鉆孔CF新型密封材料的孔隙結構特性研究*

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鉆孔CF新型密封材料的孔隙結構特性研究*

張超1，2，李樹剛1，2，張天軍1，2，林海飛1，2，楊會軍1，2

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安710054；2.教育部 西部礦井開采及災害防治重點實驗室,陜西 西安 710054)

摘要：為了改善瓦斯抽采鉆孔的封孔效果，研究了瓦斯抽采鉆孔普通水泥密封材料、CF新型密封材料的孔隙結構特性。實驗模擬了煤礦井下鉆孔封孔過程，綜合采用壓汞法和二氧化碳氣體吸附法對普通水泥注漿后的煤樣和CF新型密封材料注漿后的煤樣孔隙結構進行對比分析。結果表明：CF新型密封材料相比普通水泥材料有著較好的滲透力，可以有效的消除鉆孔封孔段周圍微觀裂隙和孔洞，提高封孔段的穩定性；經過注漿之后，普通水泥材料注漿的煤樣和CF新型密封材料注漿的煤樣平均孔徑分別為9，8.6 nm，孔隙率分別為4.428 1%，3.775 6%.

關鍵詞：孔隙結構特性；密封性能；普通水泥密封材料；新型密封材料

0引言

鉆孔抽采是煤礦瓦斯治理的基礎技術手段，廣泛應用于瓦斯抽采[1-2]、參數測試[3]、煤層注水[4]、煤層增透[5]等各個方面。一般而言，鉆孔成孔后都要求對鉆孔進行密封，鉆孔密封是保持孔底負壓或正壓的關鍵因素，而封孔質量的好壞直接影響各類鉆孔作用的發揮。

目前，我國約有2/3的瓦斯抽采礦井封孔長度短而且密封質量差[6-7]。約有65%的回采工作面預抽瓦斯濃度低于30%[8]，瓦斯壓力測定鉆孔中測壓成功率一般低于50%[9]。

礦井瓦斯抽采過程中，密封材料的性能影響了鉆孔周圍裂隙的封堵效果[5]，若材料易于滲漏或粘結性較差，則會由于鉆孔漏水漏氣而無法達到瓦斯抽采的效果[10]。因此，研究鉆孔密封材料的微觀特性及其對密封性能的影響作用對瓦斯抽采工作具有十分重要的意義。

目前我國大多數煤礦現場采用的鉆孔密封材料主要是普通水泥類材料，但是對于普通水泥封孔材料的微觀特性以及其對密封性能的影響卻沒有進行進一步研究，造成企業在現場密封工作中選擇密封材料的盲目性，不僅費料費力費時間，而且達不到煤礦對瓦斯抽采的要求。鑒于此，結合普通水泥本身具有高強度和高密度的特點，設計研制了CF新型密封材料。CF新型密封材料具有初凝時間適當、材料易向鉆孔內部裂隙滲透、膨脹率和穩定膨脹時間易調節、高強度、反應溫度低、材料配比容易、原料均為常見建筑和化工材料以及材料無毒無害等優點。與此同時，文中分別選用普通水泥材料、CF新型密封材料實驗模擬了鉆孔密封過程，綜合采用壓汞法和二氧化碳氣體吸附法對普通水泥注漿后的煤樣和CF新型密封材料注漿后的煤樣孔隙結構進行對比分析。為煤礦現場瓦斯抽采過程中鉆孔密封材料的選擇提供了理論指導。

1實驗設計及方法

1.1　實驗模型

實驗采用剛性容器裝煤，試驗裝置是內邊長均為500 mm的立方體，擬采用26 mm的鋼板加工而成。容器上部中心開有50 mm的注漿孔，與壓水式手動注漿泵相連。注漿管一端封閉，側面開有網眼，模擬實際封孔時的徑向滲透。開始注漿前應首先將管路中的空氣排放干凈。實驗模型如圖1所示。

圖1　相似模擬鉆孔密封裝置Fig.1　Similarity simulation of borehole sealing device

1.2　實驗方法及實驗步驟

為了研究新型密封材料的孔隙結構情況，考察其對鉆孔密封性能的影響，本實驗模擬了煤礦井下鉆孔封孔過程。由于實驗環境的限制，實驗將煤粉通過一定的方法制成煤樣，以便進行注漿。煤樣取自潞安集團常村礦53采區。

實驗步驟如下

1)取A，B 2組煤樣，A樣進行普通水泥材料注漿，B樣進行CF新型密封材料注漿；

2)待試驗煤塊中注漿材料漿液凝固后，分別徑向切開A，B樣的模擬鉆孔，分別取A，B樣中相同位置處直徑為1 cm的煤塊；

3)對制取的A，B煤樣進行壓汞法和二氧化碳氣體吸附法。

2CF新型密封材料與普通水泥材料注漿后煤體孔隙結構變化情況

目前，對于煤的孔隙特征研究較常見的方法是利用壓汞法、核磁共振和氣體吸附法等來測定煤體孔隙大小。由于壓汞法測孔半徑范圍為3.75～750 nm，根據IUPAC孔徑分類法，無法測量煤中的微孔結構[11]。因此，本節綜合采用壓汞法和二氧化碳氣體吸附法對潞安集團常村煤礦53采區的煤樣進行孔隙測定。

由前述試驗知，A試驗為普通水泥材料注漿煤樣，B試驗為CF新型密封材料注漿煤樣。

2.1　實驗數據

壓汞實驗所得的數據見表1，2，由于數據繁多，這里僅列出部分數據。

其中，普通水泥材料注漿后煤樣壓汞數據見表1.

表1　A組煤樣壓汞實驗數據(部分)

CF新型密封材料注漿后煤樣壓汞數據見表2.

表2　B組煤樣壓汞實驗數據(部分)

CO2等溫吸附實驗數據見表3，4.由于數據繁多，這里僅列出部分數據。

其中，普通水泥材料注漿后煤樣CO2吸附數據見表3.

CF新型密封材料注漿后煤樣CO2吸附數據見表4.

2.2　孔徑分布圖

根據壓汞實驗和CO2吸附實驗數據分別作出煤體微孔、中孔及大孔的孔徑分布圖，如圖2，3所示。

表3　A組煤樣CO2吸附實驗數據(部分)

表4　B組煤樣CO2吸附實驗數據(部分)

圖2　煤體中孔、大孔孔徑分布圖Fig.2　Macropore and mesopore sizedistribution of coal sample(R>3.75 nm)(a)A組煤樣　(b)B組煤樣

圖3　煤體微孔孔徑分布圖Fig.3　Micropore size distribution ofcoal sample(R<3.75 nm)(a)A組煤樣　(b)B組煤樣

由圖2和圖3可知，無論是采用普通水泥材料注漿后的煤樣和還是采用CF新型密封材料注漿后的煤樣，中孔的數量明顯多于大孔數量，煤樣中的微孔數量要遠多于中孔和大孔的數量。為了更加直觀地定量對比處理前后煤樣孔隙結構的變化情況，對壓汞實驗和CO2吸附實驗數據進行統計分析，見表5.

表5　煤體孔徑數據分析表

從表5可以發現，無論是普通水泥材料注漿煤樣還是CF新型密封注漿煤樣，其微孔數量遠大于中孔或大孔的數量。微孔所占孔隙結構的比例為52%，比例最大，中孔比例在35%左右，大孔所占比例最小，僅為13%左右。這是由于煤體抗壓強度小，在承壓狀態下較大的孔隙結構和裂隙基本閉合。

CF新型密封材料注漿處理的煤樣相比普通水泥材料注漿的煤樣，無論是總進汞量、CO2吸附量或是總孔面積都小。其中，微孔體積普通水泥材料注漿的煤樣為0.042 mL/g，CF新型密封材料注漿的煤樣為0.034 mL/g，相應中孔體積分別為0.027，0.023 mL/g，大孔體積分別為 0.011 5，0.008 5 mL/g，煤樣的平均孔徑分別為9，8.6 nm，孔隙率分別為4.428 1%，3.775 6%.

因此，CF新型密封材料相比普通水泥材料有著較好的滲透力，可以克服鉆孔封孔段周圍裂隙區內瓦斯壓力等各種阻力的作用，逐漸滲透到鉆孔封孔段周圍裂隙內，可以有效的消除鉆孔封孔段周圍微觀裂隙和孔洞，切斷了鉆孔內的瓦斯以及巷道內的空氣向封孔段周圍裂隙和孔洞滲透的通道，提高鉆孔密封效果。

3結論

1)無論是普通水泥材料注漿煤樣還是CF新型密封材料注漿煤樣，其微孔數量遠大于中孔或大孔的數量。微孔所占孔隙結構的比例為52%，比例最大，中孔比例在35%左右，大孔所占比例最小，僅為13%左右；

2)對2種材料注漿后的煤樣進行了壓汞實驗和二氧化碳吸附實驗，考察煤體孔隙結構的變化，經過對比分析，微孔體積普通水泥材料注漿的煤樣為0.042 mL/g，CF新型密封材料注漿的煤樣為0.034 mL/g，相應中孔體積分別為0.027，0.023 mL/g，大孔體積分別為 0.011 5，0.008 5 mL/g，煤樣的平均孔徑分別為9，8.6 nm，孔隙率分別為4.428 1%，3.775 6%.因此，CF新型密封技術整體性能優于普通水泥密封材料。

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Pore structure characteristics of CF new type of sealing material for borehole

ZHANG Chao1，2，LI Shu-gang1，2，ZHANG Tian-jun1，2，LIN Hai-fei1，2，YANG Hui-jun1，2

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China;

2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China)

Abstract：To improve the sealing effects on horizontal gas drainage borehole，the pore structure characteristics of ordinary cement and CF new type of sealing material for borehole are studied.Based on sealing process in the underground coal mine simulated by experiment，the pore structure of coal samples after grouting for ordinary cement and CF new type of sealing material are compared by means of mercury intrusion method and CO2gas adsorption method.The results show that the CF new type of sealing material has a better permeability than ordinary cement，which can effectively eliminate fractures around boreholes and improve the stability of sealing segment.After grouting，the average pore diameter of coal samples for ordinary cement and CF new type of sealing material are 9 and 8.6 nm，respectively，and the porosity of the two are 4.428 1% and 3.775 6%，respectively.

Key words：pore structure characteristics；sealing performance；ordinary cement；new type of sealing material

中圖分類號：TB 302.1

文獻標志碼：A

通訊作者：張超(1986-)，男，山西長治人，講師，E-mail：83399527@qq.com

基金項目：國家自然科學基金科學儀器基礎研究專款(51327007)；國家自然科學基金(51504189，51174158)；陜西省青年科技新星項目(2014KJXX69)；西安科技大學培育基金(2014058)

收稿日期：*2015-09-14責任編輯：高佳

文章編號：1672-9315(2016)01-0070-05

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0112