新型復(fù)合封孔材料的密封性能

林柏泉， 李博洋， 郝志勇

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州 221116)

新型復(fù)合封孔材料的密封性能

林柏泉1,2， 李博洋1,2， 郝志勇1,2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州 221116)

為保障礦井安全生產(chǎn)、增強(qiáng)抽采鉆孔密封效果、提高瓦斯抽采濃度,針對(duì)傳統(tǒng)密封材料封孔效果差、漏氣量大、抽采濃度低等缺點(diǎn)，通過(guò)對(duì)材料本身漏氣通道、鉆孔周圍煤體漏氣通道及密封材料-孔壁間隙漏氣通道的分析，得出影響漏氣量的三項(xiàng)因素。選擇新型復(fù)合材料和聚氨酯為密封材料進(jìn)行室內(nèi)密封性能實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。結(jié)果表明：復(fù)合材料的封堵性能優(yōu)于聚氨酯，由其密封的鉆孔平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)比聚氨酯提高75%。該復(fù)合材料是一種致密性高、膨脹性高、結(jié)合性強(qiáng)的新型無(wú)機(jī)封孔材料，其瓦斯抽采鉆孔密封效果好。

瓦斯抽采； 復(fù)合材料； 鉆孔密封； 瓦斯?jié)舛?/p>

煤炭一直是我國(guó)的主要能源，隨采深增加，瓦斯災(zāi)害愈來(lái)愈嚴(yán)重,預(yù)抽瓦斯是預(yù)防瓦斯事故的最有效方法[1]。理論上，如果鉆孔密封效果足夠好、不漏氣，則瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)應(yīng)接近100%。周福寶和孫玉寧等對(duì)我國(guó)一些大型礦井的瓦斯抽采情況調(diào)研發(fā)現(xiàn)，62%的礦井順層抽采30 d瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)在30%以下，66%的礦井60 d瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)在16%以下[2]。這說(shuō)明現(xiàn)行的封孔工藝及材料難以對(duì)鉆孔進(jìn)行有效密封。因此，筆者對(duì)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)瓦斯防治與利用研究所基于材料復(fù)合技術(shù)研發(fā)的一種無(wú)機(jī)封孔材料的密封性能進(jìn)行分析驗(yàn)證。

1 漏氣機(jī)理分析

鉆孔密封后，空氣通過(guò)三種途徑漏入鉆孔：Ⅰ是封堵材料自身漏入孔內(nèi)；Ⅱ是鉆孔周圍煤體裂隙漏入孔內(nèi)；Ⅲ是封孔材料與孔壁煤體之間的縫隙漏入孔內(nèi)[3]。目前，普遍采用普通水泥基類和聚氨酯高分子類封孔材料。水泥基類封孔材料失水易收縮開(kāi)裂，空氣通過(guò)水泥與煤壁間的裂隙進(jìn)入鉆孔。聚氨酯類封孔材料遇水易收縮且滲透性差，難以對(duì)鉆孔周圍煤體裂隙進(jìn)行封堵。要獲得更好的密封效果，就必須同時(shí)減小這三種漏氣途徑的漏氣量。

1.1 材料自身漏氣通道

流體在封孔材料中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本符合達(dá)西定律[4]，即

(1)

式中：q——?dú)怏w滲透速率，mm3/s；

K——密封材料滲透系數(shù)，mm/s；

S——密封材料橫截面積，mm2；

dp/dl——壓力梯度。

滲透系數(shù)與材料的致密程度有關(guān)，密封材料越致密則滲透系數(shù)越小。因此，漏氣通道Ⅰ的漏風(fēng)量大小主要取決于材料的致密程度。

1.2 鉆孔周圍煤體漏氣通道

鉆孔開(kāi)挖后，煤體應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，應(yīng)力重新分布。鉆孔周圍煤體可被劃分為四個(gè)區(qū)域，即破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)[5]。破碎區(qū)及塑性區(qū)經(jīng)受了遠(yuǎn)超過(guò)其強(qiáng)度極限的應(yīng)力，煤體發(fā)生塑性變形，滲透率增大，從而形成漏氣通道。彈性區(qū)內(nèi)煤體所受應(yīng)力大于原巖應(yīng)力，但尚未達(dá)到極限應(yīng)力，只發(fā)生彈性變形。該區(qū)域內(nèi)煤體部分裂隙被壓實(shí)，滲透率較低。王振峰等[6]通過(guò)理論分析推導(dǎo)出漏氣通道Ⅱ的漏氣量模型。結(jié)果表明，在同等條件下鉆孔支護(hù)力越大，漏氣量越小。因此，要想減小漏氣通道Ⅱ的漏氣量，應(yīng)增加鉆孔支護(hù)力。翟成等[7-8]研究表明，對(duì)鉆孔的密封關(guān)鍵在于對(duì)鉆孔周圍裂隙的封堵，因此，封孔材料需要滲透性強(qiáng)。但聚氨酯自身黏度大，流動(dòng)性差，滲透性低。而水泥基材料顆粒較細(xì)，漿體自身即具有良好的滲透性能。

1.3 材料-孔壁間隙漏氣通道

劉三鈞、林柏泉等[3]通過(guò)理論推導(dǎo)得出，漏氣通道Ⅲ的漏氣量主要與密封材料和鉆孔體積的縫隙寬度的三次方成正比。因此，要減小漏氣通道Ⅲ的漏氣量，需使密封材料與煤體的黏結(jié)程度強(qiáng)、縫隙小。

2 密封性能測(cè)試

2.1 致密程度

為了得到該復(fù)合材料與聚氨酯材料的致密程度，通過(guò)滲透系數(shù)測(cè)定裝置檢測(cè)得出聚氨酯和復(fù)合材料的滲透系數(shù)分別為9.030和0.187 m2/(MPa2·d)。因此，由式(1)可知，在同等條件下，使用復(fù)合材料封孔時(shí)，經(jīng)過(guò)漏氣通道Ⅰ的漏氣量?jī)H為聚氨酯的2.1%。 2.2 材料膨脹性能

對(duì)漏氣通道Ⅱ的漏氣影響因素分析可知，鉆孔支護(hù)力是漏氣通道Ⅱ漏氣量的決定因素。為提高密封材料對(duì)鉆孔的支護(hù)力，應(yīng)該使材料具有一定的膨脹性能。因此，對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行膨脹性能測(cè)試。取一定量的復(fù)合材料并加入適量水，攪拌1 min后倒入量筒中，并記錄材料的初始體積，此后每隔一段時(shí)間記錄一次。測(cè)試結(jié)果如圖1所示，復(fù)合材料遇水反應(yīng)后，漿體開(kāi)始膨脹。27 h后，膨脹率k不再增加，最終穩(wěn)定在1.30。材料的微膨脹可有效壓縮鉆孔周圍塑性區(qū)煤巖體內(nèi)的裂隙，減小煤巖體滲透率，從而有效封堵漏氣通道。

圖1 復(fù)合材料膨脹率與時(shí)間的關(guān)系

2.3 密封材料與孔壁結(jié)合性能

由漏氣通道Ⅲ的漏氣影響因素分析可知，要減小漏氣通道Ⅲ的漏氣量，密封材料需與孔隙煤體有較強(qiáng)的結(jié)合性能，減小材料與孔壁的間隙[9]。因此，通過(guò)電鏡掃描分別對(duì)復(fù)合材料和聚氨酯與煤壁的結(jié)合性能進(jìn)行觀測(cè)(放大400倍)，如圖2所示。圖2a為聚氨酯與孔壁的結(jié)合情況，可見(jiàn)聚氨酯與煤體有明顯間隙，說(shuō)明采用聚氨酯封孔時(shí)，通過(guò)漏氣通道Ⅲ的漏氣情況嚴(yán)重；圖2b為復(fù)合材料與孔壁的結(jié)合情況，掃描結(jié)果顯示，復(fù)合材料與孔壁煤體無(wú)明顯間隙，說(shuō)明采用復(fù)合材料時(shí)，通過(guò)漏氣通道Ⅲ的漏氣量較小。

a 聚氨酯

b 復(fù)合材料

Fig. 2 Observation of polyurethane, composite and coal wall

通過(guò)上述漏氣通道分析及實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知，復(fù)合材料對(duì)三個(gè)漏氣通道的密封性能均優(yōu)于聚氨酯。

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)實(shí)驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)條件

為了驗(yàn)證復(fù)合材料的密封效果，選擇西山煤電公司官地煤礦16509工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)實(shí)驗(yàn)。該工作面井下位于南五采區(qū)，采用U型通風(fēng)。工作面煤層平均厚度2.72 m，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)官地礦煤層瓦斯基本參數(shù)測(cè)定報(bào)告，該工作面所在6#煤層瓦斯壓力為0.18～0.23 MPa，煤層瓦斯含量2.88～3.52 m3/t，煤層殘存瓦斯含量1.94 m3/t，孔隙率3.4%，煤層透氣性系數(shù)1.170 1 m2/(MPa2·d)，百米鉆孔瓦斯流量0.049 3 m3/min，瓦斯放散初速度Δp=12 mmHg。與16509工作面相鄰的16507工作面回采時(shí)的瓦斯情況，絕對(duì)瓦斯涌出量在10 m3/min左右。相對(duì)瓦斯涌出量為3.6 m3/t。

選擇10個(gè)鉆孔進(jìn)行密封效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)，依次編號(hào)為1～10。其中1、3、5、7、9采用復(fù)合材料進(jìn)行密封，注漿壓力為2.5～3.0 MPa；其余用聚氨酯進(jìn)行密封。封孔長(zhǎng)度均為12 m。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

封孔工作完成后即連續(xù)對(duì)實(shí)驗(yàn)鉆孔進(jìn)行28 d觀測(cè)，瓦斯抽采的平均體積分?jǐn)?shù)如圖3所示。由圖3中可知，復(fù)合材料密封的鉆孔瓦斯抽采平均體積分?jǐn)?shù)φ遠(yuǎn)高于聚氨酯密封鉆孔，提高約75%，說(shuō)明采用復(fù)合材料封孔的漏氣量小于聚氨酯。聚氨酯成型后抗壓強(qiáng)度低且遇水時(shí)聚氨酯易收縮，導(dǎo)致封孔效果差且濃度衰減速度快。復(fù)合材料的密封效果好，且隨著抽采持續(xù)進(jìn)行，濃度衰減速度小，高效抽采時(shí)間長(zhǎng)。

圖3 瓦斯抽采平均體積分?jǐn)?shù)

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)漏氣通道的分析，得出影響復(fù)合材料和聚氨酯密封效果的三個(gè)主要因素為密封材料自身致密程度、膨脹力及與孔壁的結(jié)合性能，并就上述因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明復(fù)合材料的密封效果優(yōu)于聚氨酯。

(2)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用復(fù)合材料密封的鉆孔瓦斯抽采濃度高，衰減速率小，比采用聚氨酯密封的鉆孔平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)高75%，說(shuō)明復(fù)合材料密封的鉆孔漏氣量小，對(duì)各漏氣通道的封堵效果優(yōu)于聚氨酯。

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(編校 王 冬)

Sealing performance of new typed composite sealing material

LinBaiquan1,2,LiBoyang1,2,HaoZhiyong1,2

(1.School of Safety Engineering, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China; 2.State Key Laboratory of Coal Resources & Safe Mining， China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China)

This paper proposes a novel composite sealing material as an improved alternative to conventional sealing material which suffers from disadvantages such as a poor sealing effect, a larger leakage, and a lower extraction in an effort to ensure the safety of mine production, enhance the sealing effect of extraction borehole, and improve the concentration of gas extraction. The research builds on an analysis of the three leakage channels, namely the leakage channel of the material itself, the leakage channel around the coal seam and the gap between the sealing material and the pore wall, identifies the three factors influencing the air leakage, and is validated by an indoor sealing performance test using the new type of composite material and polyurethane as the sealing material, as well as field tests. The study shows that composites boast a better sealing performance than polyurethane and the composite seal provides a 75% higher average volume of gas extraction than polyurethane. The results demonstrate that the composite material is a new typed inorganic sealing material with a higher compactness, a higher expansibility and a stronger binding and affords a better gas drainage borehole sealing effect.

gas extraction; compound material; borehole sealing; gas concentration

2017-01-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51474211)

林柏泉(1960-)，男，福建省龍巖人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向：礦井瓦斯防治，E-mail：lbq21405@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.01.005

TD712

2095-7262(2017)01-0022-04

A