礦用封孔材料研究進展

趙 君， 史竹青， 李偉斌， 袁秋華

(陽泉煤業(集團)有限責任公司化工研究院，山西 太原 030021)

引 言

煤炭作為我國現在乃至今后一段時間內的主體能源，在我國經濟發展中發揮著重要的作用，然而與其伴生共存的瓦斯卻一直是制約礦井安全、高效開采的主要因素。煤層瓦斯抽采是防治瓦斯災害事故的有效措施，其抽采效果除了受煤層賦存構造、鉆孔布置方式和抽采系統能力等因素影響以外，鉆孔封孔質量也是影響抽采效果的直接原因[1]，封孔質量的好壞直接影響瓦斯抽放效率和煤層注水的效果。封孔材料是提高封孔質量的決定性因素，封孔材料選擇不當，易產生鉆孔封堵不嚴密、抽采負壓低、抽采濃度小等問題。

1 礦用封孔材料的分類

目前，我國煤礦瓦斯抽采使用的封孔材料主要有粘土(黃泥)類、水泥基材料、高水材料、聚氨酯材料四種類型。

粘土(黃泥)類材料是使用最早的封孔材料，來源于廣泛分布的質地細密、富有可塑性的半干粘土、黃泥或黃泥—水泥混合物等[2]。此類封孔材料價格低廉、施工操作相對簡單，但粘性較大，容易與鉆孔孔壁粘連形成空隙漏氣，且不易送到指定位置，不適于深孔封孔。因此粘土(黃泥)作為封孔材料已經很少采用。

水泥基材料是目前應用最為廣泛的封孔材料，這種材料使用注漿泵將水泥砂漿注入到孔內，從而完成鉆孔的封堵，具有操作便捷、成本低、來源廣、封孔深度大等優點。在實際封堵中，一般會加入一些添加劑來改善水泥砂漿的性能，提高封堵效果，且在加壓的情況下會達到更好的封孔效果[3]。

高水材料是一種新型材料，由A、B兩種組分組成。兩組分分別加水攪拌時，24 h內不沉淀、不凝固，兩組漿液混合攪拌后，經過一定的物理化學反應，30 min內便可快速凝結、固化成固體材料[4]。該材料凝結速度快，可減少固化劑用量，且反應時間可控，后期硬化體抗壓強度較高，主要用于采礦工程巷道支護、采礦區充填、瓦斯封孔等方面。

聚氨酯注漿封孔材料是通過多異氰酸酯與多羥基化合物發生反應而生成，一般由黑料和白料兩組分等體積混合，在幾分鐘內即可反應固化，達到很高的強度，起到封孔作用。聚氨酯類封孔材料操作簡便、封孔迅速，膨脹倍數高，固結體具有良好的強度和彈性，是解決封孔材料韌性差的理想材料。

2 礦用封孔材料的研究進展

2.1 水泥基材料

水泥漿料在封堵裂縫鉆孔方面的應用有較長的歷史，在煤礦瓦斯災害防治中的使用較為普遍。但水泥基材料作為煤礦井下封孔材料仍然存在凝固時間長、早期強度不高、易收縮產生裂縫等問題，因此學者們選擇通過添加外加劑對材料進行改性。

早強劑是水泥添加劑中不可缺少的一種，它能夠有效提高水泥封孔材料的早期強度。牛建東[5]以亞硝酸鈉、氯化鈉和三乙醇胺為混合早強劑，探討并分析了其早強效果，發現了亞硝酸鈉和氯化鈉的化學作用，明顯提高了水泥材料的早期強度。肖茜[6]研究了硫酸鈉、氯化鈣、三乙醇胺三種添加劑對水泥基封孔材料強度的影響，實驗得出提高早強劑摻入量能夠提高其強度，但存在最佳摻量，早強劑若加入過多，材料強度反而會下降。王成文[7]研究了一種新型早強劑：鋰鹽早強劑，來提高低溫環境下水泥材料的早強效果，系統的研究了鋰鹽的工作機理和特性。

速凝劑是工程中噴射和堵漏等技術最常用的化學劑，能夠加快材料的硬化速度，同時不會太影響其強度。黃天勇[8]等探討研究了石灰石粉和速凝劑共同作用對水泥漿料硬化時間的影響。趙蘇[9]以鋁酸鈉為速凝劑探討其用料對水泥凝固性能的作用規律，并利用XRD、SEM等技術研究其工作機理。張述雄[10]等采用二乙醇胺、甘油、硫酸鋁等化學試劑制成了一種硫酸鋁型無堿液體速凝劑，有效提高了水泥凝結速度。

為了改善水泥基封孔材料干燥易收縮的現象，提高材料的膨脹性能，專家學者們進行了大量的研究工作。朱洪波[11]在水泥中摻入聚乙烯酰胺、石英砂、海帶根粉等，海帶根粉吸水后能產生膨脹，彌補水泥的收縮效應，但海帶根粉需要防潮，在礦井高濕環境下易造成膨脹損失。郝志勇[12]研發出一種水泥基PD封孔材料，該種材料能實現封孔水泥的微膨脹，且通過微膠囊技術處理膨脹劑能實現延遲膨脹，封孔效果較好。孫文標[13]等研究了一種以高鋁水泥、石膏、石灰等為主料的速凝高強膨脹型水泥封孔材料，并對其凝結時間、膨脹率及強度等特性進行了分析，表明該材料的膨脹與水化產物鈣礬石較小的晶體尺寸和放射狀分布有關。

2.2 高水材料

高水材料具有高水灰比迅速固化、強度提升較快、微膨脹性等有點，因此被沿用于礦井密封中，取得了良好的封孔效果。張英華[14]等對高水材料的流動性、凝固時間、抗壓強度和膨脹性能進行了研究，并考察了現場應用效果，試驗結果表明孔內未出現漏水、竄孔等現象，封孔工藝簡單，封孔深度大，密封效果好。Chang Jun[15]等研發了一種新型高水材料，通過XRD、SEM和DTA-TG研究了該新型材料的性能和水化機理，結果表明該高水材料的水化產物為硫酸鋇、含鋇鈣礬石、鋁凝膠和C-S-H凝膠。宋吳兵[16]等提出了一種新型高水材料及封孔技術，并應用在西山煤電集團官地礦現場，結果表明水灰比為1∶4時，封孔效果達到最佳，瓦斯抽采濃度可提高35%～50%。中國礦業大學馮光明[17]等在高水材料的基礎上研制出一種超高水材料，其水灰比高達11∶1，該種新型材料流動性優異，具有凝結時間和強度可調控、固結體不收縮等優點。

2.3 聚氨酯材料

聚氨酯作為一種性能優良的高分子材料，在煤礦封孔方面的研究主要集中在其強度、阻燃性、靜電抗性、最高反應溫度、老化抗性方面。楊紹斌[18]等研究了阻燃劑TCEP添加量對聚氨酯封孔材料性能的影響，研究結果表明TCEP的添加提高了聚氨酯的極限氧濃度，膨脹倍數隨著TCEP的加入先降低后升高。王大慶[19]等利用聚氨酯封孔材料解決了松軟煤層瓦斯抽采效果差的問題，瓦斯抽采濃度可達到90%以上。劉元俊[20]等采用極限條件加速聚氨酯封孔材料的老化，得到材料的老化規律，利用時溫等效性及阿雷尼烏斯方程外推法推測了聚氨酯材料在封孔過程中的使用壽命。周鵬[21]等通過理論推導建立了可以計算聚氨酯材料最高反應溫度的模型，提出了降低材料反應熱的基本方法。

3 結語

封孔材料在煤礦瓦斯抽采中扮演著重要的角色，雖然專家學者們都在對封孔材料進行不斷的研究和改進，并取得了很大進展，但現有的封孔材料在實際應用中并不能達到令人滿意的密封效果，為更好的滿足煤礦封孔的需求，今后可以從以下幾個方面進行更深入的研究。

1) 多種新型改性封孔材料成本較高，制備過程復雜，、可以選擇工業廢棄物等更廉價的改性材料，簡化材料的制備工序，將更易實現大規模生產應用。

2) 封孔材料的膨脹性能是影響封孔質量的關鍵因素，控制封孔材料的膨脹速度方面需要進行更深入的研究。微膠囊化技術可以實現膨脹能的緩慢釋放，將是今后研究者的重要研究方向。

3) 研發的新型封孔材料建議進行煤礦現場封孔效果考察，以驗證其工程意義。