基于自修复效应的封孔材料裂隙自愈合特性

水泥基材料是煤矿井下最常用的注浆封孔材料,但是受应力扰动、水泥材料失水收缩等影响,传统水泥基材料容易形成再生裂隙,导致钻孔内瓦斯抽采率降低。为了减小再生裂隙对瓦斯抽采效果的影响,研发一种自修复水泥封孔材料,当注浆位置再次产生裂隙后可实现裂隙的自愈合。首先,通过裂隙自修复实验研究了自修复水泥在空气条件下的裂隙自修复性能,采用高倍测量显微镜记录裂隙在不同时间内的宽度变化规律,发现在自然空气条件下,自修复水泥在4 d内能够修复最大宽度为0.46 mm的裂隙,裂隙处生成大量白色矿物,14 d内修复物体积仍有明显增长。刮去修复产物后,仍有白色矿物生成。为进一步研究自修复产物的生成机理,通过SEM-EDS对比分析了自修复水泥以及不加修复剂的净水泥2种水泥水化7、21 d的微观形貌和微观元素分布,并通过XRD、拉曼光谱仪对比分析了2种水泥的物相信息。SEM-EDS结果显示,净水泥中针状物质和絮状物质相互交联,整体结构致密,而自修复水泥中分布大量多孔状物质,结构比较疏松。相较于净水泥,自修复水泥水化产物中C、Na、Al、Si四种元素的质量分数明显较高。裂隙修复物表面分布大量排列紧密的长条状物质,主要元素组成为C、O、Na、Ca。XRD结果显示,和净水泥相比,自修复水泥中出现更多未水化硅酸三钙的衍射峰,相同水化时间,净水泥水化产物主要是氢氧化钙和钙矾石,而自修复水泥中出现了钠长石、沸石等铝硅酸盐矿物。裂隙修复物由沸石、钙霞石、硅灰石等多种硅酸盐矿物以及碳酸钙组成,其中碳酸钙的衍射峰数目最多。拉曼光谱结果显示,同净水泥相比,自修复水泥在2860~2960 cm^(-1)处具有明显拉曼谱峰,水化7 d,净水泥拉曼峰普遍尖锐,而自修复水泥拉曼峰明显更宽。净水泥中出现较多高强度氢氧化钙的拉曼峰,而自修复水泥中则出现更多CO_(3)^(2-)中C—O振动的拉曼峰,峰面积更大,由此可知自修复水泥更易和空气中CO_(2)反应发生碳化。水化21 d,2种水泥的拉曼峰都很尖锐,主要物相都是水化硅酸钙和氢氧化钙,而自修复水泥中还包括了大量未水化硅酸三钙。最终,分析了二次水化作用及碳化作用对裂隙自修复的影响,并结合实验结果推导了裂隙修复产物的生成方程式。

煤矿岩巷掘进爆破封孔材料研究

为解决煤矿岩巷掘进爆破施工作业中封孔工艺复杂、易冲孔以及掘进效率低等问题,设计了一种新型流体封孔材料与高效的封孔工艺。该封孔材料是由大理石粉、水与瓜尔胶三者按照70300.15的质量比配制成的混合浆体,使用搅拌与泵送一体机,实现流体耦合封孔,并在顾北煤矿巷道掘进施工中得到应用。实验结果表明,该封孔材料具有黏度高、体系稳定和剪切变稀的流体特性,配合一体机使用,封孔工作效率提高304%,单循环进尺提高14.6%。封孔材料性能优良,封孔工艺简单,掘进效率与爆破效果得到明显提高。

带压注浆钻孔内封孔材料力学性能特征

为研究注浆压力对封孔材料力学性能的影响规律,搭建带压注浆模拟实验系统,利用该实验系统制备不同注浆压力条件下的水泥试样,并开展单轴抗压强度、抗拉强度测试及扫描电镜分析。研究发现:水泥单轴抗压强度、抗拉强度与注浆压力呈指数函数关系,弹性模量与注浆压力呈线性关系,P.O 42.5R普通硅酸盐水泥的最大抗压强度为20.29 MPa、最大抗拉强度为5.29 MPa;随着注浆压力的增大,水泥单轴抗压强度、抗拉强度随注浆压力的增大呈现先增大后趋于稳定的规律;水泥微观结构是影响水泥力学性能的重要因素,在高注浆压力条件下,水泥颗粒间的距离被压缩,密实度提高,加强了颗粒间的相互作用力,在宏观上表现为水泥力学性能变强;水泥颗粒的间隙不能被无限制压缩,致使水泥强度存在一个稳定的临界值。在考虑带压封孔成本以及注浆安全性的前提下,建议注浆压力控制在4 MPa。

瓦斯封孔材料单轴抗压强度随注浆压力变化研究

“两堵一注”带压注浆封孔是煤矿井下最为适用的封孔方法,不仅可以压实钻孔周围的松散煤体,还可以有效地封堵钻孔周围孔隙裂隙。以往研究封孔材料性能时,没有考虑注浆压力对封孔材料性能的影响。为此,搭建了由高压氮气、减压阀、压力表、耐高压试模构成的带压注浆模拟实验系统,并利用该实验系统制备了不同注浆压力条件下的封孔材料圆柱试样,对其进行了单轴抗压强度测试。研究发现封孔材料单轴抗压强度随注浆压力的增大呈现先增大后趋于稳定的规律,水灰比为0.8的封孔材料(PO 42.5R普通硅酸盐水泥)单轴抗压强度与注浆压力的函数关系为:σ_(c)=20.29-8.75×0.66^(P)。研制的实验系统能真实还原封孔材料所处的高压环境,进而可以更加准确地评估封孔材料的性能。

石墨尾矿制备爆破封孔材料试验研究

大量石墨尾矿堆存导致资源浪费与环境的污染,科学处置石墨尾矿是亟待解决的问题。通过利用碱激发矿渣胶结石墨尾矿制备爆破封孔材料,采用响应曲面法探究石墨尾矿掺量、用碱量、质量浓度对封孔材料单轴抗压强度、流动度以及成本的影响规律,并建立相应的回归模型,结合满意度函数法优化材料配合比。试验结果表明,各因素均对爆破封孔材料单轴抗压强度影响较大,因素间交互作用明显,影响流动度主要因素为石墨尾矿掺量与质量浓度,爆破封孔材料最优配合比为石墨尾矿掺量60.18%,用碱量4.12%,质量浓度77.75%。最优配合比下材料的2 h单轴抗压强度为2.17 MPa、初凝时间为46 min、终凝时间为57 min。

瓦斯抽采顺层钻孔封孔材料及深度优化研究

为提高保证顺层钻孔抽采瓦斯效率,基于摩尔-库伦准则,分析了巷道及钻孔周围煤岩体破裂区及塑性区分布情况,借助COMSOL Multiphysics数值模拟软件建立了三维顺层钻孔瓦斯抽采模型,以瓦斯压力小于0.74MPa为有效抽采区域,分析了不同封孔材料下有效抽采区域变化。研究表明:巷道或钻孔开挖后主要注浆加固区域为破裂区与塑性区,通过了理论分析得出了该工作面的封孔深度为8.5m,注浆半径为0.75m;以数值模拟聚氨酯及超细水泥基材料封孔处理后瓦斯抽采10d、30d、60d、90d后抽采区域体积为判断,超细水泥基瓦斯抽采效率高于聚氨酯材料41%、36%、33%、34%,幅度随抽采天数逐渐降低,最终稳定在33%左右,得出了最佳封孔参数为封孔深度为8.5m,注浆半径为0.75m,注浆材料为超细水泥基封孔材料,研究顺层钻孔封孔深度及封孔材料优化提供参考。

突出煤层瓦斯抽采顺层钻孔高效封孔材料研究

为解决瓦斯抽采顺层钻孔稳定性较差,易受采动影响导致钻孔失稳破坏,降低了瓦斯抽采效率的问题,通过对顺层钻孔稳定性进行分析,采用了Design-Expert对影响封孔材料性能的水灰比、缓凝剂与膨胀剂掺量三个因素设计了正交实验,得到了高效封孔材料的材料掺量。研究表明:巷道掘进后巷道围岩可分为四个区域,其中破碎区的顺层钻孔稳定性最差,其次是塑性区与弹性区,原岩应力区的顺层钻孔稳定性最高;水灰比、缓凝剂、膨胀剂对封孔材料的影响程度由大到小分别为水灰比>膨胀剂>缓凝剂;得到了三种材料的最佳掺量及封孔材料的预测强度为水灰比1.1、缓凝剂0.05%、膨胀剂4%,封孔材料强度为27.551MPa,与实际封孔材料强度相差仅为0.5%,对比于传统封孔材料,该新型封孔材料具有流动性高、膨胀后不会收缩的特性,对顺层钻孔具有更强的封堵性。该研究可为顺层钻孔封孔材料研究提供一定的研究依据。

新型煤矿瓦斯封孔材料的制备及性能测试

我国约有2/3的瓦斯抽放矿井存在封孔长度短且密封质量差的问题,还约有65%的回采工作面预抽瓦斯浓度低于30%,未能达到《防治煤与瓦斯突出规定》要求。为提高煤矿瓦斯封孔质量,提升瓦斯抽采浓度,本文分析了当下煤矿瓦斯封孔现状,提出新型煤矿瓦斯封孔材料的制备方法,同时对此封孔材料进行性能测试。

注浆封孔材料的研究进展

瓦斯抽采和煤层注水在煤矿安全生产中有着重要的意义,钻孔封孔是瓦斯抽采和煤层注水的关键环节,封孔材料的性能对封孔效果有极大影响。介绍了粘土材料、水泥基材料、高水材料、高分子材料等常用封孔材料的性质及特点,并指出了各类封孔材料存在的不足,重点综述了各封孔材料的应用及研究现状,最后提出了封孔材料目前存在的主要问题并对其发展方向做了展望。

瓦斯抽采二次膨胀封孔材料膨胀机理及应用研究

为降低瓦斯抽采漏气,开发了1种具备后期膨胀的二次膨胀材料(DE),以水泥基材料为对比样,利用自制的膨胀力测试装置,以XRD和SEM分别表征其膨胀力及微观结构。研究结果表明:相比水泥基材料,DE材料的膨胀力明显,并表现出显著的时间效应,且DE材料的膨胀力随约束刚度增大而增大;水化1 d时,DE材料较水泥基材料生成更多的钙矾石(AFt)晶体;随着DE材料水化,AFt晶体不断增多,且水化7 d后AFt晶体发生延迟膨胀,这是引起DE材料后期膨胀的主要因素;工程应用表明DE材料可提高瓦斯抽采浓度及纯量,有效改善抽采效果。

新型封孔材料的性能研究及封孔长度计算

研究聚氨酯硬泡材料的渗透性能和粘结性能,旨在为煤矿瓦斯抽放和煤层注水工艺提供本质安全型的封孔材料,从而提高瓦斯抽放和煤层注水的效果,做好瓦斯、煤尘灾害的预防工作。根据达西定律设计材料渗流量的测试实验,将测定的数据进行线性拟合后,得出聚氨酯硬泡材料的渗透系数为1.00546×10-6cm/s;通过材料的抗压剪切力测试,得出聚氨酯硬泡与煤的粘结强度为387.95kPa;根据封孔模拟实验结果,选择压注药液法作为封孔方法,并根据钻孔受力平衡原则,计算得出由聚氨酯硬泡作为封孔材料的封孔长度至少为0.967m。

适于弱胶结软岩的新型冻结孔封孔材料性能及微结构研究

我国西部地区的弱胶结软岩,岩石强度低,遇水泥化,当采用全深冻结时,冻结壁解冻后时常出现下部冻结管串水,导致工作面涌水和淹井的安全事故。针对这些问题,本文研究适于这种地层的新型冻结孔封孔材料的工作性、强度以及受冻后的抗渗性,并从受冻后的材料的孔结构和SEM形貌来探讨其机理。结果表明：新型冻结孔封孔材料具有很好的流动性,且流动度损失小,浆体的保水性好,无泌水;其3,28 d的抗折、抗压强度都明显高于普通水泥浆,且经受-30℃的低温受冻28 d后的强度损失小;新型冻结孔封孔材料受冻后,开始出现渗水的水压以及渗水范围扩大时的水压要比普通水泥浆封孔材料提高1~2 MPa。微观试验表明：新型封孔材料与普通水泥浆封孔材料相比,总孔隙面积降低、中值孔径减小、孔隙率降低,容重和表观密度增加,混凝土结构密实。

氢氧化钠对瓦斯抽采钻孔新型封孔材料性能的影响

为了提高煤矿瓦斯抽采钻孔的封孔质量,采用硫铝酸盐水泥、石灰、石膏等原料研制出新型钻孔封孔材料,并进行性能测试试验。测定不同氢氧化钠含量下封孔材料的凝结时间、膨胀率和强度等宏观性能;通过测量料浆的温度和pH值,分析氢氧化钠对封孔材料早期水化反应速度的影响,用扫描电镜(SEM)观察不同氢氧化钠含量时反应产物的微观形貌。结果表明:随着氢氧化钠含量的增加,封孔材料的凝结时间缩短,膨胀率和强度增加;氢氧化钠导致水化反应早期速度加快和封孔材料水化产物的晶体尺寸更小,说明适量加入氢氧化钠可改善封孔材料的性能。

新型聚氨酯聚脲瓦斯抽采封孔材料的研究

与传统化学封孔材料相比,开发的新型聚氨酯聚脲封孔材料具有力学强度高及尺寸稳定性好的优点。并在焦作煤业九里山矿14141运输巷进行工程试验,结果表明,在相同条件下,与采用聚氨酯加高水充填甲、乙料封孔对比,采用聚氨酯聚脲封孔材料进行封孔,平均瓦斯抽采浓度较高,瓦斯浓度大于50%的孔比率较大,封孔效果好。

煤矿用聚氨酯封孔材料的制备及性能研究

聚氨酯封孔材料的尺寸稳定性直接影响着瓦斯抽放效果。研究了催化剂(N,N-二甲基环己胺)用量、异氰酸根指数以及阻燃剂(甲基膦酸二甲酯)用量对封孔材料的尺寸稳定性的影响,以及封孔材料的阻燃性能和压缩强度。结果表明,随着N,N-二甲基环己胺用量的增大,收缩率呈减小趋势,发泡倍数呈先增大后减小趋势。随着异氰酸根指数的增大,收缩率呈逐渐减小趋势,发泡倍数先增大后减小,压缩强度先减小后增大,在异氰酸根指数为1.05时发泡倍数为20.2倍,压缩强度为0.526 MPa。随着甲基膦酸二甲酯用量的增加,平均燃烧时间减少,收缩率呈先增大后减小的趋势。

发泡剂复配对聚氨酯泡沫封孔材料性能的影响

探讨了发泡体系中一氟二氯乙烷(HCFC141b)与水的物质的量比对聚氨酯封孔材料发泡倍数、发泡时间、固化时间、强度和开孔率的影响。结果表明,随着发泡体系中水比例的增加,材料的发泡倍数先增大后不变,材料的发泡时间和固化时间减小;在HCFC141b与水的物质的量比为1∶3时,发泡倍数达到最大值20倍;全水发泡时,发泡时间为265 s,固化时间为851 s。材料的强度先减小后不变,当HCFC141b与水的物质的量比为1∶3时,压缩强度降为最小值0.692 MPa,冲击强度降为最小值0.56 k J/m2。材料的开孔率随着发泡体系中水比例的增加而增加。

新型无机瓦斯抽采钻孔封孔材料及应用研究

针对目前瓦斯抽采钻孔封孔材料封孔质量差、抽采浓度低、材料强度低、固结时间长等缺点,以硫铝酸盐水泥熟料、石灰和石膏为主料,并辅以改性材料,研发了一种新型无机双液瓦斯抽采钻孔封孔材料。该材料固化速度快、强度高、渗透性强,具有微膨胀性能,能够有效将孔内封实,消除孔内漏气通道。该新型材料在抽采钻孔封孔领域具有良好的应用前景。

一种早强膨胀延迟封孔材料制备及性能研究

针对矿井水泥封孔材料硬化过程体积收缩及加入膨胀剂导致强度下降的问题,基于硅酸盐水泥,以聚丙烯酰胺为囊壁,包覆铝粉形成膨胀剂微胶囊,与铝酸钠、氯化钠、硫酸钠、三乙醇胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）为主要成分的复合早强剂联合使用,制备一种可达到早期强度与膨胀要求的矿用封孔材料;通过膨胀性能、抗压强度等测试,利用X射线衍射（XRD）分析法与扫描电子显微镜（SEM）等手段,研究外加剂对水泥封孔材料性能的影响。研究表明：当氯化钠掺量（占水泥质量的百分比）为0.5%、硫酸钠0.5%、三乙醇胺0.05%、AMPS1%、铝酸钠1%、铝粉微胶囊0.1%,1天抗压强度达到4.2 MPa,3天抗压强度达到6.7 MPa,膨胀时间延迟4 h,膨胀率达到19.32%,可实现强度与膨胀协调发展。

新型爆破封孔材料的制备与应用

针对目前煤矿井下爆破封孔材料凝结时间长,流动性差、早期强度低等不足,基于普通硅酸盐水泥与常用外加剂进行复配,通过全面试验的方法筛选和分析最优组分,并进行力学性能测试和现场试验。结果表明,当NaAlO_2为2.5%,CaCl_2为1.5%,TEA为0.03%,减水剂为0.5%时,水泥复合材料初凝时间为33 min,终凝时间为62 min,2 h静态抗压强度达到0.81 MPa,动态抗压强度达3.12 MPa;同时复合水泥封孔材料具有更好的封孔质量和爆破封孔适应性,将封孔材料凝结时间由普通水泥浆液的10 h缩短至2 h,且爆破后瓦斯抽采纯量相比普通水泥封孔提高了8.6%,提高了爆破作业进度和生产效率。

延迟型膨胀剂对水泥基封孔材料性能的影响研究

为解决水泥基封孔材料在煤矿封孔应用中产生收缩变形问题,现以水泥浆材料为基料,利用微胶囊技术对铝粉膨胀剂进行改性处理,通过单因素试验确定环境温度,并在所确定环境温度下利用正交试验研究不同芯/壁质量比、水灰比,微胶囊掺量条件下延迟型膨胀剂对封孔材料膨胀、抗压性能的影响。结果表明:芯/壁质量比1.5:1,水灰比0.5,环境温度35℃,掺入4‰改性膨胀剂封孔材料膨胀性能最佳。较基准组延迟膨胀4h,膨胀率终值为15%,抗压强度在膨胀剂的影响下没有明显降低,并保持良好的强度性能。1d抗压强度2.3MPa,3d强度14.6MPa,7d强度21.2MPa,28d强度31.7MPa。