矿用水泥基封孔材料研究

摘 要：本文首先介绍水泥基封孔材料的使用现状、水泥基膨胀剂研究现状及聚合物改性研究进展，并指出目前矿用水泥基封孔材料研究中存在改性成本高、候凝时间长、膨胀与材料强度不协调等问题。最后，对矿用水泥基封孔材料的研究方向做了展望，提出利用工业废弃物为改性材料，以发气类、金属粉类和氧化钙类膨胀剂为研究方向，采用微胶囊等技术处理膨胀源，实现膨胀能的缓控释放。

关键词：瓦斯治理；钻孔封孔；封孔质量；水泥基封孔材料；膨胀率

中图分类号：TD712.6 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2017）06-0120-04

Research on Mining Cement Base Hole Sealing Materials

Wu Hailong

（Dpartment of Energy Engineering，Shaanxi Energy Institute，Xianyang Shaanxi 712000）

Abstract： Firstly，this paper introduced the current application of cement base hole sealing materials and the research status of cement base expansion agent as well as polymer modification. Secondly，it pointd out the problems which still was existing in the research such as high cost of modification，long time solidification， and cement swelling uneven with strength. In the end， it also made an outlook on cement base hole sealing material research and proposes that we can make use of industrial wast as modified material and do more research in gas， metal powder and calcium oxide expansion agent. We can also modify expansion source by using the microcapsule packages technology and realize the expansion controlled release.

Keywords： gas control；drill and hole sealing；sealing quality；cement base hole sealing material；expansion rate

1 研究背景

礦井瓦斯灾害威胁煤矿安全高效生产，瓦斯治理是煤矿灾害防治的重点。目前，瓦斯抽采的主要措施有地面抽采钻井，井下抽采巷道以及顺层、穿层钻孔抽采等。由于我国地质条件复杂，大部分煤田的煤层透气性较低，地面钻井影响范围较小，仅在部分煤层透气性较高的区域适用。随着煤矿开采深度逐渐增加，地面钻井的局限性愈加明显；巷道抽采效果较好，但巷道施工成本高昂；钻孔抽采灵活多变，成本较低，地质适应性强，常采用高瓦斯低透气性区域煤层增透措施及远距离抽采，被广泛应用于煤矿瓦斯灾害治理。利用钻孔治理瓦斯的关键是煤层（围岩）或采空区中的瓦斯抽放，影响钻孔瓦斯抽采效果的因素主要有两个：一是钻孔周围介质的透气性，为瓦斯渗流及扩散流动提供通道；二是形成足够的钻孔内外压力梯度，能促使瓦斯形成定向流动。有效的钻孔封堵能够为煤层注水、深孔预裂爆破、水力压裂等煤层增透措施提供能量屏蔽，保证钻孔内外不贯通；也能够为瓦斯抽采系统提供足够的钻孔负压。钻孔封孔质量直接影响钻孔能效的发挥，如何提高煤矿钻孔封孔质量越来越受到研究人员的关注。

钻孔封孔是封孔材料与封孔工艺的组合，封孔材料的性质决定封孔工艺，合适的封孔材料决定钻孔封孔质量和瓦斯抽采效率。目前，我国煤矿使用的封孔材料有多种，主要有黄泥、粘土、水泥基材料、聚氨酯、马丽散等，黄泥黏土封孔材料容易与钻孔孔壁粘连，不容易送到合适位置，不适用于深孔封孔；聚氨酯材料发泡效果好，但承压能力差，且不能对钻孔周围的裂隙进行封堵，密封效果不好；马丽散等封孔材料价格昂贵，大范围推广较为困难；水泥基封孔材料因价格低廉、来源广泛、操作方便、无挥发性毒物、耐久性强、能够封堵钻孔周边裂隙等特点而得到普遍推广。水泥基封孔材料在煤矿封孔实践中用量巨大，其性能直接影响我国瓦斯抽采及治理的整体效果。当前的水泥基封孔材料仍然存在诸多问题，如水泥基封孔材料凝固硬化时间长，影响封孔效率，难以实现快速封孔；水泥基封孔材料存在干缩现象，在钻孔上部易形成“月牙形”空隙，缩短有效封孔段长度，影响钻孔封孔密封效果，甚至会形成贯通裂隙，造成钻孔封孔失败。针对水泥基封孔材料存在的问题，科技工作者开展了大量研究工作。目前，解决水泥基封孔材料封孔使用周期内固化时间长，体积收缩，改性成本高等问题已成为今后水泥基封孔材料的研究方向。

2 水泥基封孔材料使用及研究进展

自英国人J·Aspdin于1824年获第一个波特兰水泥发明专利至今，已有近两百年历史。目前，水泥已逐渐发展为庞大的硅酸盐水泥系列，硅酸盐水泥主要成分有硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。水泥材料因来源丰富、价格低廉、使用工艺简单、操作方便、强度大耐腐蚀等特点，被广泛应用于人类的生产生活中，是目前重要的工程材料。据统计，世界水泥基材料总量在60亿～70亿t[1]。水泥浆材料在封堵裂隙裂缝方面的应用也有较长的历史，在煤矿瓦斯灾害防治中的应用较为普遍。但水泥基材料作为煤矿钻孔封孔材料仍存在易干缩、固化时间长等问题，且大多数集中在工程实践的操作改进过程中，对水泥基封孔材料的改性机理研究及新材料的研发仍需进一步深入。

2.1 封孔水泥改性研究现状

代志旭等[2]为测定煤层瓦斯压力，对封孔材料进行改进，以普通硅酸盐水泥为基础，复合5%的铝酸盐水泥，取得了较好的封孔效果。翟果红、蒋成林等[3]以试验为基础，在普通水泥中掺入一定比例的膨润土，能够提高封孔水泥在多水环境下的膨胀性能，在破碎岩层以及含水层中高压注入膨润土-水泥浆能提高裂隙的黏聚力和内摩擦角，阻碍岩层水通过测压孔与其他裂隙沟通流动，保证测压孔无漏水现象。固体封孔材料及钻孔孔壁由于周围应力作用易产生破坏性裂隙，导致钻孔封孔失败，翟成等[4]针对该缺陷，提出柔性动态封孔理念，以粉煤灰为基料，配以保水剂、膨胀剂、纤维素和偶联剂，与水结合搅拌后，将形成一种柔性膏体并始终保持柔性状态，封孔材料能随钻孔周围介质的变化而变化，适用于地应力较大或应力集中的钻孔易变形区段。王永安、赵耀江[5]结合聚氨酯材料和水泥的封孔特点，将两者复合。黄鑫业、蒋承林[6]以流态水泥浆为封孔基质，以封堵钻孔孔壁裂隙为出发点，在聚胺脂与水泥浆结合封孔的基础上对“带压封孔”进行研究，确定工程实践中封孔工艺的基本参数。齐锦霞、刘娟红等[7]通过在水泥中掺入复合胶凝材料和复合外加剂，制成缓凝型冻结复合封孔材料，适合冻结法的封孔实践。徐龙仓[8]将水泥与聚氨酯复合，在水泥中掺入水泥质量15%的石膏，该种封孔材料流动性好，泵送性好，在两年内不发生收缩变形。刘广北、李书田[9]在水泥中掺加生石灰和铝粉来提高封孔水泥膨胀的膨胀性能，铝粉能在很大程度上提高水泥的膨胀性能。孙文标[10]将高铝水泥、石灰、石膏等材料配置成一种速凝高强膨胀型封孔材料。为缩短封孔水泥候凝时间，吴海龙[11]以硫酸锂为早强组分，掺量为水泥质量的1%，聚羧酸减水剂0.3%，三乙醇胺0.03%，能在一定程度上提高封孔水泥的早期强度。同时，他还分析了无机早强组分与有机组分对水泥早期强度的协同作用，促进水泥水化过程中水化膜的破裂，加速水泥水化的进行。林柏泉、郝志勇[12]等研发了一种PD材料，该材料以水泥为基础，以能与水泥反应的金属粉膨胀剂为膨胀源，以聚甲基纤维素为壁材，利用微胶囊包裹技术处理金属粉实现缓控膨胀，同时掺加有机树脂等材料，使水泥材料的膨胀性能及可操作性能满足煤矿钻孔封孔的需求。管学茂、胡曙光、丁庆军[13]研制了一种超细高性能灌浆水泥（MHPGC），其组成成分为超细水泥、石膏、粉煤灰、矿渣。采用SEM等测试手段进行分析，该种灌浆水泥钙矾石结构交叉分布并被水化产物填充，形成类似纤维增强结构，由于加入矿渣等成分，水化产物中氢氧化钙在灌浆材料界面区的取向系数较小，与岩石结合更加紧密。梅旭东[14]研制了一种适合井下水力压裂用的封孔材料，该材料以水泥为基础，水灰比控制在0.6，掺加早强减水剂质量分数为3%，聚丙烯纤维体积掺量控制在0.1%～0.6%，3d抗压强度可达到14.4MPa，收缩率小，能满足密封性能和注浆需求。

2.2 水泥基封孔材料膨胀性能研究现状

水泥基封孔材料存在干燥收缩的现象，容易造成钻孔封堵不严密从而产生贯通裂隙，高水灰比水泥浆体封孔干缩现象更加明显。如何改善水泥基封孔材料的膨胀性能，提高封孔水泥的气密性，广大科技工作者进行了大量的研究工作。林柏泉[15]以实验为基础，在水泥中掺入碳酸钠、碳酸氢钠和柠檬酸，利用聚丙烯酰胺对其进行处理，防止碳酸根与柠檬酸在溶液状态时快速反应生成二氧化碳，实现缓控膨胀，能够使水泥浆体在6h左右发生膨胀。李飞[16]研制出一种抗高压密封树脂，将聚氨酯膨胀性能与水泥封孔材料高强度、高渗透性的优点结合，为水泥改性提供新思路。郝志勇[12]研制出一种以水泥材料为基础的PD封孔材料，该种封孔材料能实现封孔水泥的微膨胀，并且利用微胶囊技术处理金属粉膨胀剂实现延迟膨胀，封孔效果较好。朱洪波[17]在水泥中掺入聚乙烯酰胺、海带根粉、石英砂等，海带根粉吸水能产生膨胀，弥补水泥浆的收缩效应，密封效果较好，但海带根粉需做防潮处理，在煤矿高湿环境容易造成膨胀损失。翟华[18]将普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥结合，硫铝酸盐水泥占总水泥量的30%～50%时，浆体流动性稳定，其含量低于50%时，随着硫铝酸盐水泥掺量增大，初凝、终凝时间缩短。再复合高铝水泥、生石膏、萘系高效减水剂，高效膨胀剂等组分，该种封孔材料具有早强、微膨胀等特点。刘健、吴海龙[19]利用微胶囊包裹技术包覆UEA膨胀剂，以乙基纤维素为壁材，控制芯/壁质量比为5∶1，水浴温度75℃，利用油相分离技术制取膨胀微胶囊，膨胀剂掺量为15%，水泥浆膨胀率峰值为4.08‰，膨胀达到峰值时间为水泥水化后5.5h，实现延迟微膨胀，依据“膨胀-强度协调发展”理论，控制水泥膨胀发生在“膨胀窗口”内，水泥强度与膨胀相互协调，有较好的封孔密封效果。孙文标[20]将高铝水泥、石膏、石灰等材料结合起来，用于井下钻孔封堵，该材料凝结时间为15～40min，当水灰比为1.2∶1时，膨胀率高达11%。微观分析水泥膨胀机理为钙矾石具有较小尺寸和放射性分布。

封孔用水泥基材料提高气密性的关键是适当提高材料的膨胀性能，提高水泥基封孔材料膨胀性能的思路有主要有两个方向：一是掺入能在水泥水化的碱性环境下发生反应并产生膨胀性气体的物质，如铝粉，或掺入具有吸水膨胀性的介质；二是在水泥中掺入膨胀剂产生膨胀，从水泥水化产物结构出发，优化簇状、棒状钙矾石结构形成的膨胀空间。

但膨胀剂在高水灰比封孔水泥浆中膨胀发挥较快，“膨胀能”在水泥低强度条件下大量损失，导致膨胀时间不可控，材料膨胀终值不足，增大了封孔材料漏气的可能性。因此，促进膨胀剂膨胀能效的发挥，有利于改善当前瓦斯抽采过程中水泥封孔材料干缩漏气现状，对提高瓦斯抽采效率有一定的现实意义。

2.3 封孔水泥聚合物改性研究现状

利用聚合物改性水泥有较长的研究历史。随着煤矿钻孔封孔指标要求的逐渐提高，聚合物改性水泥基封孔材料成为研究的热点。李强[21]利用正交实验方法研究了水性环氧树脂对灌注式路面面层用新拌水泥砂浆的性能以及养护后砂浆力学性能的影响。研究表明，掺加2.5%水性环氧树脂改性后，新拌水泥砂浆的流动性明显好于普通水泥砂漿；水性环氧树脂能改善改性水泥砂浆骨料与水泥基体的粘结性，控制裂隙的产生，密实度更大，结构体强度提高。章凯[22]利用试验得出掺加6%～10%水性环氧树脂乳液可有效提高水泥基修补砂浆的力学性能，改善砂浆与基体的粘结性，控制改性水泥的干缩值。低掺量水性环氧树脂乳液对高性能混凝土的抗冲击韧性有一定影响。钱慧丽[23]通过落锤试验法得出环氧树脂掺量为水泥质量的5%，在IV型养护制度养护条件下，改性材料的抗冲击韧性提高到基准组的1.37倍，抗冲击性能改善明显。李铭[24]利用实验得出，水溶性好的固化剂更能提高环氧树脂改性水泥的力学性能；树脂掺量与水泥的韧性程正相关关系；环氧树脂能改善水泥的孔结构，减少水泥体系内部的微裂隙。

3 目前水泥基封孔材料封孔存在的问题

①随着煤矿开采深度的逐渐增加，矿井瓦斯灾害治理形势更加严峻。目前，我国多数矿井利用水泥基封孔材料封孔仍简单地将几种材料与水泥材料直接混合使用，已不能满足实际封孔需求。

②新型水泥基改性材料價格昂贵，研制过程复杂，难以实现大范围推广应用。

③水泥基封孔材料固化时间长，难以实现快速封孔，影响工程进度。目前，多采用速凝剂或早强剂来改善封孔水泥早期强度。速凝剂使用不当易造成堵塞注浆泵；早强剂能提高封孔水泥早期强度，但易造成封孔水泥水化产物结构堆积紊乱，造成后期强度损失。

④水泥材料存在干缩现象，易造成封孔失败，掺加膨胀组分能改善水泥膨胀性能。直接掺加膨胀组分易造成膨胀能的在水泥浆硬化早期损失，膨胀能发挥过迟，将会造成已硬化的水泥石发生膨胀破坏。目前，对膨胀能发挥时效性的控制研究还不够成熟。

4 展望

水泥基封孔材料在煤矿封孔实践中应用广泛，用量较大，对水泥基封孔材料进行改性研究，改善其封孔效果对我国瓦斯灾害治理有一定的现实意义。广大科技工作者开展了大量的研究工作，总结前人研究成果，指导后续研究。为更好地发挥水泥基封孔材料在煤矿瓦斯治理中的作用，可以从以下几方面进行更深入的研究。

①简化对水泥基改性材料的研制工作，选择廉价改性材料，如利用工业废弃物，将更有利于推广应用。

②水泥基材料的膨胀性能是各项封孔指标的关键，需进行更深入的研究。合适的膨胀源直接影响水泥基封孔材料的封孔质量，膨胀源可以对金属粉膨胀剂、氧化钙类膨胀剂、发气类膨胀物质进行研究。膨胀能发挥时效性至关重要，对膨胀源进行微胶囊化包覆处理，能实现膨胀能的缓控释放，微胶囊的囊壁材料可以对温控、PH敏感等材料进行研究。

③聚合物改性水泥能改善水泥基材料的各项性能，聚合物与膨胀组分、早强组分等之间的相互作用需进一步研究。

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