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2017）06-0120-04

Research on Mining Cement Base Hole Sealing Materials

Wu Hailong

（Dpartment of Energy Engineering，Shaanxi Energy Institute，Xianyang Shaanxi 712000）

Abstract： Firstly，this paper introduced the current application of cement base hole sealing materials and the research status of cement base expansion agent as well as polymer modification. Secondly，it pointd out the problems which still was existing in the research such as high cost of modification，long time solidification， and cement swelling uneven with strength. In the end， it also made an outlook on cement base hole sealing material research and proposes that we can make use of industrial wast as modified material and do more research in gas， metal powder and calcium oxide expansion agent. We can also modify expansion source by using the microcapsule packages technology and realize the expansion controlled release.

Keywords： gas control；drill and hole sealing；sealing quality；cement base hole sealing material；expansion rate

1 研究背景

礦井瓦斯災害威脅煤礦安全高效生產，瓦斯治理是煤礦災害防治的重點。目前，瓦斯抽采的主要措施有地面抽采鉆井，井下抽采巷道以及順層、穿層鉆孔抽采等。由于我國地質條件復雜，大部分煤田的煤層透氣性較低，地面鉆井影響范圍較小，僅在部分煤層透氣性較高的區(qū)域適用。隨著煤礦開采深度逐漸增加，地面鉆井的局限性愈加明顯；巷道抽采效果較好，但巷道施工成本高昂；鉆孔抽采靈活多變，成本較低，地質適應性強，常采用高瓦斯低透氣性區(qū)域煤層增透措施及遠距離抽采，被廣泛應用于煤礦瓦斯災害治理。利用鉆孔治理瓦斯的關鍵是煤層（圍巖）或采空區(qū)中的瓦斯抽放，影響鉆孔瓦斯抽采效果的因素主要有兩個：一是鉆孔周圍介質的透氣性，為瓦斯?jié)B流及擴散流動提供通道；二是形成足夠的鉆孔內外壓力梯度，能促使瓦斯形成定向流動。有效的鉆孔封堵能夠為煤層注水、深孔預裂爆破、水力壓裂等煤層增透措施提供能量屏蔽，保證鉆孔內外不貫通；也能夠為瓦斯抽采系統(tǒng)提供足夠的鉆孔負壓。鉆孔封孔質量直接影響鉆孔能效的發(fā)揮，如何提高煤礦鉆孔封孔質量越來越受到研究人員的關注。

鉆孔封孔是封孔材料與封孔工藝的組合，封孔材料的性質決定封孔工藝，合適的封孔材料決定鉆孔封孔質量和瓦斯抽采效率。目前，我國煤礦使用的封孔材料有多種，主要有黃泥、粘土、水泥基材料、聚氨酯、馬麗散等，黃泥黏土封孔材料容易與鉆孔孔壁粘連，不容易送到合適位置，不適用于深孔封孔；聚氨酯材料發(fā)泡效果好，但承壓能力差，且不能對鉆孔周圍的裂隙進行封堵，密封效果不好；馬麗散等封孔材料價格昂貴，大范圍推廣較為困難；水泥基封孔材料因價格低廉、來源廣泛、操作方便、無揮發(fā)性毒物、耐久性強、能夠封堵鉆孔周邊裂隙等特點而得到普遍推廣。水泥基封孔材料在煤礦封孔實踐中用量巨大，其性能直接影響我國瓦斯抽采及治理的整體效果。當前的水泥基封孔材料仍然存在諸多問題，如水泥基封孔材料凝固硬化時間長，影響封孔效率，難以實現快速封孔；水泥基封孔材料存在干縮現象，在鉆孔上部易形成“月牙形”空隙，縮短有效封孔段長度，影響鉆孔封孔密封效果，甚至會形成貫通裂隙，造成鉆孔封孔失敗。針對水泥基封孔材料存在的問題，科技工作者開展了大量研究工作。目前，解決水泥基封孔材料封孔使用周期內固化時間長，體積收縮，改性成本高等問題已成為今后水泥基封孔材料的研究方向。

2 水泥基封孔材料使用及研究進展

自英國人J·Aspdin于1824年獲第一個波特蘭水泥發(fā)明專利至今，已有近兩百年歷史。目前，水泥已逐漸發(fā)展為龐大的硅酸鹽水泥系列，硅酸鹽水泥主要成分有硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣。水泥材料因來源豐富、價格低廉、使用工藝簡單、操作方便、強度大耐腐蝕等特點，被廣泛應用于人類的生產生活中，是目前重要的工程材料。據統(tǒng)計，世界水泥基材料總量在60億～70億t[1]。水泥漿材料在封堵裂隙裂縫方面的應用也有較長的歷史，在煤礦瓦斯災害防治中的應用較為普遍。但水泥基材料作為煤礦鉆孔封孔材料仍存在易干縮、固化時間長等問題，且大多數集中在工程實踐的操作改進過程中，對水泥基封孔材料的改性機理研究及新材料的研發(fā)仍需進一步深入。

2.1 封孔水泥改性研究現狀

代志旭等[2]為測定煤層瓦斯壓力，對封孔材料進行改進，以普通硅酸鹽水泥為基礎，復合5%的鋁酸鹽水泥，取得了較好的封孔效果。翟果紅、蔣成林等[3]以試驗為基礎，在普通水泥中摻入一定比例的膨潤土，能夠提高封孔水泥在多水環(huán)境下的膨脹性能，在破碎巖層以及含水層中高壓注入膨潤土-水泥漿能提高裂隙的黏聚力和內摩擦角，阻礙巖層水通過測壓孔與其他裂隙溝通流動，保證測壓孔無漏水現象。固體封孔材料及鉆孔孔壁由于周圍應力作用易產生破壞性裂隙，導致鉆孔封孔失敗，翟成等[4]針對該缺陷，提出柔性動態(tài)封孔理念，以粉煤灰為基料，配以保水劑、膨脹劑、纖維素和偶聯劑，與水結合攪拌后，將形成一種柔性膏體并始終保持柔性狀態(tài)，封孔材料能隨鉆孔周圍介質的變化而變化，適用于地應力較大或應力集中的鉆孔易變形區(qū)段。王永安、趙耀江[5]結合聚氨酯材料和水泥的封孔特點，將兩者復合。黃鑫業(yè)、蔣承林[6]以流態(tài)水泥漿為封孔基質，以封堵鉆孔孔壁裂隙為出發(fā)點，在聚胺脂與水泥漿結合封孔的基礎上對“帶壓封孔”進行研究，確定工程實踐中封孔工藝的基本參數。齊錦霞、劉娟紅等[7]通過在水泥中摻入復合膠凝材料和復合外加劑，制成緩凝型凍結復合封孔材料，適合凍結法的封孔實踐。徐龍倉[8]將水泥與聚氨酯復合，在水泥中摻入水泥質量15%的石膏，該種封孔材料流動性好，泵送性好，在兩年內不發(fā)生收縮變形。劉廣北、李書田[9]在水泥中摻加生石灰和鋁粉來提高封孔水泥膨脹的膨脹性能，鋁粉能在很大程度上提高水泥的膨脹性能。孫文標[10]將高鋁水泥、石灰、石膏等材料配置成一種速凝高強膨脹型封孔材料。為縮短封孔水泥候凝時間，吳海龍[11]以硫酸鋰為早強組分，摻量為水泥質量的1%，聚羧酸減水劑0.3%，三乙醇胺0.03%，能在一定程度上提高封孔水泥的早期強度。同時，他還分析了無機早強組分與有機組分對水泥早期強度的協(xié)同作用，促進水泥水化過程中水化膜的破裂，加速水泥水化的進行。林柏泉、郝志勇[12]等研發(fā)了一種PD材料，該材料以水泥為基礎，以能與水泥反應的金屬粉膨脹劑為膨脹源，以聚甲基纖維素為壁材，利用微膠囊包裹技術處理金屬粉實現緩控膨脹，同時摻加有機樹脂等材料，使水泥材料的膨脹性能及可操作性能滿足煤礦鉆孔封孔的需求。管學茂、胡曙光、丁慶軍[13]研制了一種超細高性能灌漿水泥（MHPGC），其組成成分為超細水泥、石膏、粉煤灰、礦渣。采用SEM等測試手段進行分析，該種灌漿水泥鈣礬石結構交叉分布并被水化產物填充，形成類似纖維增強結構，由于加入礦渣等成分，水化產物中氫氧化鈣在灌漿材料界面區(qū)的取向系數較小，與巖石結合更加緊密。梅旭東[14]研制了一種適合井下水力壓裂用的封孔材料，該材料以水泥為基礎，水灰比控制在0.6，摻加早強減水劑質量分數為3%，聚丙烯纖維體積摻量控制在0.1%～0.6%，3d抗壓強度可達到14.4MPa，收縮率小，能滿足密封性能和注漿需求。

2.2 水泥基封孔材料膨脹性能研究現狀

水泥基封孔材料存在干燥收縮的現象，容易造成鉆孔封堵不嚴密從而產生貫通裂隙，高水灰比水泥漿體封孔干縮現象更加明顯。如何改善水泥基封孔材料的膨脹性能，提高封孔水泥的氣密性，廣大科技工作者進行了大量的研究工作。林柏泉[15]以實驗為基礎，在水泥中摻入碳酸鈉、碳酸氫鈉和檸檬酸，利用聚丙烯酰胺對其進行處理，防止碳酸根與檸檬酸在溶液狀態(tài)時快速反應生成二氧化碳，實現緩控膨脹，能夠使水泥漿體在6h左右發(fā)生膨脹。李飛[16]研制出一種抗高壓密封樹脂，將聚氨酯膨脹性能與水泥封孔材料高強度、高滲透性的優(yōu)點結合，為水泥改性提供新思路。郝志勇[12]研制出一種以水泥材料為基礎的PD封孔材料，該種封孔材料能實現封孔水泥的微膨脹，并且利用微膠囊技術處理金屬粉膨脹劑實現延遲膨脹，封孔效果較好。朱洪波[17]在水泥中摻入聚乙烯酰胺、海帶根粉、石英砂等，海帶根粉吸水能產生膨脹，彌補水泥漿的收縮效應，密封效果較好，但海帶根粉需做防潮處理，在煤礦高濕環(huán)境容易造成膨脹損失。翟華[18]將普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥結合，硫鋁酸鹽水泥占總水泥量的30%～50%時，漿體流動性穩(wěn)定，其含量低于50%時，隨著硫鋁酸鹽水泥摻量增大，初凝、終凝時間縮短。再復合高鋁水泥、生石膏、萘系高效減水劑，高效膨脹劑等組分，該種封孔材料具有早強、微膨脹等特點。劉健、吳海龍[19]利用微膠囊包裹技術包覆UEA膨脹劑，以乙基纖維素為壁材，控制芯/壁質量比為5∶1，水浴溫度75℃，利用油相分離技術制取膨脹微膠囊，膨脹劑摻量為15%，水泥漿膨脹率峰值為4.08‰，膨脹達到峰值時間為水泥水化后5.5h，實現延遲微膨脹，依據“膨脹-強度協(xié)調發(fā)展”理論，控制水泥膨脹發(fā)生在“膨脹窗口”內，水泥強度與膨脹相互協(xié)調，有較好的封孔密封效果。孫文標[20]將高鋁水泥、石膏、石灰等材料結合起來，用于井下鉆孔封堵，該材料凝結時間為15～40min，當水灰比為1.2∶1時，膨脹率高達11%。微觀分析水泥膨脹機理為鈣礬石具有較小尺寸和放射性分布。

封孔用水泥基材料提高氣密性的關鍵是適當提高材料的膨脹性能，提高水泥基封孔材料膨脹性能的思路有主要有兩個方向：一是摻入能在水泥水化的堿性環(huán)境下發(fā)生反應并產生膨脹性氣體的物質，如鋁粉，或摻入具有吸水膨脹性的介質；二是在水泥中摻入膨脹劑產生膨脹，從水泥水化產物結構出發(fā)，優(yōu)化簇狀、棒狀鈣礬石結構形成的膨脹空間。

但膨脹劑在高水灰比封孔水泥漿中膨脹發(fā)揮較快，“膨脹能”在水泥低強度條件下大量損失，導致膨脹時間不可控，材料膨脹終值不足，增大了封孔材料漏氣的可能性。因此，促進膨脹劑膨脹能效的發(fā)揮，有利于改善當前瓦斯抽采過程中水泥封孔材料干縮漏氣現狀，對提高瓦斯抽采效率有一定的現實意義。

2.3 封孔水泥聚合物改性研究現狀

利用聚合物改性水泥有較長的研究歷史。隨著煤礦鉆孔封孔指標要求的逐漸提高，聚合物改性水泥基封孔材料成為研究的熱點。李強[21]利用正交實驗方法研究了水性環(huán)氧樹脂對灌注式路面面層用新拌水泥砂漿的性能以及養(yǎng)護后砂漿力學性能的影響。研究表明，摻加2.5%水性環(huán)氧樹脂改性后，新拌水泥砂漿的流動性明顯好于普通水泥砂漿；水性環(huán)氧樹脂能改善改性水泥砂漿骨料與水泥基體的粘結性，控制裂隙的產生，密實度更大，結構體強度提高。章凱[22]利用試驗得出摻加6%～10%水性環(huán)氧樹脂乳液可有效提高水泥基修補砂漿的力學性能，改善砂漿與基體的粘結性，控制改性水泥的干縮值。低摻量水性環(huán)氧樹脂乳液對高性能混凝土的抗沖擊韌性有一定影響。錢慧麗[23]通過落錘試驗法得出環(huán)氧樹脂摻量為水泥質量的5%，在IV型養(yǎng)護制度養(yǎng)護條件下，改性材料的抗沖擊韌性提高到基準組的1.37倍，抗沖擊性能改善明顯。李銘[24]利用實驗得出，水溶性好的固化劑更能提高環(huán)氧樹脂改性水泥的力學性能；樹脂摻量與水泥的韌性程正相關關系；環(huán)氧樹脂能改善水泥的孔結構，減少水泥體系內部的微裂隙。

3 目前水泥基封孔材料封孔存在的問題

①隨著煤礦開采深度的逐漸增加，礦井瓦斯災害治理形勢更加嚴峻。目前，我國多數礦井利用水泥基封孔材料封孔仍簡單地將幾種材料與水泥材料直接混合使用，已不能滿足實際封孔需求。

②新型水泥基改性材料價格昂貴，研制過程復雜，難以實現大范圍推廣應用。

③水泥基封孔材料固化時間長，難以實現快速封孔，影響工程進度。目前，多采用速凝劑或早強劑來改善封孔水泥早期強度。速凝劑使用不當易造成堵塞注漿泵；早強劑能提高封孔水泥早期強度，但易造成封孔水泥水化產物結構堆積紊亂，造成后期強度損失。

④水泥材料存在干縮現象，易造成封孔失敗，摻加膨脹組分能改善水泥膨脹性能。直接摻加膨脹組分易造成膨脹能的在水泥漿硬化早期損失，膨脹能發(fā)揮過遲，將會造成已硬化的水泥石發(fā)生膨脹破壞。目前，對膨脹能發(fā)揮時效性的控制研究還不夠成熟。

4 展望

水泥基封孔材料在煤礦封孔實踐中應用廣泛，用量較大，對水泥基封孔材料進行改性研究，改善其封孔效果對我國瓦斯災害治理有一定的現實意義。廣大科技工作者開展了大量的研究工作，總結前人研究成果，指導后續(xù)研究。為更好地發(fā)揮水泥基封孔材料在煤礦瓦斯治理中的作用，可以從以下幾方面進行更深入的研究。

①簡化對水泥基改性材料的研制工作，選擇廉價改性材料，如利用工業(yè)廢棄物，將更有利于推廣應用。

②水泥基材料的膨脹性能是各項封孔指標的關鍵，需進行更深入的研究。合適的膨脹源直接影響水泥基封孔材料的封孔質量，膨脹源可以對金屬粉膨脹劑、氧化鈣類膨脹劑、發(fā)氣類膨脹物質進行研究。膨脹能發(fā)揮時效性至關重要，對膨脹源進行微膠囊化包覆處理，能實現膨脹能的緩控釋放，微膠囊的囊壁材料可以對溫控、PH敏感等材料進行研究。

③聚合物改性水泥能改善水泥基材料的各項性能，聚合物與膨脹組分、早強組分等之間的相互作用需進一步研究。

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