瓦斯抽采鉆孔新型密封材料與聚氨酯的性能測試對比

張 羽,常 杰,荊煒琛

(1.山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長治 046100;2.西安科技大學(xué) 安全學(xué)院,西安 710054；3.河南能源化工集團(tuán),鄭州 450046)

瓦斯災(zāi)害作為煤礦五大災(zāi)害之一,限制了我國礦井生產(chǎn)能力的發(fā)揮[1]。解決瓦斯災(zāi)害最根本的措施就是瓦斯抽采[2]。而在瓦斯抽采中封孔材料自身的密封性能制約著鉆孔的密封效果[3]。諸多學(xué)者在封孔材料方面做了大量的研究[4],任青山等[5]為提高瓦斯抽采鉆孔的密封效果,通過普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鈣水泥、自制高倍率膨脹劑等材料的復(fù)配,研發(fā)出一種膨脹率高、速凝、高強(qiáng)度的鉆孔密封材料;翟成[6]為了保證瓦斯抽采鉆孔的密封效果,針對傳統(tǒng)的固體密封材料易漏氣、液體密封材料容易漏失的缺點(diǎn),研制了一種適合鉆孔變形的柔性膠體材料;倪冠華等[7]以水泥為基材,開發(fā)了一種由膨脹摻和劑、添加劑、纖維蛋白和偶聯(lián)劑混合的新型復(fù)合密封材料,并對材料的密封性能和膨脹性能進(jìn)行了研究和分析;張超等[8]為改善瓦斯抽采鉆孔的封孔效果,對比分析了普通水泥密封材料與CF新型密封材料的孔隙結(jié)構(gòu)特性;鄭春山等[9]為提高瓦斯抽采鉆孔密封材料的封孔性能,研發(fā)了PD系列封孔材料,使用FEIQuantaTM 250環(huán)境掃描電子顯微鏡分析了其與鉆孔壁結(jié)合特征及其向鉆孔周邊滲透情況,并建立了鉆孔周邊縫隙流體泄漏模型進(jìn)行理論驗(yàn)證;張?zhí)燔姷萚10]為了尋找新型礦用CF材料適宜的膨脹性能, 利用壓汞儀和DNS-200電子萬能試驗(yàn)機(jī)等系統(tǒng),對不同膨脹劑占比量水平下新型CF材料的孔隙發(fā)育、膨脹-時(shí)間效應(yīng)、膨脹機(jī)理及蠕變特性進(jìn)行了測試分析。

目前應(yīng)用較多的鉆孔密封材料主要有水泥砂漿和聚氨酯材料[11-12]。水泥材料通常使用“兩堵一注”式封孔方法進(jìn)行密封,但其材料在后期凝固后易出現(xiàn)干裂收縮現(xiàn)象,密封性較差[13];聚氨酯材料通常是固定在抽采管外管壁送入鉆孔內(nèi)部,待材料發(fā)生膨脹后起到密封的作用。兩種材料的密封原理大致相似,但聚氨酯材料滲透性較差且抗壓強(qiáng)度不足,幾乎無法滲透到鉆孔周邊的微孔裂隙中,材料固化后無法對鉆孔形成有效的支護(hù)[14]。為了提高鉆孔密封效果,研制了一種以普通硅酸鹽為基料,輔以其他添加劑的一種新型密封材料，分別用聚氨酯材料和新型密封材料制備標(biāo)準(zhǔn)試件,對其進(jìn)行孔隙的宏觀與微觀特性分析和抗壓強(qiáng)度分析,驗(yàn)證新型密封材料的優(yōu)良物理特性。

1 新型密封材料孔隙特性分析實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

取一定量的新型密封材料,按照水料比混合攪拌均勻后置入標(biāo)準(zhǔn)模具中,凝固以后取下模具,按照實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)截取直徑1 cm的樣品,將樣品置于掃描電鏡中進(jìn)行觀察。

取PB聚氨酯材料,將袋中兩種材料混合均勻,待其發(fā)泡凝固后取直徑為1 cm的樣品做電鏡掃描。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1)宏觀孔隙分析。圖1為聚氨酯表面凝固圖。從外部觀察發(fā)泡后的聚氨酯材料,發(fā)現(xiàn)聚氨酯材料表面有較大孔隙,如圖1-a所示;切開觀察其中間位置有許多相互貫通的小孔,如圖1-b所示。

圖1 聚氨酯表面凝固圖Fig.1 Polyurethane surface solidification diagram

圖2為新型密封材料圖。從表面觀測凝固完成后的新型密封材料,如圖2-a所示,發(fā)現(xiàn)材料表面偶爾有微小的凹坑,但整體較為光滑。這是由于新型密封材料中添加劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的氣泡破裂而形成的凹坑。

截開該材料觀察其內(nèi)部孔隙分布情況,如圖2-b和2-c所示,發(fā)現(xiàn)在新型密封材料內(nèi)部存在大量的孔隙,且彼此獨(dú)立存在,互不貫通。這些沒有貫通的孔隙使得新型密封材料具有良好的膨脹性。

2-c 截面放大20倍圖圖2 新型密封材料Fig.2 The new sealing material

2)微觀孔隙分析。圖3為電鏡掃描聚氨酯放大100倍所觀察到的圖像。從圖3可以看出，其內(nèi)部呈現(xiàn)蜂巢網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且表面較為光滑,同時(shí)測得該網(wǎng)狀孔洞結(jié)構(gòu)直徑約在0.1～0.5 mm。由此可知,聚氨酯材料光滑的蜂巢網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不僅給氣體的流通提供了便捷的通道,同時(shí)大大降低了氣體流動的阻力。在鉆孔瓦斯抽采過程中,使用聚氨酯材料密封的鉆孔其材料本身就為鉆孔內(nèi)外提供了漏氣通道,從而降低了瓦斯抽采效果。

圖4為電鏡掃描新型密封材料放大400倍的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。從圖4可以看出，即使將其放大400倍,新型密封材料內(nèi)部也只能觀察到極個別單一的孔隙結(jié)構(gòu),與聚氨酯材料相比新型密封材料自身的致密性保證了氣體無法從材料本身通過,在鉆孔瓦斯抽采過程中杜絕了密封材料自身形成的漏氣通道,保證了瓦斯抽采效果。

2 新型密封材料抗壓強(qiáng)度分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

2.1.1聚氨酯試樣制備

1)選取規(guī)格為長100 mm、內(nèi)徑50 mm的有機(jī)玻璃管,在管內(nèi)壁均勻涂抹一層有機(jī)脫模劑;

2)將PB聚氨酯材料中兩種液體混合均勻后,根據(jù)需要稱取一定量的混合料,立刻倒入有機(jī)玻璃管中;

3)待聚氨酯發(fā)泡完成且徹底凝固后,根據(jù)單軸抗壓試驗(yàn)的要求制取標(biāo)準(zhǔn)試件,制得的試件如圖5所示;

圖5 聚氨酯試件Fig.5 Polyurethane specimen

4)將制取的標(biāo)準(zhǔn)試件放在DYD-10電子萬能試驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺上,調(diào)節(jié)好試驗(yàn)參數(shù)然后進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。

2.1.2新型密封材料試樣制備

1)準(zhǔn)備好硅酸鹽水泥、制備密封材料所需的添加劑及燒杯、電子秤、模具等所需的試驗(yàn)制備器材。

2)將準(zhǔn)備好的模具(50 mm×100 mm)內(nèi)部覆蓋一層塑料薄膜,用來防止?jié){液的滲透及后期試樣的脫模處理。

3)按照配比將硅酸鹽水泥及添加劑混合均勻,根據(jù)水料比制得所需漿液并倒入準(zhǔn)備好的模具中。由于新型密封材料具有一定的膨脹性,因此漿液不能完全充滿模具,需要給新型密封材料留有一定的膨脹空間。

4)將模具密封靜置直至新型密封材料凝固,取出試樣(見圖6),做好標(biāo)記后進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。

圖6 新型密封材料試件Fig.6 New material specimen

2.1.3單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

采用DYD-10電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)[15]。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:

1)準(zhǔn)備好材料的標(biāo)準(zhǔn)試件(50 mm×100 mm),確保新型密封材料的光滑平整;

2)開啟電子萬能試驗(yàn)機(jī)并放置好所制試件,對壓力缸及加載速率進(jìn)行調(diào)試,觀察壓裂過程中試件的變形破壞情況(見圖7)及應(yīng)力-應(yīng)變曲線的發(fā)展規(guī)律,并作相應(yīng)記錄。

圖7 新型密封材料抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)Fig.7 Compressive strength test of the new sealing material

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1聚氨酯試件抗壓強(qiáng)度分析

圖8為聚氨酯試件壓力隨位移變化圖。

圖8 聚氨酯試件壓力隨位移變化圖Fig.8 Variation of pressure with displacement of polyurethane specimen

由圖8可知,聚氨酯樣品的壓力隨著壓縮位移的增大逐漸增加,而且可以明顯發(fā)現(xiàn)其壓力曲線近乎為一條直線,呈現(xiàn)線性規(guī)律的增加。在聚氨酯試件的壓縮位移從開始壓縮至5 mm時(shí),其壓力值的變化雖然呈線性增加,但其增加速率極為緩慢,最大壓力都達(dá)不到600 N,此時(shí)計(jì)算其平均壓縮強(qiáng)度僅為190.8 kPa。

2.2.2新型密封材料試件抗壓強(qiáng)度分析

新型密封材料由于其主要原料為硅酸鹽水泥,因此在受壓時(shí)同巖石試件一樣,經(jīng)歷了壓實(shí)、彈性、屈服、破壞四個階段。圖9為新型密封材料壓力隨壓縮位移變化曲線。

圖9 新型密封材料壓力隨壓縮位移變化曲線Fig.9 Variation of pressure with displacement of the new material specimen

由圖9可知,觀察新型密封材料的受壓曲線,發(fā)現(xiàn)隨著壓縮位移在3.8 mm附近時(shí),其壓力達(dá)到最大為6 400 N,此時(shí)抗壓強(qiáng)度為2.56 MPa。然而新型密封材料較巖石試件在其破壞階段壓力曲線出現(xiàn)了一次降緩和二次降緩,同時(shí)二次降緩區(qū)域的壓力曲線呈波浪形下降,這是由于新型密封材料中膨脹劑發(fā)生化學(xué)變化,在內(nèi)部形成互不貫通的微孔結(jié)構(gòu),這些孔洞在受到較小壓力時(shí),由于具有一定的抗壓強(qiáng)度,沒有出現(xiàn)擠壓變形;當(dāng)其受到進(jìn)一步壓力的作用進(jìn)行相互擠壓閉合,則使材料的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)破碎,導(dǎo)致材料短暫密實(shí)。

2.2.3聚氨酯封孔材料和新型密封材料抗壓強(qiáng)度對比分析

圖10為聚氨酯與新型密封材料抗壓強(qiáng)度對比圖。

圖10 聚氨酯與新型密封材料抗壓強(qiáng)度對比圖Fig.10 Compressive strength comparison of polyurethane and the new sealing material

由圖10可知,新型密封材料的壓力從開始受壓至受壓完成整個階段均明顯高于聚氨酯材料,同時(shí)隨著壓縮位移的增加,在較小壓縮位移內(nèi),新型密封材料的受壓能力急劇增加,而聚氨酯材料增加較緩。這表明前者的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于后者,在進(jìn)行鉆孔密封時(shí),新型密封材料能夠?qū)︺@孔起到更好的支護(hù)作用。

綜合考慮新型密封材料與聚氨酯材料自身的致密性及抗壓強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)對比聚氨酯密封鉆孔,使用新型密封材料密封鉆孔,不僅保證了鉆孔的支護(hù)強(qiáng)度,同時(shí)也保證了后期瓦斯抽采的密封性。

3 結(jié)論

1)新型密封材料中含有大量互不貫通的宏觀孔隙,使其在具有良好致密性的同時(shí)仍有較好的膨脹性,而聚氨酯材料有許多相互貫通的孔。

2)掃描電鏡下,聚氨酯材料的微觀結(jié)構(gòu)呈蜂巢狀結(jié)構(gòu),而新型密封材料僅含有極個別的孔隙結(jié)構(gòu),從材料自身的致密性避免了鉆孔漏氣通道的產(chǎn)生。

3)對聚氨酯與新型密封材料進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn),得出新型密封材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于聚氨酯的抗壓強(qiáng)度,在鉆孔密封過程中新型密封材料的使用可以大大加強(qiáng)鉆孔的支護(hù)強(qiáng)度,保證鉆孔瓦斯抽采的有效性。