CN105016677A - 一种用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料 - Google Patents

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陈戈
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Abstract

一种用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料，包括注浆封孔干料和水，所述的注浆封孔干料与水的重量比为1:0.8-1.2；所述的注浆封孔干料的物质组成包括硅酸盐水泥、粉煤灰、脱硫石膏、生石灰、铝粉膏、氯化钠、偏高岭土、柠檬酸或碳酸钠，各物质在组成注浆封孔干料时所需的重量份为：6-10份的硅酸盐水泥，0.5-3份的粉煤灰、0.5-3份的脱硫石膏、0.2-1份的生石灰、0.0005-0.002份的铝粉膏、0.05-0.15份的氯化钠、0.2-1.5份的偏高岭土和0.0025-0.015份的柠檬酸或0.005-0.03份的碳酸钠。本发明所述的一种用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料具有凝固时间可调，提高封孔的气密性，提高封孔效率和安全性，降低封孔成本，简化封孔准备工作等优点。

Description

一种用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料
技术领域
本发明涉及煤矿煤层瓦斯抽采领域，具体为一种用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料。
背景技术
瓦斯突出一直是威胁煤矿安全生产的一大灾害，提前对瓦斯进行抽采是有效治理瓦斯突出的重要手段之一。目前封孔方法主要有机械封孔法、套管封孔法、粘土封孔法、水泥砂浆封孔法、聚氨酯封孔法等。其中，封孔材料的性能直接影响了封孔质量，常用的封孔方法有毛巾套筒封孔方法和封孔袋封孔法的本质都是一样的，即高分子材料封孔。这类封孔方法的弊端是高分子发泡材料不能充填钻孔周围的原始裂隙，在高分子材料发泡膨胀的过程中，封孔段钻孔处于开放状态，发泡材料不能形成足够的膨胀力，不能使发泡高分子材料挤入封孔段钻孔周围的裂隙，这些裂隙将成为漏气通道（初期漏气通道）。其次，高分子发泡材料强度低可压缩量大、对钻孔没有足够的支护作用，不能维护钻孔的稳定性。
聚氨酯等高分子材料因其价格昂贵，不适宜作为注浆的首选，普通水泥因其固有的收缩性，容易造成钻孔漏气等现象，也不能作为注浆材料。水泥基封孔注浆材料在性能和造价等方面都具有一定的优势，随着“两堵一注”的不断推行，其价格合理、不收缩、微膨胀的特点使其成为是井下钻孔封孔必不可少的配套材料。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料，该材料具有凝固时间可调，提高封孔的气密性，提高封孔效率和安全性，降低封孔成本，简化封孔准备工作等优点。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：
一种用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料，包括注浆封孔干料和水，所述的注浆封孔干料与水的重量比为1:0.8-1.2；所述的注浆封孔干料的物质组成包括硅酸盐水泥、粉煤灰、脱硫石膏、生石灰、铝粉膏，各物质在组成注浆封孔干料时所需的重量份为：6-10份的硅酸盐水泥，0.5-3份的粉煤灰、0.5-3份的脱硫石膏、0.2-1份的生石灰和0.0005-0.002份的铝粉膏。
所述的注浆封孔干料中还含有重量份为0.2-1.5份的偏高岭土。
所述的注浆封孔干料中还含有重量份为0.05-0.15份的氯化钠。
所述的注浆封孔干料中还含有重量份为0.0025-0.015份的柠檬酸或0.005-0.03份的碳酸钠。
较优的，该注浆封孔干料由以下重量份的各物质组成：7-9份的硅酸盐水泥、1-2份的粉煤灰、1-2份的脱硫石膏、0.4-0.8份的生石灰、0.0008-0.0015份的铝粉膏、0.08-0.12份的氯化钠、0.4-1.2份的偏高岭土和0.0025-0.015份的柠檬酸或0.005-0.03份的碳酸钠。
所述的注浆封孔材料呈浆液状，该浆液的制备方法包括以下步骤：
步骤一：将6-10重量份的硅酸盐水泥，0.5-3重量份的粉煤灰、0.5-3重量份的脱硫石膏、0.2-1重量份的生石灰和0.2-1.5重量份的偏高岭土分别在球磨机内进行机械研磨，使各组分的粒度不大于2mm；
步骤二：将研磨后的各组分与0.0005-0.002重量份的铝粉膏、0.05-0.15重量份的氯化钠、和0.0025-0.015重量份的柠檬酸或0.005-0.03重量份的碳酸钠混合并机械搅拌均匀，得到注浆封孔干料；
步骤三：将注浆封孔干料与水按照重量比1:0.8-1.2的比例充分搅拌15-30min，所得浆液即为用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料。
在步骤三中对注浆封孔干料与水的混合搅拌时间不得超过1个小时。
所述的硅酸盐水泥为42.5级硅酸盐水泥。
所述的粉煤灰指燃煤电厂在煤燃烧后的烟气中收集到的细小粉末，是燃煤电厂排出的主要固体废物，主要组成成份如下：SiO2为40-70%，CaO为1-5%，Fe2O3为2-5%，Al2O3为20-40%，其余为杂质。
所述的脱硫石膏指燃煤电厂烟气道粉尘经脱硫处理后的固体产物，主要组成成份如下：SiO2为3.0-6.0%，CaO为37-43%，MgO为1.0-1.5%，Na2O为3%-7%，Fe2O3为1.5-3.8%，SO3为48-53%，其余为杂质。
所述的生石灰指市售普通生石灰，其主要成分为：CaO为85%-95%；
所述的铝粉膏指普通市售铝粉膏，主要由铝粉和溶剂油组成，干燥的铝粉进入呼吸道易对人体产生影响，故将铝粉与溶剂油混合成膏状使用，即为铝粉膏，常见溶剂油为200#溶剂油；
所述的氯化钠、柠檬酸和碳酸钠均为工业用品级；
所述的偏高岭土是以高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O）为原料经脱水形成的无水硅酸铝（Al2O3·2SiO2），偏高领土的分子排列不规则，呈热力学介稳状态，为一种高活性矿物掺合料。
本发明的有益效果：
本发明所述的一种用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料，在注浆封孔干料的配方中加入的铝粉膏中的铝元素在碱性环境条件下能够反应生成氢气，在浆液中产生气泡，造成体积膨胀，补偿水泥水化造成的体积收缩以及泌水层水分流失造成的体积损失，能够避免封孔材料固化体积收缩出现缝隙造成“漏气”现象。
生石灰和浆液中的水分反应生成Ca(OH)2，反应前后体积膨胀，能够补偿封孔材料初期固化产生的体积损失，并且生石灰能够准确调整浆液pH，确保浆液处在合适的pH值内，保证铝粉膏的反应速度合适。
粉煤灰和偏高岭土中的铝质组分与脱硫石膏以及生石灰中的钙质组分，在碱性条件下能够缓慢生成钙矾石，产生体积膨胀，能够在封孔材料固化后无法产生气体时的继续补偿体积收缩。
氯化钠和偏高岭土能够提高材料凝固早期强度，能够提高封孔材料注入封孔器后的抗压能力，降低由于材料早期强度不高受挤压变形造成裂隙的可能。
柠檬酸和碳酸钠对封孔材料的凝结时间可以进行调整控制，根据实际使用过程中搅拌量的大小等因素造成的操作时间的不同来调整，避免过早凝结堵塞注浆泵，同时也能避免凝结时间长降低工作效率。
注浆封孔材料因其各个组分的粒度小，能够充分浸入并填充瓦斯抽采孔的裂隙中，达到提高风控严密性的效果。注浆封孔材料的配方中使用的均为无毒的无机物，该种配比下该封孔材料具有不易燃不易爆的特点，使用安全，且注浆封孔材料成浆液状，适应性强，能够适应现有注浆泵以及囊袋式封孔器。
本发明在不需要对现有注浆封孔系统进行改造的情况下，有效利用了工业废弃物，降低了成本，提高了封孔的气密性，提高了封孔效率和安全性。
具体实施方式
结合以下具体实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的保护范围不局限于以下实施例。实施本发明的过程、条件、试剂、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
一种用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料，包括注浆封孔干料和水，所述的注浆封孔干料与水的重量比为1:0.8-1.2；所述的注浆封孔干料的物质组成包括硅酸盐水泥、粉煤灰、脱硫石膏、生石灰、铝粉膏，各物质在组成注浆封孔干料时所需的重量份为：6-10份的硅酸盐水泥，0.5-3份的粉煤灰、0.5-3份的脱硫石膏、0.2-1份的生石灰和0.0005-0.002份的铝粉膏。
所述的注浆封孔干料中还含有重量份为0.2-1.5份的偏高岭土。
所述的注浆封孔干料中还含有重量份为0.05-0.15份的氯化钠。
所述的注浆封孔干料中还含有重量份为0.0025-0.015份的柠檬酸或0.005-0.03份的碳酸钠。
较优的，该注浆封孔干料由以下重量份的各物质组成：7-9份的硅酸盐水泥、1-2份的粉煤灰、1-2份的脱硫石膏、0.4-0.8份的生石灰、0.0008-0.0015份的铝粉膏、0.08-0.12份的氯化钠、0.4-1.2份的偏高岭土和0.0025-0.015份的柠檬酸或0.005-0.03份的碳酸钠。
所述的注浆封孔材料呈浆液状，该浆液的制备方法包括以下步骤：
步骤一：将6-10重量份的硅酸盐水泥，0.5-3重量份的粉煤灰、0.5-3重量份的脱硫石膏、0.2-1重量份的生石灰和0.2-1.5重量份的偏高岭土分别在球磨机内进行机械研磨，使各组分的粒度不大于2mm；
步骤二：将研磨后的各组分与0.0005-0.002重量份的铝粉膏、0.05-0.15重量份的氯化钠、和0.0025-0.015重量份的柠檬酸或0.005-0.03重量份的碳酸钠混合并机械搅拌均匀，得到注浆封孔干料；
步骤三：将注浆封孔干料与水按照重量比1:0.8-1.2的比例充分搅拌15-30min，所得浆液即为用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料。
在步骤三中对注浆封孔干料与水的混合搅拌时间不得超过1个小时。
所述的硅酸盐水泥为42.5级硅酸盐水泥。
所述的粉煤灰指燃煤电厂在煤燃烧后的烟气中收集到的细小粉末，是燃煤电厂排出的主要固体废物，主要组成成份如下：SiO2为40-70%，CaO为1-5%，Fe2O3为2-5%，Al2O3为20-40%，其余为杂质。
所述的脱硫石膏指燃煤电厂烟气道粉尘经脱硫处理后的固体产物，主要组成成份如下：SiO2为3.0-6.0%，CaO为37-43%，MgO为1.0-1.5%，Na2O为3%-7%，Fe2O3为1.5-3.8%，SO3为48-53%，其余为杂质。
所述的生石灰指市售普通生石灰，其主要成分为：CaO为85%-95%；
所述的铝粉膏指普通市售铝粉膏，主要由铝粉和溶剂油组成，干燥的铝粉进入呼吸道易对人体产生影响，故将铝粉与溶剂油混合成膏状使用，即为铝粉膏，常见溶剂油为200#溶剂油；
所述的氯化钠、柠檬酸和碳酸钠均为工业用品级；
所述的偏高岭土是以高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O）为原料经脱水形成的无水硅酸铝（Al2O3·2SiO2），偏高领土的分子排列不规则，呈热力学介稳状态，为一种高活性矿物掺合料。
实施例1：
一种用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料，包括注浆封孔干料和水，所述的注浆封孔干料与水的重量比为1：0.8；所述的注浆封孔干料的物质组成包括硅酸盐水泥、粉煤灰、脱硫石膏、生石灰、铝粉膏、氯化钠、偏高岭土、柠檬酸和碳酸钠，各物质在组成注浆封孔干料时所需的重量份为：6份的42.5级硅酸盐水泥，0.5份的粉煤灰、0.5份的脱硫石膏、0.2份的生石灰、0.0005份的铝粉膏、0.05份的氯化钠、0.2份的偏高岭土和0.0025份的柠檬酸。
所述的注浆封孔材料呈浆液状，该浆液的制备方法包括以下步骤：
步骤一：将6重量份的42.5级硅酸盐水泥，0.5重量份的粉煤灰、0.5重量份的脱硫石膏、0.2重量份的生石灰和0.2重量份的偏高岭土分别进行机械研磨，使得各组分的粒度为2mm；
步骤二：将研磨后的各组分与0.0005重量份的铝粉膏、0.05重量份的氯化钠、0.0025重量份的柠檬酸或0.005重量份的碳酸钠混合并机械搅拌，得到注浆封孔干料；
步骤三：将注浆封孔干料与水按照重量比1：0.8的比例充分搅拌15min，所得浆液即为用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料。
实施例2：
一种用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料，包括注浆封孔干料和水，所述的注浆封孔干料与水的重量比为1：0.9；所述的注浆封孔干料的物质组成包括硅酸盐水泥、粉煤灰、脱硫石膏、生石灰、铝粉膏、氯化钠、偏高岭土、柠檬酸和碳酸钠，各物质在组成注浆封孔干料时所需的重量份为：7份的42.5级硅酸盐水泥，1份的粉煤灰、1份的脱硫石膏、0.4份的生石灰、0.001份的铝粉膏、0.075份的氯化钠、0.6份的偏高岭土和0.01份的柠檬酸。
所述的注浆封孔材料呈浆液状，该浆液的制备方法包括以下步骤：
步骤一：将7重量份的42.5级硅酸盐水泥，1重量份的粉煤灰、1重量份的脱硫石膏、0.4重量份的生石灰和0.6重量份的偏高岭土分别进行机械研磨，使得各组分的粒度为1.6mm；
步骤二：将研磨后的各组分与0.001重量份的铝粉膏、0.075重量份的氯化钠、0.01重量份的柠檬酸混合并机械搅拌，得到注浆封孔干料；
步骤三：将注浆封孔干料与水按照重量比1：0.9的比例充分搅拌20min，所得浆液即为用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料。
实施例3：
一种用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料，包括注浆封孔干料和水，所述的注浆封孔干料与水的重量比为1：1；所述的注浆封孔干料的物质组成包括硅酸盐水泥、粉煤灰、脱硫石膏、生石灰、铝粉膏、氯化钠、偏高岭土、柠檬酸和碳酸钠，各物质在组成注浆封孔干料时所需的重量份为：8份的42.5级硅酸盐水泥，1.5份的粉煤灰、1.5份的脱硫石膏、0.4份的生石灰、0.0015份的铝粉膏、0.075份的氯化钠、0.8份的偏高岭土和0.015份的柠檬酸。
所述的注浆封孔材料呈浆液状，该浆液的制备方法包括以下步骤：
步骤一：将8重量份的42.5级硅酸盐水泥，1.5重量份的粉煤灰、1.5重量份的脱硫石膏、0.4重量份的生石灰和0.8重量份的偏高岭土分别进行机械研磨，使得各组分的粒度为1.2mm；
步骤二：将研磨后的各组分与0.0015重量份的铝粉膏、0.075重量份的氯化钠、0.015重量份的柠檬酸混合并机械搅拌，得到注浆封孔干料；
步骤三：将注浆封孔干料与水按照重量比1：1的比例充分搅拌25min，所得浆液即为用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料。
实施例4
一种用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料，包括注浆封孔干料和水，所述的注浆封孔干料与水的重量比为1：1.1；所述的注浆封孔干料的物质组成包括硅酸盐水泥、粉煤灰、脱硫石膏、生石灰、铝粉膏、氯化钠、偏高岭土、柠檬酸和碳酸钠，各物质在组成注浆封孔干料时所需的重量份为：9份的42.5级硅酸盐水泥，2份的粉煤灰、2份的脱硫石膏、0.6份的生石灰、0.0015份的铝粉膏、0.1份的氯化钠、1.0份的偏高岭土和0.18份的碳酸钠。
所述的注浆封孔材料呈浆液状，该浆液的制备方法包括以下步骤：
步骤一：将9重量份的42.5级硅酸盐水泥，2重量份的粉煤灰、2重量份的脱硫石膏、0.6重量份的生石灰和1.0重量份的偏高岭土分别进行机械研磨，使得各组分的粒度为1mm；
步骤二：将研磨后的各组分与0.0015重量份的铝粉膏、0.1重量份的氯化钠、0.18重量份的碳酸钠混合并机械搅拌，得到注浆封孔干料；
步骤三：将注浆封孔干料与水按照重量比1：1.1的比例充分搅拌25min，所得浆液即为用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料。
实施例5
一种用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料，包括注浆封孔干料和水，所述的注浆封孔干料与水的重量比为1：1.2；所述的注浆封孔干料的物质组成包括硅酸盐水泥、粉煤灰、脱硫石膏、生石灰、铝粉膏、氯化钠、偏高岭土、柠檬酸和碳酸钠，各物质在组成注浆封孔干料时所需的重量份为：10份的42.5级硅酸盐水泥，2.5份的粉煤灰、2.5份的脱硫石膏、0.8份的生石灰、0.002份的铝粉膏、0.125份的氯化钠、1.2份的偏高岭土和0.005份的碳酸钠。
所述的注浆封孔材料呈浆液状，该浆液的制备方法包括以下步骤：
步骤一：将10重量份的42.5级硅酸盐水泥，2.5重量份的粉煤灰、2.5重量份的脱硫石膏、0.8重量份的生石灰和1.2重量份的偏高岭土分别进行机械研磨，使得各组分的粒度为0.5mm；
步骤二：将研磨后的各组分与0.002重量份的铝粉膏、0.125重量份的氯化钠、0.005重量份的碳酸钠混合并机械搅拌，得到注浆封孔干料；
步骤三：将注浆封孔干料与水按照重量比1: 1.2的比例充分搅拌25min，所得浆液即为用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料。
实施例6
一种用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料，包括注浆封孔干料和水，所述的注浆封孔干料与水的重量比为1：1.2；所述的注浆封孔干料的物质组成包括硅酸盐水泥、粉煤灰、脱硫石膏、生石灰、铝粉膏、氯化钠、偏高岭土、柠檬酸和碳酸钠，各物质在组成注浆封孔干料时所需的重量份为：10份的42.5级硅酸盐水泥，3份的粉煤灰、3份的脱硫石膏、1份的生石灰、0.002份的铝粉膏、0.15份的氯化钠、1.5份的偏高岭土和0.03份的碳酸钠。
所述的注浆封孔材料呈浆液状，该浆液的制备方法包括以下步骤：
步骤一：将10重量份的42.5级硅酸盐水泥，3重量份的粉煤灰、3重量份的脱硫石膏、1重量份的生石灰和1.5重量份的偏高岭土分别进行机械研磨，使得各组分的粒度为0.2mm；
步骤二：将研磨后的各组分与0.002重量份的铝粉膏、0.15重量份的氯化钠、0.03重量份的碳酸钠混合并机械搅拌，得到注浆封孔干料；
步骤三：将注浆封孔干料与水按照重量比1：1.2的比例充分搅拌30min，所得浆液即为用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料。

Claims (7)

1. 一种用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料，包括注浆封孔干料和水，其特征在于：所述的注浆封孔干料与水的重量比为1:0.8-1.2；所述的注浆封孔干料的物质组成包括硅酸盐水泥、粉煤灰、脱硫石膏、生石灰、铝粉膏，各物质在组成注浆封孔干料时所需的重量份为：6-10份的硅酸盐水泥，0.5-3份的粉煤灰、0.5-3份的脱硫石膏、0.2-1份的生石灰和0.0005-0.002份的铝粉膏。
2.如权利要求1所述的一种用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料，其特征在于：所述的注浆封孔干料中还含有重量份为0.2-1.5份的偏高岭土。
3.如权利要求1所述的一种用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料，其特征在于：所述的注浆封孔干料中还含有重量份为0.05-0.15份的氯化钠。
4.如权利要求1所述的一种用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料，其特征在于：所述的注浆封孔干料中还含有重量份为0.0025-0.015份的柠檬酸或0.005-0.03份的碳酸钠。
5.如权利要求1至4所述的一种用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料，其特征在于：所述的注浆封孔材料呈浆液状，该浆液的制备方法包括以下步骤：
步骤一：将6-10重量份的硅酸盐水泥，0.5-3重量份的粉煤灰、0.5-3重量份的脱硫石膏、0.2-1重量份的生石灰和0.2-1.5重量份的偏高岭土分别在球磨机内进行机械研磨，使各组分的粒度不大于2mm；
步骤二：将研磨后的各组分与0.0005-0.002重量份的铝粉膏、0.05-0.15重量份的氯化钠、和0.0025-0.015重量份的柠檬酸或0.005-0.03重量份的碳酸钠混合并机械搅拌均匀，得到注浆封孔干料；
步骤三：将注浆封孔干料与水按照重量比1:0.8-1.2的比例充分搅拌15-30min，所得浆液即为用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料。
6.如权利要求5所述的一种用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料，其特征在于：在步骤三中对注浆封孔干料与水的混合搅拌时间不得超过1个小时。
7.如权利要求1所述的一种用于煤矿井下瓦斯钻孔的注浆封孔材料，其特征在于：所述的硅酸盐水泥为42.5级硅酸盐水泥。
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