帶壓注漿鉆孔內(nèi)封孔材料力學(xué)性能特征

陳柯良,劉 謙,2,鄧 帆,丁嘉樂,陳水梅

(1.龍巖學(xué)院 資源工程學(xué)院,福建 龍巖 364012;2.礦產(chǎn)資源安全開采福建省高校重點實驗室,福建 龍巖 364012)

瓦斯事故是我國煤礦井下發(fā)生頻次最高的事故類型[1],預(yù)防瓦斯事故的根本舉措是進行瓦斯抽采[2-3]。井下抽采是我國煤礦瓦斯抽采的主要方式[4-6],其中鉆孔抽采是井下應(yīng)用最為廣泛的瓦斯抽采技術(shù)[7-8]。

在影響鉆孔瓦斯抽采效果的因素中,封孔質(zhì)量是最為關(guān)鍵的要素[9-11],而評價封孔質(zhì)量主要體現(xiàn)在兩個方面:封孔材料和封孔工藝。煤礦應(yīng)用的封孔材料主要包括水泥漿液[12]、聚氨酯[13]、柔性膏體材料[14]、封孔粘液[15]等。其中,水泥取材廣、價格便宜,因而得到了廣泛應(yīng)用,然而水泥凝固后會出現(xiàn)干燥收縮的現(xiàn)象。針對這一現(xiàn)象,廣大學(xué)者對水泥漿液進行了改良,通過添加保水劑、早強劑、膨脹劑、膨潤土、纖維素等添加劑來改善水泥的性能[16-18],以避免出現(xiàn)水泥干燥收縮的現(xiàn)象。但由于經(jīng)濟原因,煤礦依然選擇普通水泥進行封孔[12]。目前,煤礦井下的封孔工藝主要有“一次注漿”[19]、“兩次封孔”[20-21]、“兩堵一注”[22]、“分段注漿”[23]等,其中“兩堵一注”“分段注漿”屬于帶壓注漿封孔技術(shù)。帶壓注漿封孔技術(shù)的原理是,通過堵頭(如封孔膠囊)將鉆孔兩端密封,利用注漿泵向兩堵頭之間的封閉空間內(nèi)泵入具有一定壓力的封孔材料,在高壓作用下封孔材料進入鉆孔壁周圍的裂隙,進而可以有效地提高封孔效果。

在帶壓注漿封孔工藝中,封孔材料通過注漿泵送入鉆孔的有限空間[24-26],同時,漿液具有一定壓力和膨脹性,最終會形成受限空間內(nèi)的膨大固體。以往研究封孔材料力學(xué)性能時,材料試樣是在開放空間內(nèi)形成的,沒有考慮鉆孔對封孔材料的約束作用。本文利用搭建的帶壓注漿模擬實驗系統(tǒng),研究注漿壓力對水泥漿液力學(xué)性能的影響規(guī)律,以期為帶壓封孔工藝選擇合理的注漿壓力提供理論參考。

1 實驗部分

1.1 材料與試劑

在帶壓注漿模擬實驗中,選用安徽淮南海螺水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥作為封孔材料,實驗所用水泥技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 海螺牌水泥技術(shù)指標(biāo)

1.2 帶壓注漿模擬實驗系統(tǒng)

帶壓注漿模擬實驗系統(tǒng)用于模擬水泥漿液在鉆孔內(nèi)所處的高壓環(huán)境,實驗系統(tǒng)主要由高壓氮氣、減壓閥、壓力表、耐高壓試模構(gòu)成,高壓氮氣可以均勻地為水泥漿液提供壓力,氮氣具有安全性高、在水中溶解度低的優(yōu)點;耐高壓試模內(nèi)有便于拆卸的半圓形模具,模具外徑與試模內(nèi)徑相同,可以緊緊貼合在試模內(nèi)壁,兩個半圓形模具所構(gòu)成的內(nèi)徑為50 mm,這樣可以保證形成的水泥試樣直徑為50 mm。實驗系統(tǒng)的作用原理是這樣的:水泥漿液靜置在試模底部,試模頂部與高壓氮氣瓶相連,設(shè)置減壓閥的出口壓力可以控制水泥漿液上方的作用力,利用氮氣施加的壓力模擬水泥漿液所處的高壓環(huán)境,待水泥漿液凝固后,將試樣取出并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護,從而得到不同注漿壓力條件下的試樣。

1.3 實驗過程

向試模內(nèi)充入高壓氮氣,壓力為8 MPa,若24 h內(nèi)壓力穩(wěn)定不變,表明實驗系統(tǒng)的氣密性良好;否則對設(shè)備重新進行連接調(diào)試,直至實驗系統(tǒng)保持良好的氣密性。將水灰比為0.8的水泥漿液倒入注漿模擬實驗系統(tǒng)的半圓形模具內(nèi),利用高壓氮氣對水泥漿液施加壓力,注氣壓力依次設(shè)置為1、2、3、4、5 MPa,對應(yīng)模擬該壓力下的注漿壓力,同時將開放空間制備的試樣(0 MPa)作為對比試樣。注氣加壓24 h后,打開閥門排出試模內(nèi)的氮氣,利用脫模機將試樣取出。進而將試樣放入恒溫恒濕箱內(nèi)進行二次養(yǎng)護,養(yǎng)護時間為27 d,溫度20 ℃、濕度95%,達到養(yǎng)護齡期后試樣利用無水乙醇浸泡終止水化。根據(jù)實驗需求,對試樣進行切割加工,測試單軸抗壓強度的試樣尺寸為Ф50 mm×25 mm,測試抗拉強度的試樣尺寸為Ф50 mm×100 mm,其中抗壓強度測試試樣如圖2所示。利用巖石三軸試驗機測試水泥試樣的單軸抗壓強度,采用巴西劈裂法測試水泥試樣的抗拉強度,對不同注漿壓力條件下的水泥試樣進行掃描電鏡分析。

圖2 實驗樣品

2 結(jié)果及分析

2.1 單軸抗壓強度變化規(guī)律

不同注漿壓力條件制備的水泥試樣,利用壓力試驗機對其進行加載實驗,加載過程中試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3(a)所示。從圖3(b)中可以看出,在加載過程中水泥試樣出現(xiàn)了壓密階段、彈性階段、屈服階段以及破壞階段這四個階段。在壓密階段,不同注漿壓力試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線差異較小,壓密階段的終止應(yīng)變皆出現(xiàn)在0.8%附近,這也反映出水泥試樣具有微弱的可壓縮性,可以儲存部分彈性能。在彈性階段,隨著應(yīng)變的增加,應(yīng)力呈線性規(guī)律增大;隨著注漿壓力的增加,水泥試樣在彈性階段產(chǎn)生的應(yīng)變在減小,同時可以抵抗的應(yīng)力值增大。在屈服階段,隨著應(yīng)變的增加,應(yīng)力出現(xiàn)波動,增長值較小;隨著注漿壓力的增加,屈服階段產(chǎn)生的應(yīng)變在縮短,這表明注漿壓力使水泥的脆性增強,產(chǎn)生塑性變形的能力減弱。在破壞階段,應(yīng)力值隨著應(yīng)變的增加迅速降低,這表明水泥破壞后其殘余強度較低。

(a)不同注漿壓力試樣

彈性模量是反映水泥抵抗彈性變形能力的重要參數(shù)。根據(jù)壓力試驗機加載實驗獲得的實驗數(shù)據(jù),選取應(yīng)變?yōu)?.0%、1.3%對應(yīng)的應(yīng)力值計算水泥試樣的彈性模量。通過代數(shù)運算,獲得不同注漿壓力條件下水泥的彈性模量,其隨注漿壓力的變化規(guī)律如圖4所示。從圖中可以看出,隨著注漿壓力的增大,彈性模量成線性規(guī)律增大,這表明水泥抵抗彈性變形的能力隨著注漿壓力的增加而增強。彈性模量與注漿壓力的關(guān)系式如式(1)所示:

圖4 水泥彈性模量隨注漿壓力變化規(guī)律

E=1 046.60+556.75p。

(1)

式(1)中,E為水泥彈性模量,MPa;p為注漿壓力,MPa。

注漿壓力為1、2、3、4、5 MPa的單軸抗壓強度比0 MPa時分別提高30.84%、37.89%、57.55%、64.58%、66.44%,這表明注漿壓力可以顯著改善水泥的力學(xué)性能。水泥單軸抗壓強度隨著注漿壓力的變化規(guī)律如圖5所示。從圖中可以看出,隨著注漿壓力的增加,水泥試件的單軸抗壓強度逐漸增大,但增長幅度逐漸減小。這表明隨著注漿壓力的增大,水泥抗壓強度不是無限增加的,而是存在一個上限值。通過對抗壓強度變化規(guī)律進行數(shù)據(jù)擬合,得到抗壓強度隨注漿壓力的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)兩者成指數(shù)函數(shù)關(guān)系為

圖5 注漿壓力對水泥抗壓強度的影響規(guī)律

σc=20.29-8.75×0.66p。

(2)

式中,σc為水泥單軸抗壓強度,MPa。

通過式(2)可以發(fā)現(xiàn),水泥抗壓強度最終會趨于一個穩(wěn)定值,即20.29 MPa。當(dāng)注漿壓力為6 MPa時,水泥抗壓強度為19.56 MPa,是極限值的96.48%,該值已接近最終的穩(wěn)定值;當(dāng)注漿壓力為5 MPa時,水泥抗壓強度為19.21 MPa,是極限值的94.66%;當(dāng)注漿壓力為4 MPa時,水泥抗壓強度為18.65 MPa,是極限值的91.91%。注漿壓力越大,水泥試樣的力學(xué)性能越好,但這對注漿泵以及封孔質(zhì)量有了更高的要求,在考慮帶壓封孔成本以及注漿安全性的前提下,注漿壓力為4 MPa已是一個較為合理的值。

2.2 抗拉強度變化規(guī)律

通過巴西劈裂法獲得了不同注漿壓力條件下水泥試樣的抗拉強度值,結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出,隨著注漿壓力的增大,水泥抗拉強度呈現(xiàn)增大趨勢,但增大幅度逐漸減小,該變化規(guī)律與水泥抗壓強度的變化規(guī)律類似,這意味著水泥試樣的抗拉強度同樣存在一個極限值。通過數(shù)據(jù)擬合得到了抗拉強度隨注漿壓力的變化曲線,從中可以得出水泥試樣的極限抗拉強度為5.29 MPa,水泥抗拉強度與注漿壓力之間的函數(shù)關(guān)系為

圖6 注漿壓力對水泥抗拉強度的影響規(guī)律

σc=5.29-1.48×0.60p。

(3)

式中,σt為水泥抗拉強度,MPa。

2.3 抗折強度變化規(guī)律

試樣進行抗折強度測試需要采用標(biāo)準(zhǔn)棱柱試樣,試樣尺寸為160 mm×40 mm×40 mm,這種規(guī)格的試樣在該實驗條件下制備具有較高的難度。通過相關(guān)實驗,葉列平發(fā)現(xiàn)混凝土的抗折強度與單軸抗壓強度的相關(guān)換算關(guān)系式如式(3)所示[27],

σf=0.66σc1/2。

(3)

式中,σf為水泥抗折強度,MPa。

利用公式(3)可以計算不同注漿壓力條件下水泥的抗折強度,根據(jù)上述研究發(fā)現(xiàn)水泥單軸抗壓強度存在一個穩(wěn)定值,因此抗折強度同樣存在一個穩(wěn)定值。通過將抗壓強度的穩(wěn)定值帶入公式(3),可以得到水泥抗折強度的穩(wěn)定值為2.97 MPa。

2.4 注漿壓力對水泥力學(xué)性能影響機理分析

利用掃描電鏡對不同注漿壓力條件下的水泥試樣進行微觀觀測,掃描圖片結(jié)果如圖7所示。根據(jù)測試結(jié)果來看,注漿壓力為0 MPa時,水泥內(nèi)部存在較多的微裂隙和連通孔隙,且微觀表面較為粗糙;注漿壓力為1 MPa時,水泥內(nèi)部微裂隙和連通孔隙顯著減少,棱角減少;注漿壓力為2 MPa時,水泥內(nèi)部的微裂隙和連通孔隙進一步減少;隨著注漿壓力的增大,水泥樣品中的微裂隙、大孔逐漸消失,內(nèi)部平整度也越來越高。這表明沒有外界壓力作用下,水泥內(nèi)部會存在一定數(shù)量的微空隙,且是難以消除的。

(a)0 MPa

水泥孔隙比是影響水泥強度的重要因素,水泥內(nèi)部孔隙多,說明水泥的密實度低,水泥強度自然較小。根據(jù)獲得的掃描電鏡圖片,可以定性研究水泥內(nèi)部孔隙分布規(guī)律,借此可以分析注漿壓力對水泥力學(xué)性能的影響機理。水泥試樣制備過程中,利用氮氣加壓的方式模擬水泥漿壓所處的高壓環(huán)境。水泥漿液在高壓氮氣作用下,水泥顆粒受到外力的壓迫作用,顆粒間的距離被壓縮,使得水泥顆粒的排列變得更為緊密,密實度提高,致使水泥樣品的表面變得更為平整。致密的水泥顆粒排列可以加強顆粒間的相互作用力,水泥顆粒形成相互連接的有機整體,微觀的相互作用在宏觀上表現(xiàn)為水泥的力學(xué)性能變強,這也揭示了高注漿壓力條件下水泥的力學(xué)性能增大的原因。另一方面,水泥顆粒的間隙是有限的,這也說明了水泥漿液不能被無限制壓縮,當(dāng)漿液壓力達到一定值時,水泥顆粒就不能被壓縮了,水泥強度會存在一個穩(wěn)定的臨界值,這就揭示了水泥單軸抗壓強度、抗拉強度、抗折強度存在極限值的原因。

3 結(jié)論

通過高壓氮氣對水泥漿液施加壓力,模擬帶壓注漿工藝中鉆孔內(nèi)水泥漿液所處的高壓環(huán)境,進而獲得了不同注漿壓力條件下的水泥試樣,利用壓力試驗機對水泥試樣的力學(xué)性能進行測試,并通過掃描電鏡對水泥試樣的微觀結(jié)構(gòu)進行了定性分析,并獲得以下結(jié)論:

(1)搭建了帶壓注漿模擬實驗系統(tǒng),系統(tǒng)主要由高壓氮氣、減壓閥、壓力表、耐高壓試模構(gòu)成,利用氮氣在水中溶解度低的特點對水泥漿液施加壓力,真實還原水泥漿液所處的高壓環(huán)境,設(shè)計的半圓形模具可以方便制備直徑50 mm的水泥試樣。

(2)隨著注漿壓力的增大,水泥單軸抗壓強度、抗拉強度呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的規(guī)律,水泥抗壓強度、抗拉強度、抗折強度最終臨界值分別為20.29、5.29、2.97 MPa,水泥彈性模量與注漿壓力呈線性關(guān)系,在考慮帶壓封孔成本以及注漿安全性的前提下建議注漿壓力控制在4 MPa。

(3)隨著注漿壓力的增大,水泥內(nèi)部的微裂隙、大孔逐漸減小,內(nèi)部平整度越來越高;在高注漿壓力條件下,水泥顆粒間的距離被壓縮,密實度提高,加強了顆粒間的相互作用力,在宏觀上表現(xiàn)為水泥力學(xué)性能變強;水泥顆粒的間隙不能被無限制壓縮,致使水泥強度存在一個穩(wěn)定的臨界值。