瓦斯抽采钻孔柔性膏体封孔材料的研究

瓦斯抽采钻孔柔性膏体封孔材料的研究

作为煤矿的伴随植物，煤矿砖块是煤矿的主要灾害来源。中国煤矿高瓦块占50%70%。最有效的采矿和采矿处理措施是：通过钻探和提前开采顶板，满足采矿指标要求，消除顶板和采矿瓦尔伯茨灾害。瓦斯抽采钻孔由巷道向煤层施工,巷道和钻孔周围都有裂隙,同时受煤矿井下煤岩体采动应力场的影响,巷道和钻孔周围裂隙动态变化,钻孔封孔难度大,长期未能得到有效解决,直接造成抽采瓦斯含量低、效果差.我国约有65%的回采工作面预抽瓦斯体积分数低于30%,充分反映了抽采钻孔封孔质量差的现状.孔底抽采负压具有引流瓦斯和强制瓦斯解析的功效,封孔质量的高低直接关系到瓦斯抽采效果的好坏传统封孔材料主要为水泥砂浆和聚氨酯,水泥砂浆易收缩干裂,而聚氨酯遇水易软化收缩,渗透性差,很难渗入到钻孔周边微裂隙中,材料固化后无法再次封堵动态裂隙,仍会通过钻孔周围裂隙漏气.这两种封孔材料一旦封孔操作失败,钻孔就会报废,很难采取弥补性措施.此外,文献[6-7]还提出了黏液封孔方法,由于高瓦斯煤层地质构造复杂,钻孔周围常常存在较大的裂隙,黏液非常容易漏失,需要反复补液,而且把大量黏液封堵在钻孔内部本身就是一个棘手的难题.中国矿业大学煤矿瓦斯防治与利用研究所通过大量实验研究,针对传统固体材料封孔易漏气、液体封孔材料易漏失的缺点,提出了动态封堵裂隙的方法,开发了能适应钻孔变形、主动渗透的柔性膏体封孔材料.该材料以粉煤灰为基料,同时辅以保水剂、膨胀剂、纤维素、树脂、偶联剂和硅酸盐.材料浆液初期具有一定的流动性,注浆方便,材料浆液凝固后呈现膏体状,有一定的弹性,当抽采瓦斯含量降低时可以多次补注浆液,延长钻孔寿命;膨胀性好,膨胀后不易收缩,与钻孔孔壁结合紧密,材料成本低,对于煤矿井下瓦斯抽采钻孔封孔封堵具有很好的应用前景.本文重点从材料膨胀性能、黏度、微观结构和密封性能的角度,研究该柔性膏体材料封孔特性.1煤体应力状态.采场深度为7.瓦斯抽采钻孔处于煤矿井下开掘巷道后所形成的采动应力场中,可以近似看作半径很小的巷道.根据巷道间相互作用的影响,当相邻巷道断面不同时,随着两者半径之比增大与间距减小,大巷道对小巷道周边应力影响将愈来愈明显图1为掘进巷道工作面应力分布图,原始煤体处于应力平衡状态.受到巷道采掘影响后,应力平衡状态被打破.采场周围的应力大小和方向发生变化,在煤壁前方产生应力集中区.随着煤层钻孔钻进深度不同,煤体应力状态可以分为4个区域:Ⅰ为应力降低区;Ⅱ为峰后应力升高区;Ⅲ为峰前应力升高区;Ⅳ为原岩应力区由图1,2可以看出,巷道采掘活动打破了原有的平衡状态,围岩应力发生了重新分布.由于采空区域无法承载应力,邻近巷道的煤岩体应力降低,使得应力向深部转移,出现应力集中,主要变化特征表现为受封孔工艺和成本限制,瓦斯抽采钻孔封孔段一般处于应力降低区和峰后应力升高区,由于应力释放、转移及强卸载荷作用引起的煤岩体破碎,大范围开采对煤岩体形成反复扰动,使煤体经历多次变形和破坏过程,钻孔周围裂隙沟通后易形成漏气通道,封堵难度大.常规聚氨酯、水泥砂浆等固体封孔材料一旦凝固后无法再次封堵动态裂隙.因此,能适应钻孔变形、主动渗透的柔性封孔材料是理想选择.2封孔材料配方依据对瓦斯抽采钻孔微裂隙进行密封的要求,结合粉煤灰和聚合物的优点,设计开发的柔性膏体材料应遵循以下原则:1)封孔材料凝固后呈柔性膏体状,整体致密,耐老化性,抗干裂性强;2)封孔材料具有一定的膨胀性,用于密封钻孔周边的微裂隙;3)封孔材料以粉煤灰为主,应用聚合物对粉煤灰进行改性;4)封孔材料井下使用方便,操作配比技术难度低;5)封孔材料各原料均为日常化工材料,来源广泛;6)用于改性的聚合物无毒.封孔材料主要原料为粉煤灰,配以保水剂、膨胀剂、纤维素、树脂、偶联剂和硅酸盐,粉煤灰是封孔材料的主要基料;偶联剂用于改善合成树脂与无机填充剂或增强材料的界面性能的一种塑料添加剂,其用量一般为0.5%~2%.偶联剂一般由亲无机基团和亲有机基团组成,亲无机基团可与无机填充剂或增强材料作用,亲有机基团可与合成树脂作用;膨胀剂是一种化学外加剂,加在粉煤灰中,当混合材料凝结胶化时,随之体积膨胀,起补偿收缩和张拉预应力以及充分填充粉煤灰间隙的作用;纤维素可以起到保持水分、黏接和增稠作用,减少柔性膏体材料浆液中的水分向煤壁的渗透流失;树脂分子结构中含有活泼的环氧基团,使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成具有三向网状结构的高聚物.材料吸水饱和后形成稳定的桥链结构,形成稳定的絮凝的凝胶状态,并向凝胶体系内引入硅酸盐,生成网状结构的带支链的硅氧长链,所形成的网状结构与上述凝胶体系具有协同作用,使得体系的凝胶强度增大根据瓦斯抽采钻孔封孔材料的强度、膨胀性、密封性等性能要求,经过正交试验、井下注浆封孔试验、抽采效果反复对比,最终确定了柔性膏体材料的成分组成,制备柔性膏体材料所需各组分的质量比为:m(粉煤灰)∶m(膨胀剂)∶m(保水剂)∶m(树脂)∶m(纤维素)∶m(偶联剂)∶m(硅酸盐)=1∶0.01∶0.2∶0.06∶0.04∶0.02∶0.01,材料与水的质量比为1∶5,混合后生成的膏体材料如图3所示.3材料的密封性能3.1料水质量比对柔性膏体增强黏度的影响由于注浆封孔材料的特殊性,其对流动度及可注性的要求很高,用漏斗黏度和表观黏度方法对不同配比的浆液进行测试对比,粉体材料与水搅拌均匀5min后测试其黏度.漏斗黏度是以一定规格的漏斗,流出一定体积(500mL)的泥浆所经历的时间(s)来衡量黏度的大小,它是一种相对黏度.漏斗黏度测试采用1006型泥浆黏度计测量、电子秤、量筒、一次性塑料杯、搅拌机、500mL量杯若干.柔性膏体浆液的黏度是由1006型野外标准黏度计中流出500mL的浆液所需的时间来表示(单位为s).表观黏度是柔性膏体浆液内所有颗粒的内摩擦力的总和.表观黏度测试采用NDJ-8S型数显黏度计测试(单位为mPa·s).NDJ-8S型数显黏度计是智能化的液体黏度测量仪器,在计算机控制下,自动完成液体黏度的测量工作,结果由显示屏输出.不同料水比膏体材料的漏斗黏度和表观黏度变化趋势如图4所示.由图4可以看出,柔性膏体浆液的漏斗黏度值随着料水质量比的增大而增大,料水质量比为1∶20时,漏斗黏度为19s,料水质量比为1∶18时,漏斗黏度为22s,此后随着料水质量比的增大,漏斗黏度也缓慢增加;当料水质量比为1∶10时,漏斗黏度迅速升高到167s,增幅明显变大;当料水质量比为1∶5时,漏斗黏度可达到320s,浆液能够缓慢流动,具有可注性;当料水质量比为1∶3时,漏斗黏度可达到608s,浆液可注性差.同样,柔性膏体的表观黏度值也随着水料质量比的增大而增大,料水质量比为1∶20时,表观黏度为65mPa·s,此后随着料水比的增大,表观黏度逐渐增大,当料水质量比为1∶10时,表观黏度为1071mPa·s,浆液具有较好的流动性和可注性;其后,表观黏度随料水比增加呈现跳跃式增大,当料水质量比为1∶3时,表观黏度可达到4268mPa·s,浆液可注性很差.上述试验可以看出,柔性膏体浆液是一种非牛顿流体,柔性膏体浆液的漏斗黏度和表观黏度都随着料水质量比的增大而增大,料水质量比1∶5以下的稳定浆液具有工程可注性,料水质量比1∶3以上浆液流动性差,可注性差.工程上一般要求浆液在可泵期内具有较好的流动性,所以料水质量比1∶5以下的浆液物理性能较优,料水质量比1∶3以上的浆液只能用于特殊要求的工程中3.2膨胀稳定时间试验封孔材料膨胀性能的方案为:取封孔材料按料水质量比1∶4配比共500mL放入可测容量为1000mL的量杯中,记录下初始体积V由表1可见,柔性膏体材料在2h后体积开始膨胀,3h后体积由原来的500mL增长为505mL,4h后增长为511mL,此后体积继续缓慢膨胀,8h后体积稳定为525mL.柔性膏体材料在2~4h内膨胀速度较快,药剂反应速度较为剧烈,5h后膨胀速度逐渐变慢,混合材料浆液逐渐变稠,形成稳定的絮凝的凝胶状态,最终的膨胀系数为0.05.柔性膏体材料满足膨胀稳定时间短,膨胀后不收缩变形,保证了注浆后材料能够向钻孔周围裂隙渗透,有效封堵微小裂隙.3.3种材料与孔壁的结合、渗透特征试验材料的微观结构可以精确了解封孔材料在反应过程中细观形态(结构组合、裂隙充填等),本文采用中国矿业大学现代分析与计算中心FEIQuanta试验采取以下步骤:1)往直径300mm塑料桶中心插入直径为75mm的塑料管,将煤粉倒入塑料桶与塑料管之间的空隙,倒入同时用锤子捣压煤粉,保证煤体致密,倒满塑料桶后,将塑料管旋转几圈后取出,制成模拟钻孔,依次完成3个模拟钻孔,分别编号为A,B,C;2)向A钻孔中注入混合好的水泥浆,向B钻孔中注入聚氨酯混合液,向C钻孔中注入柔性膏体材料浆液;3)3个试样放在同样的环境下1周,待A,B,C钻孔中的材料浆液凝结后,径向剖开A,B,C钻孔,采用环境扫描电子显微镜分别观察3种材料与孔壁的结合、渗透情况.图5为A,B,C3个钻孔剖开后的材料宏观形态.由图5a可见,凝固后的水泥柱体周围黏附有薄薄一层的煤体颗粒,黏附层厚度约1~3mm,黏附层外面煤体颗粒保持原有状态,基本没有水泥浆液渗入,说明水泥浆液渗透性较差,无法渗入钻孔周围裂隙;由图5b可见,聚氨酯材料膨胀性强,但是聚氨酯只是表面黏附一层煤体颗粒,材料渗透性极差;由图5c可见,柔性膏体材料保持膏体状态,钻孔壁面2cm内可以见到渗入的膏体材料,与煤壁黏接为一体,可以有效封堵钻孔周围裂隙.图6为A,B,C3个钻孔剖开后的材料微观结构.图6a是水泥浆液完全凝固后放大400倍的图片,可见水泥凝固后整体结构致密,表面有结晶体颗粒,没有连通的孔洞;图6b是聚氨酯材料完全反应后放大100倍的图片,可以看出,聚氨酯完全反应后,内部为蜂窝多孔状结构,内部孔隙较大,形成腔体阵列,腔体直径为700~1000μm,相邻的腔体之间有孔洞沟通,整体气密性不好;图6c是柔性膏体材料完全凝结后放大400倍的图片,柔性膏体材料整体结构致密,没有连通的孔洞,可有效防止材料凝固后漏气.图7是聚氨酯和柔性膏体材料完全反应后与钻孔周围煤壁的渗透结合放大图片.由图7a可见,水泥浆液凝固后与孔壁结合处存在裂隙,煤壁表面的煤粉被黏接到水泥上,形成一层黏接层,黏接层与钻孔孔壁之间容易产生裂开的缝隙,两者容易分离,结合面渗透性较差.由图7b可见,聚氨酯与孔壁结合处存在明显的空隙,聚氨酯膨胀后只能粘接钻孔壁面较小的煤体颗粒,渗透性差,结合面很不稳定.在瓦斯抽采过程中,由于钻孔内的负压作用,巷道中的空气很容易通过钻孔封孔段微小孔隙被抽到钻孔内,降低了抽采瓦斯的含量,很大程度上影响抽采效果.由图7c可见,柔性膏体材料在孔壁处与煤样结合稳定性较强,在孔壁处,与煤体结合密实,结合处不存在空白区域,形成为一体.柔性膏体浆液在凝结初期比聚氨酯和水泥浆有着更强的渗透力,有效阻隔了瓦斯抽采过程中钻孔内的瓦斯以及巷道内的空气通过钻孔周围裂隙圈泄漏与渗入途径.由于柔性膏体材料能够长时间保持柔性状态,材料能够渗透入钻孔周围由于采动影响新产生的裂隙内,起到二次封堵的效果,而聚氨酯材料和水泥无此优点.3.4实验材料密封性能的测试方法为:取内径为75mm、长度为3m的PVC硬管,前端测压室长为0.5m,其余2.5m管子两端用胶囊封堵,胶囊充气膨胀后向胶囊之间的注浆段管路分别注入3种封孔材料,待封孔材料凝固5h后,将胶囊中的气体放出,胶囊收缩,与管壁之间留有微小空隙.为了防止负压过大膏体封孔材料被抽出来,在注浆段两端加上棉纱布阻隔胶囊与管壁之间的空隙,同时其他两种材料试验时也采取同样棉纱阻挡,保证了实验条件的统一性.测压室初始压力为0.1MPa,用真空泵抽气,观察最大可达到的负压,当负压达到最大后关闭抽气管上的阀门,记录真空表压力的回升过程,气密性越好的封孔材料抽气可达到的负压越大,压力回升的速度越慢.试验采用柔性膏体材料、水泥浆和聚氨酯3种封孔材料进行了对比试验,每组实验测试5次,记录每分钟的负压表压力值.图8为测试材料密封性能装置实物图.图9为3种材料密闭时气室的负压与时间的关系曲线.其中水泥密闭气室的实验室最大平均负压为76kPa,关闭抽气阀41min后气压还原为初始值,负压衰减速度较慢.聚氨酯密闭气室的实验室最大平均负压为46kPa,关闭抽气阀15min后气压还原为初始值,整个过程中曲线的斜率较大,负压衰减的速度非常快,说明在密封段长度相同时,聚氨酯的密封效果比柔性膏体材料密封效果差.柔性膏体材料密闭气室的实验室最大平均负压为92kPa,关闭抽气阀93min后气压还原为