一种用于瓦斯抽放孔的封孔材料及制备方法

本发明涉及煤炭开采领域，特别涉及一种用于瓦斯抽放孔的封孔材料及制备方法。

背景技术：

1、目前，瓦斯治理一直是影响施工安全及煤矿生产的主要因素。随着煤炭开采深度日益加深，瓦斯问题逐渐变得更加严重，因此瓦斯治理措施也层出不穷。在众多的瓦斯治理措施中，煤层瓦斯抽采工作一直发挥着重要的作用，被普遍承认是煤矿瓦斯治理的基础措施，在实际生产中也得到了推广和应用。

2、但是发展至今，瓦斯封孔质量依然很难满足煤矿企业的需要。在封孔材料选择时，若选用铝酸盐水泥熟料，则封孔后内部容易发生微裂纹，造成封孔失效。若选用硅酸盐水泥熟料，则封孔固结后容易发生收缩，致使封孔气密性变差，而且硅酸盐水泥材料的凝固时间普遍在5-6h，且不具备早期强度，至少24h之后才能凝固测试强度。另外，传统水泥封孔由于凝结时间长，注浆完成24-36小时后水泥才能够完全凝固，然后才可以在井下进行连管抽放；由于凝固时间长，注浆过程中便容易发生漏浆现象无法实现封孔堵漏。粘土封孔的主要不足是封孔长度短，粘土遇水易发生软化，密封效果差。聚氨酯封孔由于膨胀体积较大，膨胀后形成大量的小腔体，同时腔体之间相互贯通，致使密封后气密性差，另外聚氨酯属于高分子化学材料，有剧毒腐蚀性，对人体皮肤等容易造成巨大伤害，价格昂贵，且密封周期短，1～2月后抽采负压便会减小，抽采瓦斯浓度衰减快，甚至后期瓦斯抽采浓度不足3％。

3、综合上述，由于以上封孔材料存在的弊端较严重，为了更好地完成煤矿瓦斯治理工作，高抽采浓度、高效率的完成瓦斯抽采，亟需设计一种具有优异膨胀性能、气密性，高强低成本且无毒无害的新型瓦斯封孔材料。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种用于瓦斯抽放孔的封孔材料及制备方法，以解决背景技术中记载的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、本发明技术方案之一：提供一种用于瓦斯抽放孔的新型封孔材料，原料按质量份数计，包括：

4、胶凝组分100份、胶凝外加剂1.6-4.5份、激发组分100份和激发外加剂2.06-2.10份；

5、所述激发组分由75-85质量份的石膏类组分和15-25质量份的氧化钙类组分组成；

6、所述胶凝外加剂和激发外加剂中均含有发泡剂。

7、优选地，所述胶凝组分为硫铝酸盐水泥熟料；所述石膏类组分为脱硫石膏；所述氧化钙类组分为生石灰。

8、本发明所用的硫铝酸盐水泥熟料的主要成分为c4a3s、c2s和c4af，是一种性能良好的水硬性胶凝材料。

9、本发明更优选的石膏类组分为脱硫建筑石膏(ca[so4]·2h2o)，且为生石膏；经过xrf成分分析，相比于常规石膏组分，脱硫建筑石膏的成分符合试验要求，具有更优异的水化反应性能。

10、优选地，所述胶凝外加剂按质量份数计，为：减水剂0.3-0.8份、缓凝剂0.3-1.0份、速凝剂0.5-1.2份和悬浮剂0.5-1.5份。

11、更优选地，所述缓凝剂为葡萄糖酸钠，所述速凝剂为铝酸钠。本发明中添加的缓凝剂和速凝剂能够很好的促进水化反应进行。

12、优选地，所述激发外加剂按质量份数计，为：复合外加剂2.0份和发泡剂0.06-0.10份。

13、更优选地，所述发泡剂为铝粉或双氧水，所述复合外加剂由质量比2:1的减水剂和增稠剂组成。

14、本发明选用的发泡剂在碱性环境下能够反应生成气体。

15、本发明技术方案之二：提供一种根据上述用于瓦斯抽放孔的新型封孔材料的制备方法，包括以下步骤：

16、(1)按比例将胶凝组分和胶凝外加剂混合作为a组分，将激发组分和激发外加剂混合作为b组分；

17、(2)分别在a、b两组分中加水，得到预混料a和预混料b；

18、(3)将预混料a和预混料b混合，即制成所述封孔材料。

19、优选地，步骤(2)中：所述a组分的加水量为a组分质量的1.2-1.5倍，所述b组分的加水量为b组分质量的1.2-1.5倍。

20、本发明技术方案之三：提供一种上述封孔材料在煤矿瓦斯封孔中的应用。

21、本发明所用原料的颗粒度很小，粒径d50可细至1um以下，达到次纳米级，大粒径dmax不超过18um，增强了浆液的渗透性能，使浆液能更好的渗入到孔内裂隙中，防止了钻孔裂隙的进一步增长。

22、本发明的有益技术效果如下：

23、本发明制备的封孔材料具有优异的双阶段膨胀性能；选用的发泡剂在碱性环境下能够反应生成气体，能使浆液在初凝之前(～5min)就发生第一次膨胀，且膨胀率在2-3％之间；待初凝之后(～14min)，硫铝酸盐水泥熟料在石膏、生石灰的作用下，能够生成网状结构的钙矾石，使浆液体积再一次膨胀，膨胀率达到2％-4％。双阶段膨胀弥补了材料收缩造成的漏气现象，减少了漏气通道，使封孔材料能够进一步增强对钻孔周围裂隙的密封作用。

24、本发明提供了一种具有良好气密性，无毒无害，价格便宜的新型瓦斯封孔材料，可以高浓度、高效率的完成瓦斯抽采。此新型封孔材料具有不离析、不泌水和不倒缩等特性，解决了注浆后渗水问题。

25、以本发明的制备方法所得的两种预混料单液均为浆液状，二者即使存放时间超过24h也不会稠化或凝固，膨胀率在5％～10％。将两种预混料混合后，初凝时间在8～12min，终凝时间在25～32min，且凝结时间可调，较快的稠化时间保证了孔内及煤壁围岩裂隙的高效封堵，也能够实现围岩周围漏浆的堵漏，保证孔内的浆液饱和度，实现注浆封堵一体化，解决了充填钻孔后浆液渗流的难题。产物的早期强度增长迅速，2h抗压强度可达到5.5mpa以上，起到了对煤壁钻孔及时支撑保护的作用，有效的避免了封孔后塌孔现象的发生。

26、本发明选用的原料价格低廉，来源广泛，无毒无害；另外，该浆液制备方法简单易行，操作方便，符合煤矿安全标准规定的要求。本发明采用的浆液水灰比虽然较大，但并未导致离析、泌水、倒缩等现象的发生，结实率高达100％；而且，由于此浆液在凝结前具有优异的流动性，因此可以使其在制备煤矿瓦斯封孔时具有更好的填充效果。

技术特征：

1.一种用于瓦斯抽放孔的新型封孔材料，其特征在于，原料按质量份数计，包括：

2.根据权利要求1所述的封孔材料，其特征在于，所述胶凝组分为硫铝酸盐水泥熟料；所述石膏类组分为脱硫石膏；所述氧化钙类组分为生石灰。

3.根据权利要求1所述的封孔材料，其特征在于，所述胶凝外加剂按质量份数计，为：减水剂0.3-0.8份、缓凝剂0.3-1.0份、速凝剂0.5-1.2份和悬浮剂0.5-1.5份。

4.根据权利要求1所述的封孔材料，其特征在于，所述激发外加剂按质量份数计，为：复合外加剂2.0份和发泡剂0.06-0.10份。

5.根据权利要求4所述的封孔材料，其特征在于，所述发泡剂为铝粉或双氧水；所述复合外加剂由质量比2:1的减水剂和增稠剂组成。

6.一种权利要求1-5任一项所述用于瓦斯抽放孔的新型封孔材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中：所述a组分的加水量为a组分质量的1.2-1.5倍，所述b组分的加水量为b组分质量的1.2-1.5倍。

8.一种权利要求1-5任一项所述封孔材料在煤矿瓦斯封孔中的应用。

技术总结
本发明公开了一种用于瓦斯抽放孔的封孔材料及制备方法，属于煤炭开采领域。所述封孔材料的原料按质量份数计，包括：胶凝组分100份、胶凝外加剂1.6‑4.5份、激发组分100份和激发外加剂2.06‑2.10份。本发明提供了一种具有良好双阶段膨胀性能、气密性，无毒无害，价格便宜的新型瓦斯封孔材料，可以高浓度、高效率的完成瓦斯抽采。此新型封孔材料具有不离析、不泌水和不倒缩等特性，解决了注浆后渗水问题。

技术研发人员：洪紫杰,李振华,贾丽杰,杜锋,曹正正,徐平,陈顺,陈岩,许磊,龚健
受保护的技术使用者：河南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16