煤壁防渗堵漏材料及其性能研究

2020-06-08秦跃平曹子豪程昌昊

煤矿安全 2020年5期

秦跃平，曹子豪，葛勇，程昌昊，杜港

（中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京100083）

煤矿瓦斯抽放是保障煤矿生产安全，防止瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出灾害的重要措施，也是矿井瓦斯利用的主要途径[1-2]。目前，我国煤矿总体煤层气抽采效果不佳[3]。矿井瓦斯抽采率低不只是因为我国煤层普遍具有变质程度高、渗透率低和含气饱和度低的特点[4]，还有一个重要原因是现有封孔技术落后，封孔效果不佳，大量外部空气通过煤壁孔隙、裂隙混入煤体内与瓦斯混合。目前，封孔技术主要通过向钻孔内部注入密封材料实现钻孔封堵[5]。因此提出了一种方法，即寻找一种合适的溶液材料，将其喷涂在封闭巷道壁面，使其在煤壁表面形成一层致密的薄膜，阻止气体的流通，防止空气渗入煤层。这样，瓦斯抽采过程中，空气混入量大大减少，同时降低了管道的压力损失，使钻孔内瓦斯的负压更大，达到提高瓦斯抽取率的目的[6-9]。为此查阅了多种可能符合要求的薄膜材料，包括水性超薄型钢结构防火涂料[10]、聚合物水泥类防水涂料[11]、聚氨酯防水涂料[12]和丙烯酸喷膜防水材料[13]；结合现实条件，选取了丙烯酸硅改性聚合物防水涂料和JS09 聚合物防水涂料作为实验研究对象，研究了溶液材料喷涂成膜以后的强度、延展性等性质。

1 实验材料

考虑到在矿井下实际的应用，薄膜材料应为水基溶液材料，无毒无害，易于喷涂，有较大的抗拉强度，有较好的延展性，有优良的气密性，对煤壁有较强的附着性，在井下复杂的环境中保持物理性质和化学结构的稳定。同时也必须考虑到在生产中的各种问题，这种薄膜材料应当易于喷涂施工且价格低廉易于购买和存储，具备矿井下大规模施工的条件。

结合工程中的实际应用以及现有实验条件，决定从已经投入实际生产和工程应用的多种防水材料中选取各方面性质较为优越的防水材料进行实验。目前，地下结构工程防水材料分为刚性防水材料和柔性防水材料，其中水泥基防水材料属于刚性防水材料，防水涂料和防水卷材属于柔性防水材料[14]。初步筛选材料的基本性能见表1。

表1 初步筛选材料的基本性能Table 1 Basic properties of preliminary screening materials

喷涂聚脲弹性体，喷涂速凝橡胶沥青防水涂料和丙烯酸盐喷膜防水材料对喷涂设备要求比较高，氟碳涂料有毒性。最终综合考虑技术、价格以及材料在实际工程应用中的具体性能表现，选取属于柔性材料的丙烯酸硅改性聚合物防水涂料和属于刚性材料的JS09 聚合物防水材料作为实验材料，对其进行性能研究。

2 薄膜的延展性实验

2.1 实验环境及实验仪器

实验采用的拉力仪是WH-5000 单柱拉力测试仪，高精度力量传感器，力量精度在0.3%以上（一般可达到0.02% FS），拉伸空间900 mm。容量分段：全程不分档，无极调速。动力系统：三相异步电机+滚珠丝杆＋光杆直线轴承＋同步带传动。控制系统：采用外部控制方式使控制更精准，速度控制范围0.01～500 mm/min。具有快速粗调与慢速微调功能。测试后自动储存、可设定自动返回。测试空间：测试宽度约400 m，联板行走空间900 mm。大变形两点延伸计：解析度1/100，准确度±1 mm。安全装置：过载紧急停机装置、上下行程限定装置、自动断点停机功能。实验前打开空调使室内温度达到恒定的23 ℃。

2.2 试样制备

1）丙烯酸硅改性聚合物防水薄膜试样制备。丙烯酸硅改性聚合物在常温常压下呈乳白色胶状。取适量材料并搅拌均匀，装入喷枪储液罐中。取1 张宣纸作为基面，平铺于水平桌面。随后打开喷枪电源，将聚合物均匀喷涂在宣纸表面，根据需求确定喷涂次数，待喷涂完成后将宣纸和上面的薄膜小心放置在适宜温度且干燥通风的环境中，等待其自然风干（大约12 h）。薄膜完全风干后，首先检查薄膜的完整性，如有破损则重新制膜，如完好无损则用自来水冲洗掉薄膜表面的宣纸，并在室温下晾干，这样就得到了一张丙烯酸硅改性聚合物防水薄膜。

2）JS09 聚合物防水薄膜试样制备。JS09 聚合物防水涂料的原料，包括固体粉状原料和液体原料，根据需求按照相应的固液配比将2 种原料充分混合并搅拌10 min，待混合物得以充分搅拌并达到均一稳定后，取一张纸平铺于水平桌面上，用毛刷充分蘸取混合物，将其多次平涂于报纸上，保证成膜均匀平整。平涂完成后，将所成薄膜置于常温干燥通风的环境下待其自然风干（约12 h）。完全风干后，检查薄膜的完整性，看其是否有破损，如有破损则重新制膜，如完好无损则得到一张JS09 聚合物防水薄膜。

2.3 实验原理

拉伸实验是材料力学实验中最常见最重要的方法之一。

实验中采取单轴拉伸方式在常温的条件下进行，实验速度根据国家标准可定为100 mm/min。在此条件下通过对薄膜试样的纵轴方向施加拉伸载荷，使试样产生变形直至材料破坏。设薄膜所受的外力为F，且横截面上力是分布不均的。因此，可以使用单位面积受力σt来表示材料的整体受力情况：

式中：b 为试样宽度，mm；d 为试样厚度，mm。

除了测试材料受力情况外，还要数据化的分析材料的变形程度，实际中的变形程度可用应变εt表示：

式中：G0为试样原始标线间距离，mm；G 为试样拉伸时标线间距离，mm。

2.4 实验方法

1）将1 张厚度为0.9 mm 的丙烯酸硅改性聚合物薄膜分割为长150 mm、宽15 mm 的条状试件，共5份，标为A 组；将1 张厚度为0.7 mm 的丙烯酸硅改性聚合物薄膜分割为长150 mm、宽15 mm 的条状试件，共5 份，标为B 组；将1 张厚度为0.5 mm 的JS09 聚合物薄膜分割为长150 mm、宽15 mm 的条状试件，共5 份，标为C 组。

2）实验前调整好电子拉力机的相关参数，并输入所需试件物理参数。

3）用夹具夹持试样，保持试样处于夹具中心连线位置上，同时夹持力度要适当，不能因为夹持过紧导致试样受损坏，或夹持太松导致实验过程中试样脱落。

4）运行实验机，进行拉伸实验，并同时由电脑记录数据。

5）更换试件，重复实验过程。

2.5 实验数据及其处理

实验中，分别记录每个试样在拉伸时所受的最大拉力F，根据试样的横截面积S 计算出试样在拉伸时的抗拉强度Rm，再计算出最大形变1/2 时试样所受应力σh以对试样的力学性能有更清楚的认识，最后求出试样断裂时的断裂伸长率e。A 组、B 组、C 组试样的实验数据分别见表2～表4，A 组、B 组、C 组典型试样A2、B1、C2 应力-应变曲线分别如图1～图3。

2.6 实验结果

由图1～图3 可知，2 类材料的应力-应变曲线完全不同。丙烯酸硅改性聚合物防水薄膜非常接近于理想塑性，即当应力达到一定值后保持不变而应变持续增大。JS09 防水聚合物材料的应力应变关系与岩石等材料的非常相似，存在1 个明显的应力峰；在应力峰值之前，随应变的增大应力逐渐上呈“S”型曲线；达到在到应力峰值后，随应变的增大，应力下降。根据实验数据，比较丙烯酸硅改性聚合物防水薄膜和JS09 聚合物防水薄膜可以发现：前者的抗拉强度更小，总形变一半时所受应力也更小，且断裂伸长率远大于后者。同时，较厚的丙烯酸硅改性防水涂料薄膜延展性更强，在单轴拉伸条件下应力更小更不易断裂，在之后的实验和工程中应喷涂较厚的丙烯酸硅改性聚合物防水涂料。

表2 A 组试样实验数据Table 2 Experimental data of Group A samples

表3 B 组试样实验数据Table 3 Experimental data of Group B samples

表4 C 组试样实验数据Table 4 Experimental data of Group C samples

图1 A 组典型试样A2 应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curve of A2

图2 B 组典型试样B1 应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curve of B1

图3 C 组典型试样C2 应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curve of C2

丙烯酸硅改性聚合物防水薄膜的弹性模量更小，伸长率更大。因此，其延展性更好，能更好地适应煤壁表面的变形，保持其完整性，并不从煤壁上脱落。且成膜工艺简单方便，它比JS09 防水聚合物防水涂料更能适应井下大规模高效喷涂的施工工艺，更能适应井下由于瓦斯抽采产生的高负压对薄膜韧性的要求，因此选择丙烯酸硅改性聚合物防水涂料进行气密性研究，以确定其是否可成为进一步井下实验的理想材料。

3 薄膜的气密性实验

3.1 实验仪器及试样制备

实验采用了亚克力塑封成的真空压力容器，橡胶盖顶密封，规格为220 mm×160 mm×210 mm。在容器内为负压状态时，橡胶盖顶吸在容器壁，具备极好的气密性。

选取2 块质量约为3.6 kg，形状近似长方体的煤样。取其中1 块进行丙烯酸硅改性聚合物防水涂料喷涂，使煤样表面形成1 层致密的薄膜。

3.2 实验原理

井下钻孔瓦斯抽采过程中，煤壁内部气体压力较小，巷道内的气体也会沿裂隙渗入煤体。同理，由于煤样内部大量孔隙和裂隙的存在，当外界气压小于煤体内气体压力时，煤体内的气体会沿孔隙裂隙释放到外界。

实验将常温常压下保存的试样放入真空压力容器中，通过真空泵将压力容器中的相对压力抽至-0.098 MPa。常压下保存的煤样内部气体压力与当地大气压基本一致，煤样内部的气体会通过孔隙释放到容器中，使容器相对压力升高。若煤体表面喷涂形成一层气密性良好的致密薄膜，可阻止煤体内部与外界的气体流通，则真空压力容器的相对压力不会改变。

设置3 组实验，A 组为空白对照组，压力容器内不放置任何物品；B 组为条件对照组，压力容器内放置未喷涂薄膜的煤样；C 组为实验组，压力容器内放置喷涂了薄膜的煤样。

3.3 实验方法

1）检查真空容器气密性，检查进气阀、泄压阀和压力表未损坏。

2）将试样平稳放入容器中央。

3）盖好容器盖，打开进气阀，连接真空泵。

4）打开真空泵，待气压表示数为-0.098 MPa 时，关闭进气阀，关闭真空泵。

5）前16 h 每隔2 h 记录1 次气压，第24 h 时再记录1 次气压表示数。

6）打开泄压阀，待容器内压力与大气压平衡时，打开容器盖，更换试样，重复实验过程。

3.4 实验数据及结果

3 组实验分别在24 h 内记录10 组数据，将3组实验数据绘制成压力-时间图以直观验证薄膜的气密性，真空容器相对压力变化图如图4。

图4 真空容器相对压力变化图Fig.4 Relative pressure change graph of vacuum container

空白对照组A 组的相对压力在24 h 内无变化，说明容器气密性极好；条件对照组B 组的相对压力曲线在经过了前8 h 的缓慢上升后，在8～14 h 内急速上升，之后上升速度再次变缓，说明试样主要漏气集中在8～14 h；实验组C 组的相对压力在实验前4 h 内基本不上升，在之后基本为匀速缓慢上升，说明喷膜后漏气仍然存在，但漏气量大大减少。

由理想气体状态方程计算得出，24 h C 组试样漏气量仅为B 组试样的20.00%。喷涂了薄膜材料的C 组试样虽然无法完全阻止煤样内部与外界的气体流通，但相对没有喷涂薄膜材料的B 组试样，漏气量已经大大降低，堵漏效果良好。

漏气原因分析如下：由于煤样表面不平整，在喷涂过程中，凸起、棱角和凹陷处可能成膜较薄，甚至有微小破洞，造成漏气。在实际生产中，可以采用多次重复喷涂的方法以起到更好的效果。