不同發(fā)泡劑對抽采鉆孔護(hù)孔泡沫混凝土性能的影響研究

岳文萍 ，凌 偉 ，劉 超

（1.西京學(xué)院 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710123；2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 安全與科學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

隨著煤礦開采深度不斷增加、地應(yīng)力升高、煤層透氣性降低，瓦斯事故日益突出，已成為威脅煤礦安全生產(chǎn)的重大難題[1]。治理瓦斯問題的根本方法是瓦斯抽采[2]，然而，抽采鉆孔成孔后，在地應(yīng)力的作用下，以及擾動(dòng)破壞等因素，常會(huì)造成煤體變形、坍塌[3]，嚴(yán)重影響瓦斯抽采效果。因此，抽采鉆孔有效支護(hù)是保障瓦斯抽采的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[4]。我國煤礦常用的抽采鉆孔塌孔防護(hù)技術(shù)包括打鉆過程中的保護(hù)孔壁技術(shù)和鉆孔成形后的保護(hù)孔壁技術(shù)[5-9]。相關(guān)研究大部分采用下護(hù)孔管的方式解決塌孔問題，但是由于護(hù)孔管直徑相對鉆孔直徑過小，不足以為孔壁提供支護(hù)作用，加之有些孔內(nèi)含水量較大等問題，常常出現(xiàn)護(hù)孔管被堵塞的情況，難以持續(xù)為鉆孔內(nèi)瓦斯抽采提供保障。因此，結(jié)合泡沫混凝土高強(qiáng)度、大孔隙、高連通的特點(diǎn)，考慮研發(fā)一種既能為孔壁提供支護(hù)作用又能為瓦斯流動(dòng)提供通道的新型高透通孔型泡沫混凝土材料。而發(fā)泡劑對泡沫混凝土能否滿足井下鉆孔孔壁支護(hù)起著決定性作用，結(jié)合井下情況，采用控制單因素變量法從孔隙率、抗壓強(qiáng)度和發(fā)熱量3 個(gè)方面對不同發(fā)泡劑進(jìn)行了考察，初步確定一種適合井下使用的發(fā)泡劑，為下一步鉆孔護(hù)孔泡沫混凝土的現(xiàn)場試驗(yàn)及推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 發(fā)泡劑選擇及發(fā)泡原理

發(fā)泡劑的選擇對泡沫混凝土整體性能的影響至關(guān)重要，為了確定出能較好滿足井下鉆孔孔壁支護(hù)的要求，試驗(yàn)分別選取鋁粉和氧化鈣、碳酸氫鈉和硫酸鋁以及雙氧水作為抽采鉆孔護(hù)孔泡沫混凝土的發(fā)泡劑，進(jìn)行了控制單因素變量試驗(yàn)。

鋁粉和氧化鈣：鋁粉是一種膨脹劑[10]，其與水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣可以很好的保存在混凝土漿液內(nèi)部，使混凝土體積膨脹并產(chǎn)生許多氣孔，但是由于鋁的還原性較小，所以該反應(yīng)程度很低。

因此，在反應(yīng)中加入一定量的氧化鈣可以有效的改善這種情況，這是因?yàn)镃aO 與水發(fā)生置換反應(yīng)會(huì)生成 Ca（OH）2。

接著，生成的Al（OH）3與Ca（OH）3發(fā)生置換反應(yīng)，使得Al(OH)3消耗掉，反應(yīng)式（1）向右進(jìn)行，繼續(xù)產(chǎn)生氫氣。

碳酸氫鈉和硫酸鈉：碳酸氫鈉與硫酸鋁是干粉式滅火器的主要成分，是一種吸熱型發(fā)泡劑。在一定條件下，碳酸氫鈉與硫酸鋁會(huì)反應(yīng)生成二氧化碳?xì)怏w，同樣可以達(dá)到氣體發(fā)泡的效果。

雙氧水：雙氧水在堿性條件下會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，產(chǎn)生氧氣和水，產(chǎn)生的氧氣被漿液包裹后固化下來即形成泡沫混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)及分析

2.1 試樣制備

A 組：①用賽多利斯電子秤稱取200.00 g 的超細(xì)水泥；②稱取鋁粉8.00 g 和氧化鈣8.00 g；③再用量筒量取100 mL 水；④將膠凝材料（超細(xì)水泥）和發(fā)泡劑（鋁粉和氧化鈣）倒入燒杯中充分混合攪拌均勻；⑤加入水后攪拌3～5 min，至漿液充分?jǐn)嚢杈鶆驗(yàn)橹梗虎迣嚢韬玫幕炷翝{液倒入直徑50 mm、高 100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)試件模具中，并在（19±2）℃、相對濕度為95%的條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，A 組試樣截面圖如圖1。

圖1 A 組試樣截面圖Fig.1 The section diagram of sample A

B 組：①稱取200.00 g 的超細(xì)水泥；②稱取碳酸氫鈉8.00 g 和硫酸鋁8.00 g；③用量筒量取100 mL的水；④將膠凝材料（超細(xì)水泥）和發(fā)泡劑（碳酸氫鈉和硫酸鋁）倒入燒杯中充分混合攪拌均勻；⑤加入水后攪拌3～5 min，直至漿液充分?jǐn)嚢杈鶆驗(yàn)橹梗虎迣嚢韬玫幕炷翝{液倒入直徑50 mm、高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件模具中，并在（19±2）℃、相對濕度95%的條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，B 組試樣截面圖如圖2。

C 組：①稱取200.00 g 的超細(xì)水泥；②用容量為100 mL 的量筒量取100 mL 的水；③將超細(xì)水泥與水倒入燒杯中，攪拌3～5 min，直至漿液充分?jǐn)嚢杈鶆驗(yàn)橹梗虎苡萌萘?0、5 mL 的量筒共量取15 mL 的雙氧水，并倒入混凝土凈漿中再次攪拌均勻；⑤將攪拌好的混凝土漿液倒入直徑50 mm、高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件模具中，并在（19±2）℃、相對濕度95%的條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，C 組試樣截面圖如圖3。

圖2 B 組試樣截面圖Fig.2 The section diagram of sample B

圖3 C 組試樣截面圖Fig.3 The section diagram of sample C

2.2 性能測試

2.2.1 孔隙率試驗(yàn)

由于直接法測量泡沫混凝土的孔隙率較為困難，因此常采用間接法進(jìn)行測量[11]，試驗(yàn)采用排水法對泡沫混凝土的孔隙率進(jìn)行測算[12]。

將干燥后的樣品分別稱重，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表1；在容量為1 000 mL 的量杯中裝入700 mL 的水；將樣品置入盛水的量杯一段時(shí)間后讀取量杯刻度，并記錄；靜置24 h 后取出稱重。

從表1 可以看出，A 組試樣的干重為135.5 g，相較于B 組和C 組而言，該組試樣的干質(zhì)量最小，這是因?yàn)榧尤脘X粉后的膨脹作用，導(dǎo)致A 組單位體積內(nèi)的質(zhì)量小于另外2 組，同時(shí)也是因?yàn)榕蛎涀饔脤?dǎo)致A 組的孔隙率高于B、C 2 組。B 組的干質(zhì)量最高而孔隙率最低，這是因?yàn)镃O2易溶于水，所以其氣泡率最低。對比表中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，A 組和C 組的孔隙率較高。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表Table 1 The test data record form

2.2.2 單軸壓縮試驗(yàn)

試驗(yàn)采取萬能試驗(yàn)儀對不同樣品進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)[13]，各組試樣抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系曲線圖如圖4。

圖4 各組試樣抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系曲線圖Fig.4 Correlative curves relationship between compressive strength and curing age

從圖4 中可知，B 組的抗壓強(qiáng)度最高，即以碳酸氫鈉與硫酸鋁為發(fā)泡劑制備的樣品強(qiáng)度最高，這是因?yàn)槠淇紫督Y(jié)構(gòu)較少，內(nèi)部排列緊密，密實(shí)度好。

在鉆孔內(nèi)支護(hù)研究方面，王振峰曾利用囊袋和注漿給鉆孔孔壁提供了1 MPa 左右的支護(hù)力，即達(dá)到了良好的鉆孔孔壁裂隙封堵的效果[14]，抗壓強(qiáng)度記錄見表2。從表2 可以看出，A、B、C 組 3 d 的抗壓強(qiáng)度均超過1 MPa，基本可以滿足鉆孔內(nèi)的支護(hù)要求。

表2 抗壓強(qiáng)度記錄表Table 2 The record form of compressive strength

2.2.3 反應(yīng)熱試驗(yàn)

將HT-9815 鑫思特四通道接觸式測溫儀的溫度傳感器完全浸入剛剛制備完成的漿液內(nèi)，根據(jù)4通道反饋的溫度數(shù)值，求出其平均值作為反應(yīng)的溫度，記錄下10 min 內(nèi)反應(yīng)過程中的溫度變化，反應(yīng)溫度與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系曲線如圖5。

圖5 反應(yīng)溫度與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系曲線圖Fig.5 Correlative curves relationship between reaction temperature and time

從圖5 可以看出，A 組漿液反應(yīng)溫度上升最快，最高溫度達(dá)到36 °C；B 組漿液反應(yīng)溫度上升較緩且產(chǎn)生的反應(yīng)熱遠(yuǎn)小于A 組漿液，反應(yīng)最高溫度為24.2 °C；C 組漿液溫度先上升，后降低，溫度降低到16.5 °C 后漿液溫度開始回升。A 組漿液溫度上升較快是因?yàn)殇X粉及氧化鈣水解時(shí)均產(chǎn)生大量的熱，B組漿液上升較緩是因?yàn)殡p氧水分解時(shí)產(chǎn)生很小的熱，C 組漿液溫度先上升是因?yàn)樗嗨瘯r(shí)放出的熱，而后下降是因?yàn)榱蛩徜X與碳酸氫鈉反應(yīng)時(shí)吸收了一部分水化熱。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定“生產(chǎn)礦井采掘工作面空氣溫度不得超過26 °C，機(jī)電設(shè)備硐室的空氣不得超過30 °C”[15]，A 組不能較好的滿足井下的使用條件。

2.3 試驗(yàn)小結(jié)

1）通過孔隙率試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，A 組試樣的孔隙率為47.84%，B 組試樣的孔隙率為17.36%，C 組試樣的孔隙率為43.27%，其中A 組和C 組的孔隙率較高。

2）通過單軸壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，A 組試樣3 d 抗壓強(qiáng)度為1.47 MPa，B 組試樣3 d 抗壓強(qiáng)度2.41 MPa；C 組試樣3 d 抗壓強(qiáng)度為1.98 MPa。

3）通過反應(yīng)熱試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在室溫為19.3 °C 時(shí)，A 組漿液最高溫度為36 °C；B 組漿液最高溫度為24.2 °C；C 組漿液呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，最低溫度為16.5 °C。

3 結(jié) 論

1）通過控制單因素法，試驗(yàn)了 3 種不同發(fā)泡劑對泡沫混凝土性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同的發(fā)泡劑對泡沫混凝土的性能影響很大。

2）以鋁粉和氧化鈣為發(fā)泡劑制備的試樣孔隙率為 47.84%，3 d 抗壓強(qiáng)度為1.47 MPa，反應(yīng)時(shí)放熱較多；以硫酸鋁和碳酸氫鈉為發(fā)泡劑制備的試樣孔隙率為17.36%，3 d 抗壓強(qiáng)度為2.41 MPa，反應(yīng)時(shí)吸熱；以雙氧水為發(fā)泡劑的試樣孔隙率為43.27%，3 d 抗壓強(qiáng)度為1.98 MPa，反應(yīng)時(shí)放熱較少。

3）結(jié)合井下使用條件，鋁粉與氧化鈣反應(yīng)時(shí)放熱較大，硫酸鋁與碳酸氫鈉氣泡率較低，而雙氧水在孔隙率、抗壓強(qiáng)度和發(fā)熱量方面均能較好的滿足鉆孔支護(hù)泡沫混凝土的使用要求。