CN106186976A

CN106186976A - 一种凝结可控型复合水泥基封孔材料及其应用方法

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Publication number: CN106186976A
Application number: CN201610553948.9A
Authority: CN
Inventors: 刘晓存; 李艳君; 孔德龙
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2016-07-14
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2036-07-14
Also published as: CN106186976B

Abstract

本发明涉及一种凝结可控型复合水泥基封孔材料及其应用方法。采用一定配比的硫铝酸盐‑硅酸盐复合水泥体系，加入适量工业铝粉，高效减水剂及树脂类高分子材料。采用分别粉磨技术，优先将硫铝酸盐水泥熟料与树脂共同粉磨，使微细树脂颗粒吸附于硫铝酸盐水泥熟料的矿物颗粒表面。施工过程中材料与水接触后，包裹在熟料颗粒表面的树脂与水作用形成交织状包覆膜，可缓释控制硫铝酸钙矿物的水化，调节钙矾石（AFt）和水化铝酸盐等水化产物的形成速度与形成量，有效延缓密封材料的凝结时间，方便施工，且赋予密封材料在封孔中持续微膨胀，为材料提供较高的早期强度并补偿硅酸盐相的水化收缩，使该封孔材料能够持续耐久使用。

Description

一种凝结可控型复合水泥基封孔材料及其应用方法

技术领域

本发明涉及一种矿用封孔材料，特别涉及一种适用于页岩气和煤矿瓦斯抽采钻孔封孔的凝结可控型复合水泥基早强耐久膨胀延迟型封孔材料及其应用方法，属于矿山开采技术领域。

背景技术

目前，国内外在采矿封孔方面主要采用的密封材料有聚氨酯类发泡材料和普通水泥沙浆两大类。聚氨酯材料属于化学类灌浆材料，其操作流程简单，封孔速度快，膨胀倍率高，对煤体裂隙有一定的封堵作用而受到欢迎。但聚氨酯产品的膨胀效果易受温度、水分、配合比例等一系列的原因的影响，封孔长度达不到理想的密封状态，造成密封成本高。且该类材料易燃，有一定毒性，存在安全隐患。采用水泥砂浆封孔，材料成本低、操作方便、速度快、封孔深度较长，而且注浆对孔周围岩体的裂隙也有一定的封堵作用，封孔严密，效果较好。现在普遍应用的水泥砂浆虽然加入了水泥膨胀剂，但在水泥水化凝结过程中仍有一定程度的收缩，特别是当钻孔角度较小时易在孔内上部形成‘月牙’型空隙，从而降低封孔质量和对对周围岩体裂隙的封堵作用。膨胀剂使用不当还会造成水泥凝结快，灌浆困难，浆体在膨胀过程中开裂等问题。

近年来，关于水泥膨胀剂的选取与应用有较多研究。诸如，向硅酸盐水泥中掺加一定比例的硫铝酸盐水泥，根据目前的研究成果，这种复合水泥中硫铝酸盐水泥的含量一般不宜超过10%，否则凝结时间太短，施工困难，且水泥水化后期浆体会发生开裂或强度降低；向硅酸盐水泥中掺加一定比例的生石灰和石膏，水化过程发热导致水泥水化加速，凝结时间缩短，使水泥浆体硬化与发气不协调；制备铝粉微胶囊以延缓铝粉发气，使水泥达到一定强度后发生膨胀，希望材料强度与膨胀协调发展。为了保证水泥材料的强度需要加入约10%的水性环氧树脂，使该材料的成本大幅度提高。且铝粉发气滞后，与水泥的凝结时间不易匹配，给实际施工带来困难。

发明内容

采用一定配比的硫铝酸盐-硅酸盐复合水泥体系，以提高水泥的早期强度且补偿浆体水化收缩的性能。本发明提供一种包覆技术延缓并控制复合水泥的水化，以获得凝结时间可控，易施工，早期强度高，膨胀持续时间长且耐久的封孔材料。

本发明采取的技术方案为：

一种凝结可控型复合水泥基封孔材料的组成体系为采用一定配比的硫铝酸盐-硅酸盐复合水泥，其基本配比：硫铝酸盐水泥20-50%，硅酸盐水泥30-60%，石膏4-10%，矿渣5-20%，石灰石5-20%，膨润土3-10%，工业铝粉或铝膏0.02-2.00%，高效减水剂0.5-2.0%，两种或两种以上树脂类高分子材料0.5-5.0%。

其制备步骤如下：

（1）将石膏，矿渣，石灰石，所选用的树脂以及硫铝酸盐水泥熟料分别粉磨至0.08mm方孔筛筛余小于10%且分别单仓贮存，硅酸盐水泥单独贮存；

（2）将硫铝酸盐水泥熟料与0.5-5.0%的所选树脂混合粉磨20~60min，制得包覆硫铝酸盐水泥；

（3）将20-50%的树脂包覆硫铝酸盐水泥与硅酸盐水泥30-60%，石膏4-10%，矿渣5-20%，石灰石5-20%，膨润土3-10%，工业铝粉或铝膏0.02-2.00%，高效减水剂0.5-2.0%混合15~40min，装袋密封，制得凝结可控型复合水泥基封孔材料（所选用减水剂若为液体，可在施工前按0.5-2.0%比例加入水中）。

所述的高效减水剂为：聚羧酸盐减水剂，氨基磺酸盐减水剂，萘系减水剂，三聚氰胺减水剂。

所述的树脂类高分子材料为：酚醛树脂，丙烯酸树脂，乳胶粉，羧甲基纤维素，聚丙烯酰胺，糊精。

一种凝结可控型复合水泥基封孔材料，其应用方法如下：

将所述封孔材料，采用水/灰比0.5-0.7，搅拌3-10min后即可泵送注入所要密封的孔中，浆体的初凝时间30-90min，终凝时间70-150min；膨胀倍率10-35%，3天抗压强度15-30MPa，28天30-45MPa。铝粉发气完成后，随着硫铝酸盐矿物的水化，硬化浆体中形成了较多的AFt和铝胶，赋予材料较高的早期强度，补偿了硅酸盐相的水化收缩并可为材料提供微膨胀。

本发明采用分别粉磨技术，在硫铝酸盐水泥与树脂共同粉磨的过程中，微细的树脂颗粒通过吸附作用附着在硫铝酸盐水泥熟料的矿物颗粒表面，起到一定包覆作用。施工过程密封料与水接触后，包裹在熟料颗粒表面的树脂与水作用形成交织状包覆膜。由于包覆膜对熟料矿物颗粒的隔离作用，延长了易水化的硫铝酸钙矿物的水化时间，针状水化硫铝酸钙矿物（AFt）和铝胶的形成量得到有效缓释控制，赋予密封材料在封孔中持续微膨胀。一般的密封材料，铝粉发气完成后膨胀即基本结束。该控释水化密封材料，随着水泥水化过程的延续，包覆膜被缓慢破坏，硫铝酸钙矿物得以缓释水化，硬化浆体中形成的AFt和铝胶增加，赋予材料较高早期强度的同时补偿了硅酸盐相的水化收缩，并可为材料提供微膨胀，使得该封孔材料能够持续耐久使用。

具体实施方式

下面结合具体实施例来说明本发明的实质。有必要在此指出的是：这些实施例仅用于证实本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

（1）一种凝结可控型复合水泥基封孔材料的制备

①将石膏，矿渣，石灰石，所选用的树脂以及硫铝酸盐水泥熟料分别粉磨至0.08mm方孔筛筛余小于10%且分别单仓贮存，硅酸盐水泥单独贮存；

②将磨细的硫铝酸盐水泥熟料与两种或两种以上的树脂类高分子材料（酚醛树脂，丙烯酸树脂，乳胶粉，羧甲基纤维素，聚丙烯酰胺，糊精）共3.6%混合粉磨30min，制得包覆硫铝酸盐水泥；

③将35%的树脂包覆硫铝酸盐水泥与38.7%硅酸盐水泥，6%石膏，10%矿渣，6%石灰石，3%膨润土，0.3%工业铝粉，1.0%萘系减水剂混合25min，装袋密封，制得凝结可控型复合水泥基封孔材料。

（2）一种凝结可控型复合水泥基封孔材料的应用方法

将上述（1）制得的封孔料与60%水混合，搅拌均匀（即可泵送注入所要密封的孔中），标准条件下测试浆体的初凝时间(h:min)：1:06；终凝时间(h:min)：1:35；膨胀倍率25%；标准条件下养护，3天和28天龄期强度分别为：15.6MPa和44.8 MPa。

（3）山西某煤矿对“一种凝结可控型复合水泥基封孔材料”的井下应用试验

选择井下长8m孔径94mm的钻孔一组（3个），计算出所需浆体量。将上述（1）制得的封孔料与60%水在混料桶中混合并搅拌均匀，用注浆泵注入钻孔中（孔两端用聚氨酯材料封堵）并保压至2 MPa，停止注浆，定时观察测量瓦斯抽采浓度。结果显示，该密封材料密封效果良好，15d的平均抽采浓度为79.5%；30d为76.6%；60d为65.2%。说明该密封材料不仅密封效果好，而且具有良好的稳定性与持续性。

实施例2

（1）一种凝结可控型复合水泥基封孔材料的制备

①将磨细的硫铝酸盐水泥熟料与两种或两种以上的树脂类高分子材料（酚醛树脂，丙烯酸树脂，乳胶粉，羧甲基纤维素，聚丙烯酰胺，糊精）共3.3%混合粉磨30min，制得包覆硫铝酸盐水泥；

②将45%的树脂包覆硫铝酸盐水泥与34%硅酸盐水泥，7%石膏，5%矿渣，5%石灰石，3%膨润土，0.2%工业铝粉，0.8%三聚氰胺减水剂混合25min，装袋密封，制得凝结可控型复合水泥基封孔材料。

（2）一种凝结可控型复合水泥基封孔材料的应用方法

上述（1）制得的封孔料与60%水混合，搅拌均匀，标准条件下测试浆体的初凝时间(h:min)：0:56；终凝时间(h:min)：1:20；膨胀倍率23%；标准条件下养护，3天和28天龄期强度分别为：19.6MPa和43.9 MPa。

选择井下长8m孔径94mm的钻孔一组（3个），计算出所需浆体量。将上述（1）制得的封孔料与60%水在混料桶中混合并搅拌均匀，用注浆泵注入钻孔中（孔两端用聚氨酯材料封堵）并保压至2 MPa，停止注浆，定时观察测量瓦斯抽采浓度。结果显示，该密封材料密封效果良好，15d的平均抽采浓度为78.6%；30d为73.5%；60d为63.2%。说明该密封材料不仅密封效果好，而且具有良好的稳定性与持续性。

Claims

1.一种凝结可控型复合水泥基封孔材料的制备方法，其特征是，步骤如下：

（1）采用硫铝酸盐-硅酸盐复合水泥体系，其基本配比：硫铝酸盐水泥20-50%，硅酸盐水泥30-60%，石膏4-10%，矿渣5-20%，石灰石5-20%，膨润土3-10%，工业铝粉或铝膏0.02-2.00%，高效减水剂0.5-2.0%，两种或两种以上树脂类高分子材料0.5-5.0%；

（2）将石膏，矿渣，石灰石，所选用的树脂以及硫铝酸盐水泥熟料分别粉磨至0.08mm方孔筛筛余小于10%且分别单仓贮存，硅酸盐水泥单独贮存；

（3）将硫铝酸盐水泥熟料与0.5-5.0%的所选树脂混合粉磨20~60min，制得包覆硫铝酸盐水泥；

（4）将20-50%的树脂包覆硫铝酸盐水泥与硅酸盐水泥30-60%，石膏4-10%，矿渣5-20%，石灰石5-20%，膨润土3-10%，工业铝粉或铝膏0.02-2.00%，高效减水剂0.5-2.0%混合15~40min，装袋密封，制得凝结可控型复合水泥基封孔材料（所选用减水剂若为液体，可在施工前按0.5-2.0%比例加入水中）。

2.按照权利要求1所述的凝结可控型复合水泥基封孔材料，其特征是，所述的高效减水剂为：聚羧酸盐减水剂，氨基磺酸盐减水剂，萘系减水剂，三聚氰胺减水剂。

3.按照权利要求1所述的凝结可控型复合水泥基封孔材料，其特征是，所述的树脂类高分子材料为：酚醛树脂，丙烯酸树脂，乳胶粉，羧甲基纤维素，聚丙烯酰胺，糊精。