瓦斯抽采二次膨胀封孔材料膨胀机理及应用研究*

王志明，孙玉宁，宋维宾，王永龙

(1. 河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454002；2.河南理工大学 深井瓦斯抽采与围岩控制国家地方联合工程实验室，河南 焦作 454000)

0 引言

瓦斯抽采是煤矿灾害防治、资源开发和保护环境的重要技术手段[1]。封孔质量差会直接导致外部空气在抽采负压作用下漏入钻孔，进而降低抽采浓度。影响封孔质量的因素包括地质条件、封孔深度、封孔段长度、采矿扰动及封孔材料性能等[2]。通过数值模拟及现场测试可优化封孔深度和封孔段长度[3]，但即便上述封孔参数均达到最优，在地应力作用下，钻孔周围裂隙仍然发育，进而导致钻孔漏气。

为降低因裂隙发育引起的钻孔漏气，周福宝等[4]提出了“二次封孔技术”；孙玉宁等[5]开发了三囊袋封堵器及 “封-堵一体化”技术；翟成等[6]开发了1种柔性膏体材料。上述研究均通过将材料注入钻孔周边裂隙，以减少钻孔漏气，进而大幅改善瓦斯抽采效果。然而，目前并未提出在钻孔初次密封时减少或抑制裂隙发育的相关技术。目前水泥基封孔材料应用较多，而该材料几乎不能对钻孔提供支护。水泥基材料密封的钻孔预抽一段时间后，其周围裂隙发育，漏气严重[7]。王志明等[8]通过建立钻孔力学模型研究钻孔漏气，发现封孔材料对孔壁的支护作用可抑制裂隙发育，降低漏气圈截面积，进而抑制漏气。

为了通过初次封孔来抑制裂隙发育，开发1种用于封孔的二次膨胀材料(DE)；利用自制的膨胀力测试装置、X射线衍射(XRD)及扫描电镜(SEM)分析DE材料和水泥基材料的膨胀力及微观结构，并探讨DE材料的膨胀机制；最后通过工业性试验，考察了DE材料的工程应用效果。

1 材料和方法

1.1 原材料

试验原材料有：焦作中晶水泥厂的普通硅酸盐水泥(OPC)和丹阳矿粉厂的矿粉(MP)、固相膨胀剂(SA)、膨润土(Na-B)、减水剂(WA)及铝粉(AP)。SA为生石灰、无水石膏、铝酸盐水泥按比例磨制而成，其余为市售。表1列出了部分原料的化学组成。

表1 原料的化学组成

按照标准《混凝土外加剂匀质性试验方法》(GB/T 8077-2012 )、《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346-2011)和《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671-1999)，DE材料基本性能见表2。现场施工要求DE浆液15 min内的流动度大于220 mm，强度大于4 MPa。据此，DE的最佳配比为：m(OPC)∶m(MP)∶m(SA)∶m(Na-B)∶m(WA)∶m(AP)= 8∶9∶2.2∶0.6∶0.1∶0.1，水灰比0.8∶1。水泥基材料以OPC，Na-B，WA及AP为原料，最佳质量比1∶0.03∶0.02∶0.002，水灰比为0.6∶1[7]。

表2 DE材料流动度、凝结时间及强度特性Table 2 Properties of fluidity, setting time and strength for the DE material

图1为2种材料的自由膨胀率，在铝粉的发泡作用下，2种材料在水化初期均迅速膨胀。水泥基材料的自由膨胀率于20 h达到最大值10.6%，此后不再升高；此时，DE材料自由膨胀率为9.7%，但DE材料固化后的膨胀率持续增大，表明DE材料发生了后期膨胀。

图1 材料的自由膨胀率Fig.1 Curves of free swelling ratio of materials over time

1.2 试验方法

1.2.1 膨胀力测试

为测试材料的膨胀力，笔者研制了图2所示的膨胀力测试装置，由圆筒、底座(厚20 mm)、盖板(厚20 mm)及螺栓(直径7 mm)构成。沿圆筒壁切向均匀粘贴3个应变片，通过应变仪监测应变值，求其平均值ε，则作用于圆筒壁的膨胀力为[9]：

(1)

式中：p为膨胀力，MPa；E为圆筒材料的弹性模量，MPa；v为泊松比；r0为圆筒内径，mm；δ是圆筒壁厚，mm。试验在25℃恒温下进行，采用4种不同壁厚的圆筒来约束材料，对材料施加不同的约束刚度。定义对材料的约束刚度(S)为圆筒的切向拉伸刚度，试验中所采用的圆筒壁厚分别为3，4，5和6 mm，其对应的的S值分别为61.8，82.4，103和123.6 MPa·m2。

1.圆筒； 2.底座； 3.盖板； 4.螺栓；5.应变片；6.应变仪。图2 膨胀力测试装置Fig.2 Swelling pressure test device

1.2.2 微观结构表征

1)试样制作

按水灰比分别将DE、水泥基材料和水拌合，倒入圆筒，振动、抹平，随后用螺栓固定盖板与底座，制作水化时间分别为1，7和14 d的试样。将试样破碎成10 mm以下的小块，无水乙醇浸泡48 h后45℃下烘干。

2)XRD及SEM分析

将试样碎块研磨至200目以上，采用X射线衍射仪(D8 Advance，Bruker)进行物相检测(Cu靶，Ka辐射，管电压40 kV，管电流40 mA，扫描范围：2θ=5°～70°，扫描步长0.02°)。采用FEI Quanta 250 FEG-SEM场发射扫描电镜，在放大3 000倍条件下观察块状试样的表面结构及形貌。

2 结果与讨论

2.1 DE材料膨胀力特性

图3为不同约束条件下材料的膨胀力-时间曲线。相比水泥基材料，DE材料膨胀力较高，并具有显著的时间效应。S为82.4 MPa·m2时，水泥基材料的膨胀力小于0.05 MPa，而DE材料水化20 h的膨胀力为0.108 MPa，100 h时为1.421 MPa，240 h时为1.982 MPa。S分别为61.8，103和123.6 MPa·m2时，DE材料的膨胀力随时间依旧表现为：水化初期膨胀力快速升高，而后升高趋势减缓，最后逐渐达到最大值(MSP)。但是从试验结果可以看出，随着约束刚度的增大，材料膨胀力达到最大值的时间降低。

图3 不同约束条件下材料的膨胀力-时间关系Fig.3 Cureves of swelling pressure varying over time under different constraint conditions

为描述DE材料膨胀力的时间效应，引入式(2)对试验数据进行拟合，拟合参数见表3。拟合曲线与4组试验数据之间的相关系数均大于0.90，表明式(2)可以较准确地描述DE材料膨胀力的时间效应。同时，由表3可以看出，MSP随S值的增大而增大。由于硬煤层钻孔较软煤层钻孔对DE材料提供更大的约束刚度，则DE材料在硬煤层钻孔中产生的膨胀力要大于软煤层钻孔。

(2)

式中：MSP为膨胀力最大值，MPa；a，b为拟合参数；T为时间，h。

表3 拟合参数Table 3 Fitting parameters

2.2 XRD分析结果

图4为2种材料的XRD衍射图。图4(a)为水泥基材料的XRD谱，水泥基材料的水化产物有：钙矾石(AFt)、Ca(OH)2(CH)、单硫型水化硫铝酸钙(AFm)。CH特征峰分别为0.492 37，0.254 75及0.192 94 nm，AFt的特征峰分别为0.973 61，0.385 46及0.271 87 nm，AFm的特征峰为0.449 99 nm。通过2θ= 29°～31°之间的弥散峰可确定无定型C-S-H凝胶。由不同水化时期的XRD谱可看出，随水化进行水泥基材料中C-S-H凝胶的衍射峰并未发生明显的变化，表明水泥基材料中C-S-H凝胶比较稳定。另外， AFt的衍射峰高度随材料水化降低，而AFm特征峰增强，这是由于石膏含量不足时，生成的AFt相与C3A水化产物C4AH13反应生成AFm相及CH[10]，这也可以解释图4(a)中CH衍射峰的略微升高。

图4 XRD衍射图Fig.4 XRD patterns of materials

图4(b)为DE材料的XRD谱。相比水泥基材料，DE材料水化1 d时，生成了大量AFt。水化7 d时，AFt衍射强度显著增大，而水化14 d时AFt的衍射峰较7 d略微增强，说明DE材料固化后AFt的含量逐渐增多，但是水化7 d后的增幅减弱。DE材料的产物CH(特征峰分别为：0.494 41，0.262 40和0.192 21 nm)衍射峰随龄期略微增强。通过2θ= 48°～50°之间的弥散峰可以观察到C-S-H凝胶，但是随着水化进行C-S-H衍射峰小幅衰减。

2.3 SEM分析结果

水泥基和DE材料分别水化1，7和14 d的微观形貌如图5所示。水泥基材料水化1 d时生成了层状CH、絮状C-S-H凝胶及少量针状AFt。随水泥基材料水化，AFt尺寸变小；水化7 d时，仅在缝隙中观察到细小的针状AFt。而在水化14 d的图像中，几乎没有针状AFt，这与水泥基材料的XRD结果一致。相比水泥基材料，DE材料水化1 d时，在C-S-H凝胶边缘生成了较多的针状AFt，并朝向孔隙。水化7 d时，AFt数量增多，且针状的AFt晶体穿插于CH与C-S-H之间。水化14 d时， AFt由针状晶体转变为柱状晶体。根据XRD结果，AFt在14d的衍射峰高度较7 d时并未大幅增强，这说明水化14 d后并没有大量新的AFt晶体生成，从SEM结果可以推断AFt晶体发生了延迟膨胀。此外，通过SEM分析，发现DE材料断口表面的孔隙随龄期减少，后期膨胀并未引起DE材料产生裂隙，因此DE材料的密封性不会因后期膨胀而削减。

2.4 后期膨胀机制探讨

(3)

图5 材料的SEM形貌Fig.5 The micrographs of the materials

3 工程应用效果分析

3.1 试验概况

为验证DE材料的实际应用效果，在陕西黄陵二矿进行工业性试验，并与水泥基材料进行对比分析。试验地点选在207工作面，试验区域煤层倾角4°～7°，最大埋深413 m，瓦斯含量6.75～14.52 m3·t-1，瓦斯压力0.29～1.51 MPa，煤岩渗透率为6.7×10-17～3.6×10-16m2，坚固性系数为0.85～0.94。布置试验钻孔2组各20个，孔间距3 m，钻孔设计长度150 m，倾角3°～7°。所有钻孔采均用囊袋式注浆封孔器，封孔深度16 m。A组钻孔采用DE材料密封，B组钻孔采用水泥基材料密封。试验位置及钻孔布置如图6所示。钻孔密封后并入抽采管路，在负压-15 kPa条件下预抽，记录预抽50 d的孔口浓度及瓦斯纯流量。

图6 试验位置及钻孔布置Fig.6 Test location and layout of testing boreholes

3.2 结果对比

图7 工业性试验结果Fig.7 Industrial test results

图7(a)为瓦斯浓度-时间曲线，图7(b)为瓦斯纯流量-时间曲线。预抽初期，A，B 2组的瓦斯抽采浓度及纯流量无显著差异。第5天起，B组钻孔瓦斯浓度开始大幅下降，最终降至3.9%，50 d内平均瓦斯浓度为17.5%。而A组钻孔浓度要明显高于B组钻孔，其瓦斯浓度30%～48%(平均浓度39%)。此外，B组钻孔瓦斯纯流量衰减较快，在预抽8 d时，瓦斯纯流量便降低至初始值的一半。瓦斯预抽50 d内，A组钻孔的瓦斯纯流量平均值为2.34 m3·min-1，而B组仅为0.90 m3·min-1。

工业试验结果表明：水泥基材料及DE材料密封的钻孔初期漏气量均比较小；但随抽采持续，水泥基材料密封的钻孔漏气逐渐增大，而DE材料密封的钻孔在抽采后期的漏气较少。尽管如此，DE材料密封的钻孔仍有漏气，且瓦斯浓度及纯量有进一步降低的趋势，DE材料封孔只能暂时抑制而不能彻底消除钻孔漏气。当瓦斯浓度及纯量低于一定值时，应及时对钻孔裂隙进行二次封堵，以改善抽采效果。

4 结论

1)相比水泥基封孔材料，DE材料具有显著的膨胀力；该膨胀力表现出先快速增大，然后逐渐趋于稳定的时间效应，通过非线性拟合，得到了这一特性的数学表达式；此外，DE材料的膨胀力随着约束刚度的增大而升高。

2)通过微观结构表征发现，水化1 d时，DE材料生成的AFt数量较水泥基材料多。在水化7 d以前，AFt数量不断增多，水化7 d后AFt数量基本不变，但是发生延迟膨胀。可以推断AFt的形成及延迟膨胀是引起材料后期膨胀的主要因素。

3)工业应用效果表明，相比水泥基材料，DE材料可以有效缓解钻孔漏气，提高瓦斯抽采浓度及纯量。