瓦斯抽采二次膨脹封孔材料膨脹機理及應用研究*

王志明，孫玉寧，宋維賓，王永龍

(1. 河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454002；2.河南理工大學 深井瓦斯抽采與圍巖控制國家地方聯合工程實驗室，河南 焦作 454000)

0 引言

瓦斯抽采是煤礦災害防治、資源開發和保護環境的重要技術手段[1]。封孔質量差會直接導致外部空氣在抽采負壓作用下漏入鉆孔，進而降低抽采濃度。影響封孔質量的因素包括地質條件、封孔深度、封孔段長度、采礦擾動及封孔材料性能等[2]。通過數值模擬及現場測試可優化封孔深度和封孔段長度[3]，但即便上述封孔參數均達到最優，在地應力作用下，鉆孔周圍裂隙仍然發育，進而導致鉆孔漏氣。

為降低因裂隙發育引起的鉆孔漏氣，周福寶等[4]提出了“二次封孔技術”；孫玉寧等[5]開發了三囊袋封堵器及 “封-堵一體化”技術；翟成等[6]開發了1種柔性膏體材料。上述研究均通過將材料注入鉆孔周邊裂隙，以減少鉆孔漏氣，進而大幅改善瓦斯抽采效果。然而，目前并未提出在鉆孔初次密封時減少或抑制裂隙發育的相關技術。目前水泥基封孔材料應用較多，而該材料幾乎不能對鉆孔提供支護。水泥基材料密封的鉆孔預抽一段時間后，其周圍裂隙發育，漏氣嚴重[7]。王志明等[8]通過建立鉆孔力學模型研究鉆孔漏氣，發現封孔材料對孔壁的支護作用可抑制裂隙發育，降低漏氣圈截面積，進而抑制漏氣。

為了通過初次封孔來抑制裂隙發育，開發1種用于封孔的二次膨脹材料(DE)；利用自制的膨脹力測試裝置、X射線衍射(XRD)及掃描電鏡(SEM)分析DE材料和水泥基材料的膨脹力及微觀結構，并探討DE材料的膨脹機制；最后通過工業性試驗，考察了DE材料的工程應用效果。

1 材料和方法

1.1 原材料

試驗原材料有：焦作中晶水泥廠的普通硅酸鹽水泥(OPC)和丹陽礦粉廠的礦粉(MP)、固相膨脹劑(SA)、膨潤土(Na-B)、減水劑(WA)及鋁粉(AP)。SA為生石灰、無水石膏、鋁酸鹽水泥按比例磨制而成，其余為市售。表1列出了部分原料的化學組成。

表1 原料的化學組成

按照標準《混凝土外加劑勻質性試驗方法》(GB/T 8077-2012 )、《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》(GB/T 1346-2011)和《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671-1999)，DE材料基本性能見表2。現場施工要求DE漿液15 min內的流動度大于220 mm，強度大于4 MPa。據此，DE的最佳配比為：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為原料，最佳質量比1∶0.03∶0.02∶0.002，水灰比為0.6∶1[7]。

表2 DE材料流動度、凝結時間及強度特性Table 2 Properties of fluidity, setting time and strength for the DE material

圖1為2種材料的自由膨脹率，在鋁粉的發泡作用下，2種材料在水化初期均迅速膨脹。水泥基材料的自由膨脹率于20 h達到最大值10.6%，此后不再升高；此時，DE材料自由膨脹率為9.7%，但DE材料固化后的膨脹率持續增大，表明DE材料發生了后期膨脹。

圖1 材料的自由膨脹率Fig.1 Curves of free swelling ratio of materials over time

1.2 試驗方法

1.2.1 膨脹力測試

為測試材料的膨脹力，筆者研制了圖2所示的膨脹力測試裝置，由圓筒、底座(厚20 mm)、蓋板(厚20 mm)及螺栓(直徑7 mm)構成。沿圓筒壁切向均勻粘貼3個應變片，通過應變儀監測應變值，求其平均值ε，則作用于圓筒壁的膨脹力為[9]：

(1)

式中：p為膨脹力，MPa；E為圓筒材料的彈性模量，MPa；v為泊松比；r0為圓筒內徑，mm；δ是圓筒壁厚，mm。試驗在25℃恒溫下進行，采用4種不同壁厚的圓筒來約束材料，對材料施加不同的約束剛度。定義對材料的約束剛度(S)為圓筒的切向拉伸剛度，試驗中所采用的圓筒壁厚分別為3，4，5和6 mm，其對應的的S值分別為61.8，82.4，103和123.6 MPa·m2。

1.圓筒； 2.底座； 3.蓋板； 4.螺栓；5.應變片；6.應變儀。圖2 膨脹力測試裝置Fig.2 Swelling pressure test device

1.2.2 微觀結構表征

1)試樣制作

按水灰比分別將DE、水泥基材料和水拌合，倒入圓筒，振動、抹平，隨后用螺栓固定蓋板與底座，制作水化時間分別為1，7和14 d的試樣。將試樣破碎成10 mm以下的小塊，無水乙醇浸泡48 h后45℃下烘干。

2)XRD及SEM分析

將試樣碎塊研磨至200目以上，采用X射線衍射儀(D8 Advance，Bruker)進行物相檢測(Cu靶，Ka輻射，管電壓40 kV，管電流40 mA，掃描范圍：2θ=5°～70°，掃描步長0.02°)。采用FEI Quanta 250 FEG-SEM場發射掃描電鏡，在放大3 000倍條件下觀察塊狀試樣的表面結構及形貌。

2 結果與討論

2.1 DE材料膨脹力特性

圖3為不同約束條件下材料的膨脹力-時間曲線。相比水泥基材料，DE材料膨脹力較高，并具有顯著的時間效應。S為82.4 MPa·m2時，水泥基材料的膨脹力小于0.05 MPa，而DE材料水化20 h的膨脹力為0.108 MPa，100 h時為1.421 MPa，240 h時為1.982 MPa。S分別為61.8，103和123.6 MPa·m2時，DE材料的膨脹力隨時間依舊表現為：水化初期膨脹力快速升高，而后升高趨勢減緩，最后逐漸達到最大值(MSP)。但是從試驗結果可以看出，隨著約束剛度的增大，材料膨脹力達到最大值的時間降低。

圖3 不同約束條件下材料的膨脹力-時間關系Fig.3 Cureves of swelling pressure varying over time under different constraint conditions

為描述DE材料膨脹力的時間效應，引入式(2)對試驗數據進行擬合，擬合參數見表3。擬合曲線與4組試驗數據之間的相關系數均大于0.90，表明式(2)可以較準確地描述DE材料膨脹力的時間效應。同時，由表3可以看出，MSP隨S值的增大而增大。由于硬煤層鉆孔較軟煤層鉆孔對DE材料提供更大的約束剛度，則DE材料在硬煤層鉆孔中產生的膨脹力要大于軟煤層鉆孔。

(2)

式中：MSP為膨脹力最大值，MPa；a，b為擬合參數；T為時間，h。

表3 擬合參數Table 3 Fitting parameters

2.2 XRD分析結果

圖4為2種材料的XRD衍射圖。圖4(a)為水泥基材料的XRD譜，水泥基材料的水化產物有：鈣礬石(AFt)、Ca(OH)2(CH)、單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)。CH特征峰分別為0.492 37，0.254 75及0.192 94 nm，AFt的特征峰分別為0.973 61，0.385 46及0.271 87 nm，AFm的特征峰為0.449 99 nm。通過2θ= 29°～31°之間的彌散峰可確定無定型C-S-H凝膠。由不同水化時期的XRD譜可看出，隨水化進行水泥基材料中C-S-H凝膠的衍射峰并未發生明顯的變化，表明水泥基材料中C-S-H凝膠比較穩定。另外， AFt的衍射峰高度隨材料水化降低，而AFm特征峰增強，這是由于石膏含量不足時，生成的AFt相與C3A水化產物C4AH13反應生成AFm相及CH[10]，這也可以解釋圖4(a)中CH衍射峰的略微升高。

圖4 XRD衍射圖Fig.4 XRD patterns of materials

圖4(b)為DE材料的XRD譜。相比水泥基材料，DE材料水化1 d時，生成了大量AFt。水化7 d時，AFt衍射強度顯著增大，而水化14 d時AFt的衍射峰較7 d略微增強，說明DE材料固化后AFt的含量逐漸增多，但是水化7 d后的增幅減弱。DE材料的產物CH(特征峰分別為：0.494 41，0.262 40和0.192 21 nm)衍射峰隨齡期略微增強。通過2θ= 48°～50°之間的彌散峰可以觀察到C-S-H凝膠，但是隨著水化進行C-S-H衍射峰小幅衰減。

2.3 SEM分析結果

水泥基和DE材料分別水化1，7和14 d的微觀形貌如圖5所示。水泥基材料水化1 d時生成了層狀CH、絮狀C-S-H凝膠及少量針狀AFt。隨水泥基材料水化，AFt尺寸變小；水化7 d時，僅在縫隙中觀察到細小的針狀AFt。而在水化14 d的圖像中，幾乎沒有針狀AFt，這與水泥基材料的XRD結果一致。相比水泥基材料，DE材料水化1 d時，在C-S-H凝膠邊緣生成了較多的針狀AFt，并朝向孔隙。水化7 d時，AFt數量增多，且針狀的AFt晶體穿插于CH與C-S-H之間。水化14 d時， AFt由針狀晶體轉變為柱狀晶體。根據XRD結果，AFt在14d的衍射峰高度較7 d時并未大幅增強，這說明水化14 d后并沒有大量新的AFt晶體生成，從SEM結果可以推斷AFt晶體發生了延遲膨脹。此外，通過SEM分析，發現DE材料斷口表面的孔隙隨齡期減少，后期膨脹并未引起DE材料產生裂隙，因此DE材料的密封性不會因后期膨脹而削減。

2.4 后期膨脹機制探討

(3)

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

3 工程應用效果分析

3.1 試驗概況

為驗證DE材料的實際應用效果，在陜西黃陵二礦進行工業性試驗，并與水泥基材料進行對比分析。試驗地點選在207工作面，試驗區域煤層傾角4°～7°，最大埋深413 m，瓦斯含量6.75～14.52 m3·t-1，瓦斯壓力0.29～1.51 MPa，煤巖滲透率為6.7×10-17～3.6×10-16m2，堅固性系數為0.85～0.94。布置試驗鉆孔2組各20個，孔間距3 m，鉆孔設計長度150 m，傾角3°～7°。所有鉆孔采均用囊袋式注漿封孔器，封孔深度16 m。A組鉆孔采用DE材料密封，B組鉆孔采用水泥基材料密封。試驗位置及鉆孔布置如圖6所示。鉆孔密封后并入抽采管路，在負壓-15 kPa條件下預抽，記錄預抽50 d的孔口濃度及瓦斯純流量。

圖6 試驗位置及鉆孔布置Fig.6 Test location and layout of testing boreholes

3.2 結果對比

圖7 工業性試驗結果Fig.7 Industrial test results

圖7(a)為瓦斯濃度-時間曲線，圖7(b)為瓦斯純流量-時間曲線。預抽初期，A，B 2組的瓦斯抽采濃度及純流量無顯著差異。第5天起，B組鉆孔瓦斯濃度開始大幅下降，最終降至3.9%，50 d內平均瓦斯濃度為17.5%。而A組鉆孔濃度要明顯高于B組鉆孔，其瓦斯濃度30%～48%(平均濃度39%)。此外，B組鉆孔瓦斯純流量衰減較快，在預抽8 d時，瓦斯純流量便降低至初始值的一半。瓦斯預抽50 d內，A組鉆孔的瓦斯純流量平均值為2.34 m3·min-1，而B組僅為0.90 m3·min-1。

工業試驗結果表明：水泥基材料及DE材料密封的鉆孔初期漏氣量均比較小；但隨抽采持續，水泥基材料密封的鉆孔漏氣逐漸增大，而DE材料密封的鉆孔在抽采后期的漏氣較少。盡管如此，DE材料密封的鉆孔仍有漏氣，且瓦斯濃度及純量有進一步降低的趨勢，DE材料封孔只能暫時抑制而不能徹底消除鉆孔漏氣。當瓦斯濃度及純量低于一定值時，應及時對鉆孔裂隙進行二次封堵，以改善抽采效果。

4 結論

1)相比水泥基封孔材料，DE材料具有顯著的膨脹力；該膨脹力表現出先快速增大，然后逐漸趨于穩定的時間效應，通過非線性擬合，得到了這一特性的數學表達式；此外，DE材料的膨脹力隨著約束剛度的增大而升高。

2)通過微觀結構表征發現，水化1 d時，DE材料生成的AFt數量較水泥基材料多。在水化7 d以前，AFt數量不斷增多，水化7 d后AFt數量基本不變，但是發生延遲膨脹。可以推斷AFt的形成及延遲膨脹是引起材料后期膨脹的主要因素。

3)工業應用效果表明，相比水泥基材料，DE材料可以有效緩解鉆孔漏氣，提高瓦斯抽采濃度及純量。