帶壓注漿封孔用聚氨酯材料性能研究

趙建陽

（煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

長期以來有近70%的煤與瓦斯突出礦井瓦斯抽采濃度小于30%，且抽采瓦斯濃度衰減較快，其原因主要是煤層內瓦斯經過抽采后，鉆孔周邊煤體受力發生變化產生新的裂隙，致使鉆孔高濃度瓦斯抽采周期短，嚴重制約煤層瓦斯抽采效率。為解決這一問題，通常采用聚氨酯材料實施帶壓封孔，以提高鉆孔的密封性能[1-2]。相較于其他材料，聚氨酯具有膨脹系數高、發泡速度快、裂隙充填效果好、性價比高等顯著特點，利于井下環境施工中的快速封孔作業[3-5]。因此，在帶壓封孔中如何配比聚氨酯材料，選用合適的制配參數對提高封孔質量和抽采效果具有重要意義。

1 聚氨酯配比選定準備

1.1 聚氨酯發泡準備

帶壓注漿封孔用聚氨酯原料分為A 料和B 料，A料和B 料在注漿壓力作用下擠入煤層裂隙內，發泡后完全充填煤壁裂隙，可以起到較好的封孔效果。聚氨酯A 料的原料成分主要包括聚醚多元醇、發泡劑、催化劑、阻燃劑、泡沫穩定劑和去離子水等材料，為提高發泡物的力學性能會加入一定量的力學改善劑；聚氨酯B 料的原料成分主要是多亞甲基多苯基異氰酸酯。將A 料、B 料以1∶1 的質量比充分混合，制作出126.3、164.5、218.2 kg/m3等不同密度的聚氨酯發泡塊，用于進行發泡性能試驗。發泡塊成品如圖1 所示。

圖1 不同密度聚氨酯發泡塊成品

1.2 發泡塊性能試驗內容

為驗證在相同條件下不同密度發泡塊的性能，通過對比試驗進行性能分析，便于后續在實際生產中的選用定型，具體實驗內容如下：

1）利用QuantaTM250 掃描電子顯微鏡掃描不同密度聚氨酯發泡塊的表面孔結構，觀察其表面形態。

2）將三種密度的發泡塊按照長100 mm×寬100 mm×高50 mm 規格切割定型，使用TAW-2000型壓力測試機對三種發泡塊以2 mm/min 的速率進行緩慢壓縮，測試在10%相對變形條件下發泡塊的壓縮強度，為提高測試的準確性，每組發泡塊5 個試驗試樣，壓縮強度取平均值。

3）為模擬聚氨酯AB 料進入裂隙膨脹后對煤壁裂隙的壓力作用，采用壓力測試儀對不同發泡倍數的發泡塊產生的內壁擠壓應力值進行鑒定測試。

2 試驗內容鑒定與分析

2.1 表面結構

利用電子微鏡掃描不同密度聚氨酯發泡塊的表面孔結構，根據切片分析，密度為126.3 kg/m3的塊孔結構體積較大，孔間裂隙發育，排列疏松且形態不規則；密度為164.5 kg/m3的模塊相對前者具有更好的致密性，孔結構相對較小，表面孔分布均勻，形態規則；密度為218.2 kg/m3的塊孔結構體積較小，表面孔分布嚴密，孔間裂隙最少，致密性良好。發泡塊表面孔結構切片如圖2 所示。由此觀察結果分析，密度為218.2 kg/m3的發泡塊性能最好。

圖2 發泡塊表面孔結構切片

2.2 壓縮強度分析

根據發泡塊在2 mm/min 速率條件下產生壓縮變形，隨著塊不斷被壓緊實，壓縮強度不斷升高，根據實測數據繪制出圖3，由圖3 分析可得：壓縮強度與模塊變形量呈現正比線性關系，當壓縮量從0～2 mm時，密度為126.3 kg/m3的塊強度達到0.08 MPa，密度為164.5 kg/m3的塊強度達0.19 MPa，密度為218.2 kg/m3的塊強度達到0.22 MPa，在此階段中曲線關系變化較緩慢，主要因為塊初始形變過程，塊內部原有裂隙開始受力壓縮，具有一定的壓縮空間，產生彈性形變；繼續施加外力進一步壓縮后，壓縮強度隨之快速升高，在由2 mm 壓縮到5mm 的過程中，密度為126.3 kg/m3的塊強度達到0.64 MPa，密度為164.5 kg/m3的塊強度達0.95 MPa，密度為218.2 kg/m3的塊強度達到1.39 MPa。根據分析可知：發包塊密度密度越大，可壓縮空間越小，內部結構越緊密，壓縮強度越大，由此繪制出密度與壓縮強度的線性關系如圖4 所示。

圖3 壓縮強度與變形量關系曲線

圖4 壓縮強度與密度關系曲線

2.3 內壁擠壓應力鑒定

準備足量的聚氨酯A 料和B 料，以質量比1∶1制配126.3、164.5、218.2 kg/m3等試驗密度的發泡塊，分別注入相同規格尺寸為長100 mm×寬100 mm×深100 mm 的標準封閉容器內，注漿量采用公式（1）進行計算：

式中：Q 為注漿量，L；Φ 為冗余系數，取值1.4；α 為膨脹倍數，反應前后的注漿材料密度比值；V 為容器體積，取值1 L。

待充分攪拌均勻后，依次注入事先準備好的三個封閉容器內，然后封堵進料口，靜待漿液發生化學反應后自然膨脹，通過壓力測試儀的上觀察口可以詳細記錄隨著時間的延長，不同狀態下反應試劑對容器內壁產生的壓力變化，將記錄數據繪制成圖5 所示。

圖5 聚氨酯試劑對容器內壁壓力變化曲線

由圖5 可知：在初始反應的4 min 內試劑為充分膨脹，對容器內壁幾乎未產生壓力影響；在反應后的4～9 min 內，密度為126.3 kg/m3的容器內已經膨脹完全，對內壁壓力持續上升，從0.02 MPa 升高到0.13 MPa，然后壓力趨于穩定，不再隨時間延長產生壓力變化；密度為164.5 kg/m3的容器在第2 min 已經實現快速反應產生膨脹，此時內壁壓力達到0.03 MPa，此后直到第12 min 內壁壓力一直持續升高，最終壓力值穩定在0.24 MPa 左右；密度為218.2 kg/m3的容器在0～5 min 內反應較為平穩，但內壁壓力數值比其余兩種密度都稍高，且反應更加快速，壓力值變化為0.03～0.08 MPa，隨后自第6 min 到13 min 左右實現快速反應，壓力值迅速升高，最終達到0.38 MPa 后趨于穩定。由此可知：發泡材料的成品密度越大，對內壁造成的壓力也越大。

綜上所述，結合發泡塊成品表面的孔結構致密性，化學反應期間的壓縮強度，以及對煤層裂隙內壁產生的模擬壓力作用等數據分析，考慮到生產期間所需的聚氨酯封孔材料用量和材料成本控制因素，以及避免內壁壓力過大產生再生裂隙等情況，最終選定制配密度為164.5 kg/m3的聚氨酯材料為帶壓封孔材料。

3 礦井現場應用效果分析

3.1 對比方案設定

選擇164.5 kg/m3的聚氨酯發泡塊在新安煤礦11040 工作面上巷抽放鉆孔中進行現場實踐，選取相同條件段煤巷進行鉆孔封孔試驗，設定兩組鉆孔，每組施工5 個孔，孔深均為85 m，鉆孔傾角2°～3°，全部施工在見煤段，孔間距2.5 m，抽采負壓控制在13～15 kPa，為避免試驗區域過近，導致串孔漏氣，影響對比結果，將兩組鉆孔區分開距離不小于50 m。對比組的5 個鉆孔編號為1#～5#，采用人工手動封孔工藝，即將聚氨酯AB 料攪拌均勻后，連同封孔管一同推入鉆孔內6 m 位置，封孔深度不小于4 m；試驗組鉆孔編號為6#～10#，采取帶壓注漿封孔工藝，同樣從孔內6 m 處開始注漿，封孔長度不小于4 m。

3.2 抽采濃度分析

以20 d 為觀察周期，連續詳細記錄試驗組和對比組的10 個鉆孔瓦斯平均抽采濃度和抽采總量變化情況，取平均值繪制成果如圖6 所示。在相同抽采時間內，對比組鉆孔平均瓦斯抽采濃度均小于30%，最大值為4#孔達到28.3%，最小值為2#孔僅有15.4%；單孔瓦斯抽采總量中最大值為4# 孔抽采量達到397.41 m3，最小值為5#孔抽采量為238.94 m3。而試驗組采用帶壓注漿封孔工藝后，使得聚氨酯混合液擠入煤層裂隙，實現適度膨脹，既起到封閉堵漏的效果，又避免過度膨脹產生新的煤層裂隙，因此，試驗組5 個鉆孔不論抽采濃度，還是抽采總量均遠高于對比組鉆孔，平均瓦斯抽采濃度（全文中“瓦斯抽采濃度”均為瓦斯體積分數）達到34.2%～57.9%，單孔瓦斯抽采總量達到796.15～982.63 m3，取得較好的封孔效果和抽采效果。

圖6 瓦斯抽采濃度與抽采總量對比

4 結論

1）通過對不同密度條件下聚氨酯發泡塊的表面形態觀察、壓縮強度試驗等進行分析，最終選定密度為164.5 kg/m3的聚氨酯發泡塊為帶壓封孔材料。

2）經過試驗組和對比組的數據分析，自然封孔后瓦斯抽采濃度僅能達到15.4%～28.3%，單孔抽采總量僅有238.94～397.41 m3，帶壓封孔后抽采濃度可提升到34.2%～57.9%，單孔瓦斯抽采總量可達到796.15～982.63 m3，抽采效果具有顯著提高。