矿用封孔材料研究进展

赵 君， 史竹青， 李伟斌， 袁秋华

(阳泉煤业(集团)有限责任公司化工研究院，山西 太原 030021)

引 言

煤炭作为我国现在乃至今后一段时间内的主体能源，在我国经济发展中发挥着重要的作用，然而与其伴生共存的瓦斯却一直是制约矿井安全、高效开采的主要因素。煤层瓦斯抽采是防治瓦斯灾害事故的有效措施，其抽采效果除了受煤层赋存构造、钻孔布置方式和抽采系统能力等因素影响以外，钻孔封孔质量也是影响抽采效果的直接原因[1]，封孔质量的好坏直接影响瓦斯抽放效率和煤层注水的效果。封孔材料是提高封孔质量的决定性因素，封孔材料选择不当，易产生钻孔封堵不严密、抽采负压低、抽采浓度小等问题。

1 矿用封孔材料的分类

目前，我国煤矿瓦斯抽采使用的封孔材料主要有粘土(黄泥)类、水泥基材料、高水材料、聚氨酯材料四种类型。

粘土(黄泥)类材料是使用最早的封孔材料，来源于广泛分布的质地细密、富有可塑性的半干粘土、黄泥或黄泥—水泥混合物等[2]。此类封孔材料价格低廉、施工操作相对简单，但粘性较大，容易与钻孔孔壁粘连形成空隙漏气，且不易送到指定位置，不适于深孔封孔。因此粘土(黄泥)作为封孔材料已经很少采用。

水泥基材料是目前应用最为广泛的封孔材料，这种材料使用注浆泵将水泥砂浆注入到孔内，从而完成钻孔的封堵，具有操作便捷、成本低、来源广、封孔深度大等优点。在实际封堵中，一般会加入一些添加剂来改善水泥砂浆的性能，提高封堵效果，且在加压的情况下会达到更好的封孔效果[3]。

高水材料是一种新型材料，由A、B两种组分组成。两组分分别加水搅拌时，24 h内不沉淀、不凝固，两组浆液混合搅拌后，经过一定的物理化学反应，30 min内便可快速凝结、固化成固体材料[4]。该材料凝结速度快，可减少固化剂用量，且反应时间可控，后期硬化体抗压强度较高，主要用于采矿工程巷道支护、采矿区充填、瓦斯封孔等方面。

聚氨酯注浆封孔材料是通过多异氰酸酯与多羟基化合物发生反应而生成，一般由黑料和白料两组分等体积混合，在几分钟内即可反应固化，达到很高的强度，起到封孔作用。聚氨酯类封孔材料操作简便、封孔迅速，膨胀倍数高，固结体具有良好的强度和弹性，是解决封孔材料韧性差的理想材料。

2 矿用封孔材料的研究进展

2.1 水泥基材料

水泥浆料在封堵裂缝钻孔方面的应用有较长的历史，在煤矿瓦斯灾害防治中的使用较为普遍。但水泥基材料作为煤矿井下封孔材料仍然存在凝固时间长、早期强度不高、易收缩产生裂缝等问题，因此学者们选择通过添加外加剂对材料进行改性。

早强剂是水泥添加剂中不可缺少的一种，它能够有效提高水泥封孔材料的早期强度。牛建东[5]以亚硝酸钠、氯化钠和三乙醇胺为混合早强剂，探讨并分析了其早强效果，发现了亚硝酸钠和氯化钠的化学作用，明显提高了水泥材料的早期强度。肖茜[6]研究了硫酸钠、氯化钙、三乙醇胺三种添加剂对水泥基封孔材料强度的影响，实验得出提高早强剂掺入量能够提高其强度，但存在最佳掺量，早强剂若加入过多，材料强度反而会下降。王成文[7]研究了一种新型早强剂：锂盐早强剂，来提高低温环境下水泥材料的早强效果，系统的研究了锂盐的工作机理和特性。

速凝剂是工程中喷射和堵漏等技术最常用的化学剂，能够加快材料的硬化速度，同时不会太影响其强度。黄天勇[8]等探讨研究了石灰石粉和速凝剂共同作用对水泥浆料硬化时间的影响。赵苏[9]以铝酸钠为速凝剂探讨其用料对水泥凝固性能的作用规律，并利用XRD、SEM等技术研究其工作机理。张述雄[10]等采用二乙醇胺、甘油、硫酸铝等化学试剂制成了一种硫酸铝型无碱液体速凝剂，有效提高了水泥凝结速度。

为了改善水泥基封孔材料干燥易收缩的现象，提高材料的膨胀性能，专家学者们进行了大量的研究工作。朱洪波[11]在水泥中掺入聚乙烯酰胺、石英砂、海带根粉等，海带根粉吸水后能产生膨胀，弥补水泥的收缩效应，但海带根粉需要防潮，在矿井高湿环境下易造成膨胀损失。郝志勇[12]研发出一种水泥基PD封孔材料，该种材料能实现封孔水泥的微膨胀，且通过微胶囊技术处理膨胀剂能实现延迟膨胀，封孔效果较好。孙文标[13]等研究了一种以高铝水泥、石膏、石灰等为主料的速凝高强膨胀型水泥封孔材料，并对其凝结时间、膨胀率及强度等特性进行了分析，表明该材料的膨胀与水化产物钙矾石较小的晶体尺寸和放射状分布有关。

2.2 高水材料

高水材料具有高水灰比迅速固化、强度提升较快、微膨胀性等有点，因此被沿用于矿井密封中，取得了良好的封孔效果。张英华[14]等对高水材料的流动性、凝固时间、抗压强度和膨胀性能进行了研究，并考察了现场应用效果，试验结果表明孔内未出现漏水、窜孔等现象，封孔工艺简单，封孔深度大，密封效果好。Chang Jun[15]等研发了一种新型高水材料，通过XRD、SEM和DTA-TG研究了该新型材料的性能和水化机理，结果表明该高水材料的水化产物为硫酸钡、含钡钙矾石、铝凝胶和C-S-H凝胶。宋吴兵[16]等提出了一种新型高水材料及封孔技术，并应用在西山煤电集团官地矿现场，结果表明水灰比为1∶4时，封孔效果达到最佳，瓦斯抽采浓度可提高35%～50%。中国矿业大学冯光明[17]等在高水材料的基础上研制出一种超高水材料，其水灰比高达11∶1，该种新型材料流动性优异，具有凝结时间和强度可调控、固结体不收缩等优点。

2.3 聚氨酯材料

聚氨酯作为一种性能优良的高分子材料，在煤矿封孔方面的研究主要集中在其强度、阻燃性、静电抗性、最高反应温度、老化抗性方面。杨绍斌[18]等研究了阻燃剂TCEP添加量对聚氨酯封孔材料性能的影响，研究结果表明TCEP的添加提高了聚氨酯的极限氧浓度，膨胀倍数随着TCEP的加入先降低后升高。王大庆[19]等利用聚氨酯封孔材料解决了松软煤层瓦斯抽采效果差的问题，瓦斯抽采浓度可达到90%以上。刘元俊[20]等采用极限条件加速聚氨酯封孔材料的老化，得到材料的老化规律，利用时温等效性及阿雷尼乌斯方程外推法推测了聚氨酯材料在封孔过程中的使用寿命。周鹏[21]等通过理论推导建立了可以计算聚氨酯材料最高反应温度的模型，提出了降低材料反应热的基本方法。

3 结语

封孔材料在煤矿瓦斯抽采中扮演着重要的角色，虽然专家学者们都在对封孔材料进行不断的研究和改进，并取得了很大进展，但现有的封孔材料在实际应用中并不能达到令人满意的密封效果，为更好的满足煤矿封孔的需求，今后可以从以下几个方面进行更深入的研究。

1) 多种新型改性封孔材料成本较高，制备过程复杂，、可以选择工业废弃物等更廉价的改性材料，简化材料的制备工序，将更易实现大规模生产应用。

2) 封孔材料的膨胀性能是影响封孔质量的关键因素，控制封孔材料的膨胀速度方面需要进行更深入的研究。微胶囊化技术可以实现膨胀能的缓慢释放，将是今后研究者的重要研究方向。

3) 研发的新型封孔材料建议进行煤矿现场封孔效果考察，以验证其工程意义。