瓦斯抽采鉆孔封孔注漿過程中高吸水樹脂吸水性能實驗研究

錢志良，韓 兵

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽110016；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

目前我國煤礦井下瓦斯抽采鉆孔有3 種封孔方式[1-2]，即接觸式、滲透式及組合式封孔，其中組合式封孔方式密封性最好，組合式封孔的密封效果與其止?jié){塞的材質(zhì)密不可分，目前封孔止?jié){塞的材質(zhì)主要有隔水膠囊[3]、透水囊袋、聚氨酯[4]等，這些材料共同的特點是在注漿前使止?jié){塞達(dá)到膨脹密封的效果，之后在止?jié){塞中部注漿，使得漿液滲透到鉆孔周邊的煤壁中，提高鉆孔的密封性[5]?；诖耍芯苛? 種以高吸水樹脂為材料的新型止?jié){塞，實現(xiàn)注漿與堵漿同時進(jìn)行，注漿壓力越大，止?jié){塞膨脹力越大，鉆孔封堵嚴(yán)密，做到隨堵隨注、堵注結(jié)合。根據(jù)吸水樹脂的特性，其在不同溶液下的吸水能力變化極大，為驗證吸水樹脂作為止?jié){塞的可能性及可靠性，需要對吸水樹脂在不同漿液環(huán)境中的吸水膨脹性能進(jìn)行實驗，測定吸水樹脂吸水率、保水率等參數(shù)，以此確定在封孔時所使用的吸水樹脂的用量、加壓強度及注漿時間等問題，同時吸水樹脂在與水泥漿接觸時，勢必會導(dǎo)致水泥漿液性能的改變，影響水泥漿液的凝固后的強度。

1 高吸水樹脂概述

高吸水樹脂（簡稱SAP）是由親水性基團和碳鏈構(gòu)成的1 種具有三維交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的功能性高分子材料[6-7]，在純凈水中能夠吸收成百上千倍自身質(zhì)量的水，并且其在常溫下，即使在受壓狀態(tài)下，也不會快速失水，具有一定的保水性。這使得高吸水樹脂在醫(yī)療衛(wèi)生、石油鉆井、土壤保水、污水處理和礦業(yè)開采等領(lǐng)域中，得到了廣泛的應(yīng)用[8]。

高吸水樹脂按照分子鏈官能團可以分為離子型與非離子型2 種，按照材料可以分為SAP 淀粉類、纖維素類、合成類3 種。淀粉類SAP 來源廣泛、產(chǎn)量大、價格便宜、吸水率較高、能夠生物降解、耐鹽堿性差、易被水解。纖維素類SAP 耐鹽性好、保水性強、抗霉解性強、吸水性差[9]。合成類SAP 價格低、吸水性好、耐鹽性好。因此，選擇合成類SAP 作為封堵材料進(jìn)行實驗。

2 實驗材料及實驗器材

實驗材料：吸水樹脂（宜興市可信的化工有限公司，容積密度為0.6～0.9 g/cm3，吸收生理鹽水的速度為（25 ℃，25 mL）≤60 s，吸水速率為＜60 s，保水率為≥85%，pH 值為6～7，揮發(fā)物含量為＜10%，）；普通硅酸鹽水泥（晉城市水泥廠、42.5 號水泥）；膨脹水泥；布料；蒸餾水；自來水；生理鹽水。

實驗器材：燒杯、量筒、電子秤、秒表、攪拌機、模具、鋸子、鋸條、水泥實驗壓力機。

3 吸水樹脂在不同介質(zhì)中的吸水性能實驗

3.1 吸水倍率測定

吸水倍率是吸水樹脂性能的核心指標(biāo)[10]，吸水倍率越高，膨脹率越高、止?jié){效果就越好。實驗所采用的液體介質(zhì)為蒸餾水、自來水、生理鹽水、普通硅酸鹽水泥漿濾液、膨脹水泥漿濾液。

吸水率的測定方法為：稱取少量的吸水樹脂（0.1～0.3 g），放入燒杯中，加入被測液體，攪拌均勻后，待樹脂充分吸水后（放置12 h），取1 塊60 目（250 μm）的紗布在水中進(jìn)行浸泡，潤濕后稱取質(zhì)量，用紗布將吸水樹脂過濾出來，紗布表面液體不再外流時，稱得紗布與樹脂吸水后的總質(zhì)量，則吸水樹脂的吸液倍率計算如下：

式中：Q 為吸液倍率，g/g；ρ 為溶液密度，g/cm3；m1為濕潤紗布質(zhì)量，g；m2為吸水樹脂干質(zhì)量，g；M為紗布與吸水樹脂吸水后總質(zhì)量，g。

每種液體介質(zhì)做3 組測試，取平均值，每組吸水樹脂的質(zhì)量為0.3 g 左右，實驗溫度為27 ℃，不同液體吸水樹脂吸水倍率測試結(jié)果見表1。

表1 不同液體吸水樹脂吸水倍率測試結(jié)果Table 1 Test results of water absorbency of different liquid absorbent resins

由表1 可知，吸水樹脂在不同液體介質(zhì)中的吸水倍率差別很大，吸水倍率最大的液體介質(zhì)為蒸餾水最小的為膨脹水泥漿濾液。吸水倍率的差異是由液體介質(zhì)中的離子種類及離子數(shù)量決定的，離子數(shù)量越多，吸水樹脂內(nèi)外滲透壓越小，吸水倍率也就越小。吸水樹脂在不同液體介質(zhì)中的吸水倍率依次為：蒸餾水＞自來水＞生理鹽水＞普通水泥漿濾液＞膨脹水泥漿濾液。

3.2 吸水速率測定

吸水樹脂的吸水速率是吸水性能的基本指標(biāo)之一[11]，吸水速率越快，膨脹時間越短，越有利于快速止?jié){。實驗所采用的液體介質(zhì)為蒸餾水、自來水、生理鹽水、普通硅酸鹽水泥漿濾液、膨脹水泥漿濾液。

首先選用透水性好的紗布袋作為載體，首先將紗布袋放入待測液體中，充分浸泡1 h 后取出，待表面液體不外流時，稱取其質(zhì)量。將各濕潤的布袋中放入吸水樹脂0.2 g 左右，量取1 000 mL 待測液體置于玻璃杯中，將布袋置于裝有待測液體的玻璃杯中，并開始計時。

在剛開始的0～2 min 內(nèi)每隔30 s 將紗布袋提起1 次，控水10 s 后，記錄其質(zhì)量。在3～6 min 內(nèi)，每隔60 s 將紗布袋提起1 次，控水10 s 后，記錄質(zhì)量。在6～15 min 內(nèi)，每隔3 min 將紗布袋提起1次，控水10 s 后記錄質(zhì)量。在15 min 后每隔5 min提起紗布袋1 次，待連續(xù)2 次測定質(zhì)量差小于0.5 g時停止測量，按照上述方法對吸水樹脂的吸水速率進(jìn)行實驗，不同液體介質(zhì)中吸水樹脂吸水速率測試統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 不同液體介質(zhì)中吸水樹脂吸水速率測試統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Statistical results of water absorption rate of absorbent resin in different liquid media

以每次測定的吸水樹脂的質(zhì)量為縱坐標(biāo)，與其對應(yīng)的時間為橫坐標(biāo)畫圖，將各測點連接，得到累計吸水質(zhì)量變化曲線，其各點的斜率為該點的吸水速率。還有一種表示方式是按照在規(guī)定時間點上吸水倍率與極限吸水倍率的比值的大小來衡量吸水樹脂的吸水速率的。吸水樹脂吸水速率曲線圖如圖1。

圖1 吸水樹脂吸水速率曲線圖Fig.1 Water absorption rate curves of absorbent resin

由圖1 可知，吸水樹脂吸水5 min 時，蒸餾水吸水倍率為670 g/g，達(dá)到了極限膨脹率的68.3%；自來水吸水倍率為660 g/g，達(dá)到了極限膨脹率的56.09%；生理鹽水吸水倍率為57，達(dá)到了極限膨脹率的73.08%；普通水泥漿濾液吸水倍率為46 g/g，達(dá)到了極限膨脹率的70.77%；膨脹水泥漿濾液吸水倍率為42 g/g，達(dá)到了極限膨脹率的68.85%，按照樹脂達(dá)到自身極限膨脹率的速度比較，生理鹽水基液中在前5 min 中內(nèi)吸水速率最快，吸水5 min 后，各種漿液中的吸收倍率均已達(dá)到其極限吸水倍率的50%以上。

吸水樹脂吸水10 min 時，蒸餾水基液中樹脂吸水倍率為930 g/g，達(dá)到了極限膨脹率的94.80%；自來水基液中樹脂吸水倍率為410 g/g，達(dá)到了極限膨脹率的90.29%；生理鹽水基液中樹脂吸水倍率為67 g/g，達(dá)到了極限膨脹率的85.9%；普通水泥漿濾液基液中樹脂吸水倍率為52 g/g，達(dá)到了極限膨脹率的80.00%；膨脹水泥漿濾液基液中樹脂吸水倍率為49 g/g，達(dá)到了極限膨脹率的80.33%，按照達(dá)到漿液自身極限膨脹率的速度比較，蒸餾水在前10 min 中內(nèi)吸水速率最快，吸水10 min 后，各種漿液的吸收倍率均已達(dá)到其極限吸水倍率的80%以上。

3.3 保水能力測定

將裝有充分吸水后的吸水樹脂放入玻璃杯中，使其在室溫下失水每隔一段時間稱重1 次,記為Wt，用失水率R 作為衡量保水能力的指標(biāo)[12]。R 計算公式如下：

準(zhǔn)確稱取0.5 g 樹脂置于1 000 mL 燒杯中，加入1 000 mL 待測液體，待樹脂吸水飽和后，用60 目網(wǎng)篩將游離的水濾去，并在篩網(wǎng)上靜置10 min，然后稱取凝膠500 g，置于常溫常壓下，于不同時間稱重，實驗選用自來水和水泥漿2 種漿液進(jìn)行對比，吸水樹脂的保水率曲線如圖2，保水率實驗進(jìn)行13 d后，自來水保水率為77%，水泥漿保水率為74%，自來水略高于水泥漿，2 種漿液在前5 d 失水均較快，保水率分別為85%、83%。

由實驗可以看出，吸水樹脂隨著時間的推移，將不斷丟失水分，其不能像其他止?jié){塞一樣一直保持密封狀態(tài)，其只能起到臨時密封水泥漿的作用。為了盡可能的保障止?jié){塞的密封性，應(yīng)加大止?jié){塞中吸水樹脂的用量，使得吸水樹脂處于欠飽和狀態(tài)，吸水樹脂的吸水飽和度應(yīng)在80%以下，此時樹脂的失水速率將會相應(yīng)減緩。

圖2 吸水樹脂的保水率曲線Fig.2 Curves of water holding capacity of absorbent resin

4 吸水樹脂對水泥漿凝結(jié)效果及抗壓強度的影響

4.1 吸水樹脂對水泥漿凝結(jié)效果的影響

為測試在吸水樹脂影響下的水泥漿性能的改變，調(diào)配不同水灰比的水泥漿進(jìn)行吸水實驗，水灰比為1∶1、1∶1.2、1∶1.5 3 種比例，水泥漿裝在1 個直徑為90 mm 的塑料管中，水泥管高1 000 mm，將攪拌好的水泥漿倒入管內(nèi)，水泥漿的高度為900 mm，將裝有吸水樹脂的布袋置于水泥漿上進(jìn)行接觸，在5、10、20 min 3 個時間節(jié)點，觀測與吸水樹脂接觸的水泥漿變化情況，觀察發(fā)現(xiàn)吸水樹脂與水泥漿接觸面上泥漿迅速失水，形成1 層干水泥隔層，阻止水泥中的水分繼續(xù)向吸水樹脂移動，使得吸水速率變慢。

水灰比1∶1 漿液中，吸水2 min 后，干水泥隔層厚2 mm，吸水5 min 后，干水泥隔層厚4.5 mm，吸水10 min 后，干水泥隔層厚度為7 mm，吸水20 min后，干水泥隔層厚度為10 mm，吸水30 min 后，干水泥隔層厚度為12 mm。

水灰比1∶1.2 漿液中，吸水2 min 后，干水泥隔層厚度為4.5 mm，吸水5 min 后，干水泥隔層厚度為6.5 mm，吸水10 min 后，干水泥隔層厚8 mm，吸水20 min 后，干水泥隔層厚11 mm，吸水30 min后，干水泥隔層厚度為13 mm。

水灰比1∶1.5 漿液中，吸水2 min 后，干水泥隔層厚度為6 mm，吸水5 min 后，干水泥隔層厚度為8 mm，吸水10 min 后，干水泥隔層厚度為10 mm，吸水20 min 后，干水泥隔層厚13 mm，吸水30 min后，干水泥隔層厚度為15 mm。

由實驗可知，水泥漿的水灰比越大，與吸水樹脂接觸的干水泥隔層形成速度越慢，但干水泥隔層的厚度在12～15 mm 之間，干水泥隔層的存在，阻礙了水分向吸水樹脂的轉(zhuǎn)移。

4.2 吸水樹脂對水泥抗壓強度的影響

為驗證吸水樹脂對水泥強度的影響，設(shè)計了不同水灰比情況下與吸水樹脂接觸的水泥試件的3 d抗壓強度實驗，由于干水泥隔層厚度較小，單獨制成標(biāo)準(zhǔn)的干水泥隔層壓力試件較為困難，因此將自然條件下與吸水樹脂接觸的水泥柱分割成5 份，根據(jù)距離吸水樹脂的遠(yuǎn)近，試件依次命名為：試件1～試件5，水泥試件直徑為90 mm，長度為100 mm，利用水泥壓力實驗機，以（2 400±200）N/s 的速度，勻速的加載直至試件破壞。觀測距吸水樹脂不同距離的水泥試件的3 d 抗壓強度變化情況，因為測試所采用的試件尺寸并非標(biāo)準(zhǔn)尺寸，因此只做相對強度的對比分析，水泥試件3 d 抗壓強度統(tǒng)計見表3。

表3 水泥試件3 d 抗壓強度統(tǒng)計Table 3 Compressive strength of cement specimens in 3 days MPa

由表3 可以看出，無論水灰比為多少，試件1 的抗壓強度均小于其他試件，而試件2～試件5 的抗壓強度變化不大，因此說明無論水泥的水灰比為多少，其抗壓強度受吸水樹脂的影響強度均較大，但影響范圍有限，遠(yuǎn)離吸水樹脂段的水泥抗壓強度不受影響。因此吸水樹脂作為鉆孔注漿的堵頭會降低與其接觸的水泥強度，但影響范圍在100 mm 左右。

5 結(jié) 論

1）吸水樹脂在不同液體介質(zhì)中的吸水倍率依次為：蒸餾水＞自來水＞生理鹽水＞普通水泥漿濾液＞膨脹水泥漿濾液。

2）在前5 min 內(nèi)生理鹽水的吸水速率最快，吸水5 min 后各種漿液的吸收倍率均已達(dá)到其極限吸水倍率的50%以上，在前10 min 內(nèi)蒸餾水吸水速率最快，吸水10 min 后，各種漿液的吸收倍率均已達(dá)到其極限吸水倍率的80%以上。

3）失水13 d 后，自來水保水率為77%，水泥漿保水率為74%。

4）水泥漿的水灰比越大，與吸水樹脂接觸的干水泥隔層形成速度越慢，干水泥隔層的厚度為12～15 mm 左右，干水泥隔層的存在，阻礙了水分向吸水樹脂的進(jìn)一步轉(zhuǎn)移。

5）吸水樹脂作為鉆孔注漿的堵頭會大幅降低與其接觸的水泥抗壓強度，影響范圍在100 mm 左右。