钻孔CF新型密封材料的孔隙结构特性研究

材料、CF新型密封材料的孔隙结构特性。实验模拟了煤矿井下钻孔封孔过程，综合采用压汞法和二氧化碳气体吸附法对普通水泥注浆后的煤样和CF新型密封材料注浆后的煤样孔隙结构进行对比分析。结果表明：CF新型密封材料相比普通水泥材料有着较好的渗透力，可以有效的消除钻孔封孔段周围微观裂隙和孔洞，提高封孔段的稳定性；经过注浆之后，普通水泥材料注浆的煤样和CF新型密封材料注浆的煤样平均孔径分别为9，8·6 nm，孔隙率分别为4·428 1%，3·775 6%.关键词：孔隙结构特性；密封性能；普通水泥密封材料；新型密封材料

中图分类号：TB 302·1文献标志码： A

0引言

钻孔抽采是煤矿瓦斯治理的基础技术手段，广泛应用于瓦斯抽采[1-2]、参数测试[3]、煤层注水[4]、煤层增透[5]等各个方面。一般而言，钻孔成孔后都要求对钻孔进行密封，钻孔密封是保持孔底负压或正压的关键因素，而封孔质量的好坏直接影响各类钻孔作用的发挥。目前，我国约有2/3的瓦斯抽采矿井封孔长度短而且密封质量差[6-7]。约有65%的回采工作面预抽瓦斯浓度低于30%[8]，瓦斯压力测定钻孔中测压成功率一般低于50%[9]。矿井瓦斯抽采过程中，密封材料的性能影响了钻孔周围裂隙的封堵效果[5]，若材料易于渗漏或粘结性较差，则会由于钻孔漏水漏气而无法达到瓦斯抽采的效果[10]。因此，研究钻孔密封材料的微观特性及其对密封性能的影响作用对瓦斯抽采工作具有十分重要的意义。

目前我国大多数煤矿现场采用的钻孔密封材料主要是普通水泥类材料，但是对于普通水泥封孔材料的微观特性以及其对密封性能的影响却没有进行进一步研究，造成企业在现场密封工作中选择密封材料的盲目性，不仅费料费力费时间，而且达不到煤矿对瓦斯抽采的要求。鉴于此，结合普通水泥本身具有高强度和高密度的特点，设计研制了CF新型密封材料。CF新型密封材料具有初凝时间适当、材料易向钻孔内部裂隙渗透、膨胀率和稳定膨胀时间易调节、高强度、反应温度低、材料配比容易、原料均为常见建筑和化工材料以及材料无毒无害等优点。与此同时，文中分别选用普通水泥材料、CF新型密封材料实验模拟了钻孔密封过程，综合采用压汞法和二氧化碳气体吸附法对普通水泥注浆后的煤样和CF新型密封材料注浆后的煤样孔隙结构进行对比分析。为煤矿现场瓦斯抽采过程中钻孔密封材料的选择提供了理论指导。

1实验设计及方法

1·1实验模型实验采用刚性容器装煤，试验装置是内边长均为500 mm的立方体，拟采用26 mm的钢板加工而成。容器上部中心开有50 mm的注浆孔，与压水式手动注浆泵相连。注浆管一端封闭，侧面开有网眼，模拟实际封孔时的径向渗透。开始注浆前应首先将管路中的空气排放干净。实验模型如图1所示。

1·2实验方法及实验步骤为了研究新型密封材料的孔隙结构情况，考察其对钻孔密封性能的影响，本实验模拟了煤矿井下钻孔封孔过程。由于实验环境的限制，实验将煤粉通过一定的方法制成煤样，以便进行注浆。煤样取自潞安集团常村矿53采区。实验步骤如下1）取A，B 2组煤样，A样进行普通水泥材料注浆，B样进行CF新型密封材料注浆；2）待试验煤块中注浆材料浆液凝固后，分别径向切开A，B样的模拟钻孔，分别取A，B样中相同位置处直径为1 cm的煤块；

3）对制取的A，B煤样进行压汞法和二氧化碳气体吸附法。

2CF新型密封材料与普通水泥材料注浆后煤体孔隙结构变化情况目前，对于煤的孔隙特征研究较常见的方法是利用压汞法、核磁共振和气体吸附法等来测定煤体孔隙大小。由于压汞法测孔半径范围为3·75～750 nm，根据IUPAC孔径分类法，无法测量煤中的微孔结构[11]。因此，本节综合采用压汞法和二氧化碳气体吸附法对潞安集团常村煤矿53采区的煤样进行孔隙测定。由前述试验知，A试验为普通水泥材料注浆煤样，B试验为CF新型密封材料注浆煤样。

2.1实验数据压汞实验所得的数据见表1，2，由于数据繁多，这里仅列出部分数据。其中，普通水泥材料注浆后煤样压汞数据见表1.

2.2孔径分布图根据压汞实验和CO2吸附实验数据分别作出煤体微孔、中孔及大孔的孔径分布图，如图2，3所示。

由图2和图3可知，无论是采用普通水泥材料注浆后的煤样和还是采用CF新型密封材料注浆后的煤样，中孔的数量明显多于大孔数量，煤样中的微孔数量要远多于中孔和大孔的数量。为了更加直观地定量对比处理前后煤样孔隙结构的变化情况，对压汞实验和CO2吸附实验数据进行统计分析，见表5.

从表5可以发现，无论是普通水泥材料注浆煤样还是CF新型密封注浆煤样，其微孔数量远大于中孔或大孔的数量。微孔所占孔隙结构的比例为52%，比例最大，中孔比例在35%左右，大孔所占比例最小，仅为13%左右。这是由于煤体抗压强度小，在承压状态下较大的孔隙结构和裂隙基本闭合。CF新型密封材料注浆处理的煤样相比普通水泥材料注浆的煤样，无论是总进汞量、CO2吸附量或是总孔面积都小。其中，微孔体积普通水泥材料注浆的煤样为0·042 mL/g，CF新型密封材料注浆的煤样为0·034 mL/g，相应中孔体积分别为0·027，0·023 mL/g，大孔体积分别为 0·011 5，0·008 5 mL/g，煤样的平均孔径分别为9，8·6 nm，孔隙率分别为4·428 1%，3·775 6%.因此，CF新型密封材料相比普通水泥材料有着较好的渗透力，可以克服钻孔封孔段周围裂隙区内瓦斯压力等各种阻力的作用，逐渐渗透到钻孔封孔段周围裂隙内，可以有效的消除钻孔封孔段周围微观裂隙和孔洞，切断了钻孔内的瓦斯以及巷道内的空气向封孔段周围裂隙和孔洞渗透的通道，提高钻孔密封效果。

3结论

1）无论是普通水泥材料注浆煤样还是CF新型密封材料注浆煤样，其微孔数量远大于中孔或大孔的数量。微孔所占孔隙结构的比例为52%，比例最大，中孔比例在35%左右，大孔所占比例最小，仅为13%左右；

2）对2种材料注浆后的煤样进行了压汞实验和二氧化碳吸附实验，考察煤体孔隙结构的变化，经过对比分析，微孔体积普通水泥材料注浆的煤样为0·042 mL/g，CF新型密封材料注浆的煤样为0·034 mL/g，相应中孔体积分别为0·027，0·023 mL/g，大孔体积分别为 0·011 5，0·008 5 mL/g，煤样的平均孔径分别为9，8·6 nm，孔隙率分别为4·428 1%，3·775 6%.因此，CF新型密封技术整体性能优于普通水泥密封材料。

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