高水材料瓦斯封孔性能研究

李 強(qiáng) 王曉東 唐江波

（1.山西華陽集團(tuán)新能股份有限公司，山西 陽泉 045000；2.華陽新材料科技集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，山西 陽泉 045000；3.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)南莊煤炭有限公司西上莊煤礦，山西 陽泉 045000）

封孔注漿瓦斯抽采是降低煤層瓦斯含量，確保高瓦斯礦井安全開采的重要手段[1-2]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，我國煤礦有50%以上的煤礦瓦斯抽采濃度低于30%[3-4]，作為瓦斯抽采效果的主要影響因素，封孔材料與封孔工藝對瓦斯抽采效果有決定性作用[5-6]。針對上述問題，本文研究了不同水灰比、物料比條件下，高水材料作為封孔材料的強(qiáng)度、滲透性等性能，得到了不同影響因素對高水封孔材料性能的影響規(guī)律，豐富了封孔注漿瓦斯抽采技術(shù)的理論體系。

1 試驗(yàn)設(shè)計及材料分析

1.1 試驗(yàn)材料分析

試驗(yàn)選取的山西長治的高水材料，A 料顏色呈灰黑色，其主要成分由硫鋁酸鹽水泥熟料與緩凝劑等材料組成，主要起到膠結(jié)的作用；B 料顏色呈灰白色，其主要成分由石膏、生石灰、速凝劑等材料組成，主要起到堿激發(fā)催化的作用。A 料與B 料單配置漿液時無凝結(jié)、無離析，A 料與B 料等比混合后則會迅速凝結(jié)。

1.2 試驗(yàn)方案

為研究不同水灰比與材料配比對高水材料封孔性能的影響規(guī)律，試驗(yàn)采用單一變量法，探討該變量對材料性能的影響規(guī)律。

根據(jù)常規(guī)高水材料配比，基礎(chǔ)組設(shè)定為水:A料:B 料=3:1:1，以基礎(chǔ)組為對照組，編號為H1。本次試驗(yàn)共設(shè)計五個配比，根據(jù)影響因素的不同分為兩類，每一類因素分別設(shè)置三個水平試驗(yàn)，其中H1、H3、H5 用于研究不同水灰比對高水材料性能的影響，H2、H3、H4 用于研究物料比（A、B 料之比）對高水材料性能的影響。具體試驗(yàn)方案見表1。

表1 試驗(yàn)方案表

1.3 測試方法

根據(jù)影響高水材料封孔的主要技術(shù)指標(biāo)，測試了高水材料的初凝時間、單軸抗壓強(qiáng)度、滲透性，具體試驗(yàn)步驟如下：

（1）將A、B 料分別制成料漿，均勻混合并充分?jǐn)嚢?，將其裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的標(biāo)準(zhǔn)立方體模具中，將模具放在震動機(jī)上搖勻，用刮刀將試件刮平。另外取部分料漿以《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080-2016）試驗(yàn)要求為參照，采用維卡儀測試高水封孔材料的初凝時間。

（2）將裝好料漿的模具常溫下養(yǎng)護(hù)，料漿凝結(jié)后拆除模具，將制備好的標(biāo)準(zhǔn)試件放入SHBY-40B 數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件為：相對濕度95%，溫度（20±1 ）℃。

（3）采用WAW-1000D 電液伺服壓力機(jī)對材料進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測試，試驗(yàn)參照《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法 第12 部分：煤的堅固性系數(shù)測定方法》（GB-T23561.12-2010）為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，壓力機(jī)的加載速度設(shè)定為1 mm/s。

（4）高水封孔材料的滲透率參考MYS-1 型煤巖樣滲透率測試系統(tǒng)進(jìn)行測試。

2 測試結(jié)果分析

2.1 凝結(jié)時間測試結(jié)果

根據(jù)凝結(jié)時間的相關(guān)測試要求及步驟對不同試驗(yàn)配比的高水封孔材料的凝結(jié)時間進(jìn)行了測試，見表2。

（1）由圖1（a）可知，隨著水灰比的增大，高水材料的凝結(jié)時間逐漸增長，主要是因?yàn)槲锪系牧恳欢ǎ牧系男杷抗潭?，?dāng)水達(dá)到飽和時，材料內(nèi)部自由水的含量增加，揮發(fā)所需要的時間越長，從而凝結(jié)時間變長。

（2）由圖1（b）可知，隨著物料比的增大，材料的凝結(jié)時間逐漸縮短，說明A 料能夠快速與水反應(yīng)，吸收大量的水，主要原因?yàn)锳 料為水泥基材料，其中的鈣質(zhì)化物遇水迅速產(chǎn)生水化反應(yīng)，此過程消耗大量的水分，并形成針狀結(jié)晶。

（3）由表2 與圖1 可知，試驗(yàn)組材料的凝結(jié)時間范圍在5～21 min，說明材料的凝結(jié)性能較好，并且可以通過水灰比與物料比調(diào)節(jié)凝結(jié)時間，有利于現(xiàn)場的快速施工。

表2 凝結(jié)時間測試結(jié)果

圖1 凝結(jié)時間測試結(jié)果

2.2 單軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

根據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度的相關(guān)測試要求及步驟對不同試驗(yàn)配比的高水封孔材料的單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測試。

（1）由圖2（a）可知，材料在各齡期內(nèi)的單軸抗壓強(qiáng)度均隨水灰比的增大而減小。主要原因?yàn)樗冶仍龃?，漿體濃度降低，同體積內(nèi)材料生成的水化膠結(jié)產(chǎn)物減少，導(dǎo)致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)間的孔隙率增大，致使強(qiáng)度降低。

（2）由圖2（b）可知，各齡期內(nèi)材料的單軸抗壓強(qiáng)度均與物料比成正比。材料的強(qiáng)度由鈣化產(chǎn)物決定，A 料是產(chǎn)生鈣化物的主要成分，所以隨著物料比的增大，鈣化產(chǎn)物微觀的顆粒組成會更加致密，因此材料的強(qiáng)度會增大。

圖 2 單軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

（3）根據(jù)表3 和圖2 可得，高水材料的單軸抗壓強(qiáng)度均隨著時間增長先快速增長后緩慢增長。主要是因?yàn)殡S著時間的增長，材料內(nèi)部的水化產(chǎn)物逐漸穩(wěn)定，并且將材料內(nèi)部的孔隙逐漸填滿，所以材料的強(qiáng)度不斷增加，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間達(dá)到7 d 時，材料的水化反應(yīng)基本完成，故材料的強(qiáng)度基本穩(wěn)定。

表3 單軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

2.3 滲透性測試結(jié)果

根據(jù)滲透率的相關(guān)測試要求及步驟對不同試驗(yàn)配比的高水封孔材料的滲透性進(jìn)行了測試，見表4。

表4 滲透率測試結(jié)果

（1）由圖3（a）可知，隨著水灰比的增加，材料的滲透性逐漸變大。主要原因?yàn)椴牧吓c水反應(yīng)形成鈣化產(chǎn)物，鈣化產(chǎn)物呈現(xiàn)枝網(wǎng)狀、針狀分布，相互之間無序的交錯，水含量的增加導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)間的分布更加松散，空間間隙更大，從而導(dǎo)致滲透率會增大。

圖3 滲透率測試結(jié)果

（2）由圖3（b）可知，隨著物料比的增加，材料的滲透率逐漸降低。主要原因?yàn)锳 料是材料的主要骨料，其中含有大量的鈣化物，隨著A 料的增加，水化反應(yīng)后形成的鈣化產(chǎn)物增加，材料內(nèi)部的支柱、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會更加的密實(shí)，導(dǎo)致材料內(nèi)部的孔隙率降低，從而導(dǎo)致滲透性降低。

（3）當(dāng)前試驗(yàn)的配比下材料的滲透率范圍是0.042～0.091 m2/MPa2·d，而試驗(yàn)礦井煤的滲透率為0.095 7～0.169 2 m2/MPa2·d，由此可知當(dāng)前試驗(yàn)配比下高水材料滲透率較低，有較好的封孔效果。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案布置

試驗(yàn)在陽泉新景礦3218 輔助進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行，本煤層抽采鉆孔孔深120 m，孔間距1.5 m，孔徑為130 mm，鉆孔的封孔段為9～17 m，抽采負(fù)壓為13 kPa 以上。試驗(yàn)以10 個孔為一組，試驗(yàn)孔與對照組交替進(jìn)行。根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果及現(xiàn)場的具體施工情況，選取高水材料配比為2:1:1。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖4 綜合分析可知，對照孔的初始抽采濃度基本高于50%，對照孔的瓦斯抽采濃度大多數(shù)低于50%。隨著時間的增加，試驗(yàn)組與對照組的瓦斯抽采濃度均有所下降，但是對照組的瓦斯衰減幅度較大，且隨時間增加衰減越嚴(yán)重，說明高水材料封孔的時效性較好。

圖4 單組瓦斯抽采平均濃度對照圖

試驗(yàn)組的初始瓦斯抽采平均濃度處于60%左右，而對照組的初始平均瓦斯抽采濃度僅為45%，與傳統(tǒng)封孔相比，試驗(yàn)孔的瓦斯抽采效果較好，瓦斯抽采濃度提升15%，充分證明了高水材料封孔的優(yōu)勢與可行性。

表5 3218 輔助進(jìn)風(fēng)巷部分瓦斯抽采濃度對照表（單位：%）

4 結(jié)論

（1）高水材料凝結(jié)時間隨水灰比的增大而增長，隨物料比的增大而縮短，材料凝結(jié)時間范圍在5～21 min 之間；高水材料具有較高的強(qiáng)度，單軸抗壓強(qiáng)度隨水灰比的增大而降低，隨物料比的增大而增強(qiáng)，7 d 之后材料的強(qiáng)度基本不變；滲透率范圍是0.042～0.091 m2/MPa2·d，遠(yuǎn)低于煤層的滲透率，密封性能良好。

（2）經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)可知，試驗(yàn)孔的瓦斯抽采濃度隨時間變化較小，且較原封孔材料，瓦斯抽采濃度提升近1.5 倍，說明高水材料瓦斯封孔效果較好。