本發(fā)明涉及一種礦用封孔材料,特別涉及一種適用于頁巖氣和煤礦瓦斯抽采鉆孔封孔的控釋水化鋁酸鹽水泥基早強(qiáng)耐久膨脹延遲型封孔材料及其應(yīng)用方法,屬于礦山開采技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
目前,國(guó)內(nèi)外在采礦封孔方面主要采用的密封材料有聚氨酯類發(fā)泡材料和普通水泥沙漿兩大類。聚氨酯材料屬于化學(xué)類灌漿材料,其操作流程簡(jiǎn)單,封孔速度快,膨脹倍率高,對(duì)煤體裂隙有一定的封堵作用而受到歡迎。但聚氨酯產(chǎn)品的膨脹效果易受溫度、水分、配合比例等一系列的原因的影響,封孔長(zhǎng)度達(dá)不到理想的密封狀態(tài),造成密封成本高。且該類材料易燃,有一定毒性,存在安全隱患。采用水泥砂漿封孔,材料成本低、操作方便、速度快、封孔深度較長(zhǎng),而且注漿對(duì)孔周圍巖體的裂隙也有一定的封堵作用,封孔嚴(yán)密,效果較好?,F(xiàn)在普遍應(yīng)用的水泥砂漿雖然加入了水泥膨脹劑,但在水泥水化凝結(jié)過程中仍有一定程度的收縮,特別是當(dāng)鉆孔角度較小時(shí)易在孔內(nèi)上部形成‘月牙’型空隙,從而降低封孔質(zhì)量和對(duì)對(duì)周圍巖體裂隙的封堵作用。膨脹劑使用不當(dāng)還會(huì)造成水泥凝結(jié)快,灌漿困難,漿體在膨脹過程中開裂等問題。
近年來,關(guān)于水泥膨脹劑的選取與應(yīng)用有較多研究。諸如,向硅酸鹽水泥中摻加一定比例的硫鋁酸鹽水泥或鋁酸鹽水泥,根據(jù)目前的研究成果,這種復(fù)合水泥中硫鋁酸鹽水泥或鋁酸鹽水泥的含量一般不宜超過10%,否則凝結(jié)時(shí)間太短,不易施工,且水泥水化后期漿體會(huì)發(fā)生開裂或強(qiáng)度降低;向硅酸鹽水泥中摻加一定比例的生石灰和石膏,水化過程發(fā)熱導(dǎo)致水泥水化加速,凝結(jié)時(shí)間縮短,使水泥漿體硬化與發(fā)氣不協(xié)調(diào);制備鋁粉微膠囊以延緩鋁粉發(fā)氣,使水泥達(dá)到一定強(qiáng)度后發(fā)生膨脹,希望材料強(qiáng)度與膨脹協(xié)調(diào)發(fā)展。為了保證水泥材料的強(qiáng)度需要加入約10%的水性環(huán)氧樹脂,使該材料的成本大幅度提高。且鋁粉發(fā)氣滯后,與水泥的凝結(jié)時(shí)間不易匹配,給實(shí)際施工帶來困難。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
采用一定配比的鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合水泥體系,以提高水泥的早期強(qiáng)度且補(bǔ)償漿體水化收縮的性能。本發(fā)明提供一種包覆技術(shù)延緩并控制復(fù)合水泥的水化,以獲得凝結(jié)時(shí)間可控,易施工,早期強(qiáng)度高,膨脹持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且耐久的封孔材料。
本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
一種控釋水化鋁酸鹽水泥基早強(qiáng)耐久封孔材料的組成體系為采用一定配比的鋁酸鹽-硅酸鹽復(fù)合水泥,其基本配比:鋁酸鹽水泥30-60%,硅酸鹽水泥20-50%,石膏4-10%,礦渣5-20%,石灰石5-20%,膨潤(rùn)土3-10%,工業(yè)鋁粉或鋁膏0.02-2.00%,高效減水劑0.5-2.0%,兩種或兩種以上樹脂類高分子材料0.5-5.0%。
其制備步驟如下:
(1)將石膏,礦渣,石灰石,所選用的樹脂以及鋁酸鹽水泥熟料分別粉磨至0.08mm方孔篩篩余小于10%且分別單倉貯存,硅酸鹽水泥單獨(dú)貯存;
(2)將鋁酸鹽水泥熟料與0.5-5.0%的所選樹脂混合粉磨20~60min,制得包覆鋁酸鹽水泥;
(3)將30-70%的樹脂包覆鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥20-60%,石膏4-10%,礦渣5-20%,石灰石5-20%,膨潤(rùn)土3-10%,工業(yè)鋁粉或鋁膏0.02-2.00%,萘系減水劑或三聚氰胺減水劑0.5-2.0%混合15~40min,裝袋密封,制得控釋水化鋁酸鹽水泥基早強(qiáng)耐久封孔料(所選用減水劑若為液體,可在施工前按0.5-2.0%比例加入水中)。
所述的高效減水劑為:聚羧酸鹽減水劑,氨基磺酸鹽減水劑,萘系減水劑,三聚氰胺減水劑。
所述的樹脂類高分子材料為:酚醛樹脂,丙烯酸樹脂,乳膠粉,羧甲基纖維素,聚丙烯酰胺,糊精。
一種控釋水化鋁酸鹽水泥基早強(qiáng)耐久封孔材料,其應(yīng)用方法如下:
將所述封孔材料,采用水/灰比0.5-0.7,攪拌3-10min后即可泵送注入所要密封的孔中,漿體的初凝時(shí)間30-90min,終凝時(shí)間70-150min;膨脹倍率10-35%,3天抗壓強(qiáng)度15-30MPa,28天30-45MPa。鋁粉發(fā)氣完成后,隨著鋁酸鹽礦物的水化,硬化漿體中形成了較多的AFt和鋁膠,賦予材料較高的早期強(qiáng)度,補(bǔ)償了硅酸鹽相的水化收縮并可為材料提供微膨脹。
本發(fā)明采用分別粉磨技術(shù),在鋁酸鹽水泥與樹脂共同粉磨的過程中,微細(xì)的樹脂顆粒通過吸附作用附著在鋁酸鹽水泥熟料的礦物顆粒表面,起到一定包覆作用。施工過程密封料與水接觸后,包裹在熟料顆粒表面的樹脂與水作用形成交織狀包覆膜。由于包覆膜對(duì)熟料礦物顆粒的隔離作用,延緩了鋁酸鹽礦物特別是C12A7的水化時(shí)間,針狀礦物AFt的形成量得到有效緩釋控制,賦予密封材料在封孔中持續(xù)微膨脹。一般的密封材料,鋁粉發(fā)氣完成后膨脹即基本結(jié)束。該控釋水化密封材料,隨著水泥水化過程的延續(xù),包覆膜被緩慢破壞,鋁酸鹽礦物得以緩釋水化,硬化漿體中形成的AFt和鋁膠增加,賦予材料較高早期強(qiáng)度的同時(shí)補(bǔ)償了硅酸鹽相的水化收縮,并可為材料提供微膨脹,使得該封孔材料能夠持續(xù)耐久使用。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例來說明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)。有必要在此指出的是:這些實(shí)施例僅用于證實(shí)本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例1
(1)一種控釋水化鋁酸鹽水泥基早強(qiáng)耐久封孔材料的制備
①將石膏,礦渣,石灰石,所選用的樹脂以及鋁酸鹽水泥熟料分別粉磨至0.08mm方孔篩篩余小于10%且分別單倉貯存,硅酸鹽水泥單獨(dú)貯存;
②將磨細(xì)的鋁酸鹽水泥熟料與兩種或兩種以上的樹脂類高分子材料(酚醛樹脂,丙烯酸樹脂,乳膠粉,羧甲基纖維素,聚丙烯酰胺,糊精)共3.5%混合粉磨30min,制得包覆鋁酸鹽水泥;
③將40%的樹脂包覆鋁酸鹽水泥與35.7%硅酸鹽水泥,6%石膏,9%礦渣,5%石灰石,3%膨潤(rùn)土,0.3%工業(yè)鋁粉,1.0%萘系減水劑混合25min,裝袋密封,制得控釋水化鋁酸鹽水泥基早強(qiáng)耐久封孔材料。
(2)一種控釋水化鋁酸鹽水泥基早強(qiáng)耐久封孔材料的應(yīng)用方法
將上述(1)制得的封孔料與55%水混合,攪拌均勻(即可泵送注入所要密封的孔中),標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)試漿體的初凝時(shí)間(h:min):1:03;終凝時(shí)間(h:min):1:40;膨脹倍率26%;標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù),3天和28天齡期強(qiáng)度分別為:18.6MPa和42.7 MPa。
(3)山西某煤礦對(duì)“一種控釋水化鋁酸鹽水泥基早強(qiáng)耐久封孔材料”的井下應(yīng)用試驗(yàn)
選擇井下長(zhǎng)8m孔徑94mm的鉆孔一組(3個(gè)),計(jì)算出所需漿體量。將上述(1)制得的封孔料與55%水在混料桶中混合并攪拌均勻,用注漿泵注入鉆孔中(孔兩端用聚氨酯材料封堵)并保壓至2 MPa,停止注漿,定時(shí)觀察測(cè)量瓦斯抽采濃度。結(jié)果顯示,該密封材料密封效果良好,15d的平均抽采濃度為78.3%;30d為72.7%;60d為64.5%。說明該密封材料不僅密封效果好,而且具有良好的穩(wěn)定性與持續(xù)性。
實(shí)施例2
(1)一種控釋水化鋁酸鹽水泥基早強(qiáng)耐久封孔材料的制備
①將磨細(xì)的鋁酸鹽水泥熟料與兩種或兩種以上的樹脂類高分子材料(酚醛樹脂,丙烯酸樹脂,乳膠粉,羧甲基纖維素,聚丙烯酰胺,糊精)共3.2%混合粉磨30min,制得包覆鋁酸鹽水泥;
②將45%的樹脂包覆鋁酸鹽水泥與35%硅酸鹽水泥,7%石膏,5%礦渣,4%石灰石,3%膨潤(rùn)土,0.2%工業(yè)鋁粉,0.8%三聚氰胺減水劑混合25min,裝袋密封,制得控釋水化鋁酸鹽水泥基早強(qiáng)耐久封孔材料。
(2)一種控釋水化鋁酸鹽水泥基早強(qiáng)耐久封孔材料的應(yīng)用方法
上述(1)制得的封孔料與55%水混合,攪拌均勻,標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)試漿體的初凝時(shí)間(h:min):0:52;終凝時(shí)間(h:min):1:28;膨脹倍率24%;標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù),3天和28天齡期強(qiáng)度分別為:21.2MPa和45.0 MPa。
(3)山西某煤礦對(duì)“一種控釋水化鋁酸鹽水泥基早強(qiáng)耐久封孔材料”的井下應(yīng)用試驗(yàn)
選擇井下長(zhǎng)8m孔徑94mm的鉆孔一組(3個(gè)),計(jì)算出所需漿體量。將上述(1)制得的封孔料與55%水在混料桶中混合并攪拌均勻,用注漿泵注入鉆孔中(孔兩端用聚氨酯材料封堵)并保壓至2 MPa,停止注漿,定時(shí)觀察測(cè)量瓦斯抽采濃度。結(jié)果顯示,該密封材料密封效果良好,15d的平均抽采濃度為79.1%;30d為74.8%;60d為66.1%。說明該密封材料不僅密封效果好,而且具有良好的穩(wěn)定性與持續(xù)性。