CN112592703A - 一种防治钻孔孔壁失稳的弹性胶结透气材料及其制备方法 - Google Patents

一种防治钻孔孔壁失稳的弹性胶结透气材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防治钻孔孔壁失稳的弹性胶结透气材料及其制备方法，由以下组分及重量份数组成：液体硅胶90～120份，固化剂6～12份，钢纤维4.5～6.8份，小麦秸秆10～16份，稀盐酸20～32份，纤维素酶0.1～0.15份。制备时，先将小麦秸秆研磨成小麦秸秆粉末，然后在容器A中将小麦秸秆粉末与稀盐酸混合浸泡，在容器B中将纤维素酶和无菌水混合形成纤维素酶液；在搅拌容器C中加入液体硅胶，固化剂，钢纤维，并将容器A中的稀盐酸和处理后的小麦秸秆以及容器B中的纤维素酶液倒入搅拌容器C中，进行搅拌及通入压缩空气，最终制成弹性胶结透气材料。其能对钻孔孔壁进行加固，提高其稳定性；同时加固后能保证孔壁的透气性，便于后续的瓦斯抽采。

Description

一种防治钻孔孔壁失稳的弹性胶结透气材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种弹性胶结透气材料及制备方法，具体是一种防治钻孔孔壁失稳的弹性胶结透气材料及其制备方法。
背景技术
井下钻孔瓦斯抽采是预防煤与瓦斯突出的主要手段之一，但是在煤与瓦斯突出煤层施工钻孔或利用钻孔抽采瓦斯过程中，有可能会发生喷孔、堵孔、塌孔等钻孔孔壁失稳问题。钻孔失稳将导致钻孔成孔率降低，钻孔深度不足，影响后续的瓦斯抽采效率，甚至诱发工作面煤与瓦斯突出事故。
煤矿通常采用被动式的防护装置来降低钻孔喷孔、堵孔、塌孔等问题带来的危害。现有的被动式防护装置有防喷孔装置或护壁套管：防喷孔装置是利用气渣分离的原理防治钻孔喷孔；护壁套管是在施工钻孔后留在钻孔中，对钻孔支撑进行护壁。防喷孔装置或护壁套管对钻孔失稳能起到一定的作用，但是不能完全解决喷孔、堵孔、塌孔等问题。钻孔喷孔严重时，防喷孔装置容易被冲出钻孔；而在钻孔下护壁套管时，可能会出现套管脱离、折断、套管无法下到或固定在钻孔底部等问题。基于此，目前通过加固材料主动增强煤体强度，成为一种更有效防治钻孔孔壁失稳的方法。如申请号为201310231597.6的发明专利，通过向钻孔中注入一种以水泥和岩粉为骨料的钻孔充填加固材料，提高了钻孔周围的煤体强度；又如申请号为201610984584.X的发明专利，以水泥浆、水玻璃和外加剂为原料制备成用于加固围岩巷道的注浆材料，确保了施工安全。
现有的大多数加固材料都属于水泥基材料，由于水泥凝结后会有脆性，凝结过程中内部会产生裂隙，再加上施工抽采钻孔过程中，由于钻头的扰动，钻孔周围煤体所受的径向应力和瓦斯压力实时变化，水泥基材料固结的区域发生位移断裂，形成裂缝，影响封堵和加固效果，进而导致钻孔失稳问题的发生；另外钻孔是为了进行瓦斯抽采，而现有的加固材料透气性较差，从而导致加固后孔壁周围煤层的瓦斯无法透过孔壁进入钻孔内，进而影响后续的抽采效果。因此，现有加固材料也无法很好地解决钻孔孔壁失稳及保证后续瓦斯抽采的问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种防治钻孔孔壁失稳的弹性胶结透气材料及其制备方法，能对钻孔孔壁进行加固，提高其稳定性；同时加固后能保证孔壁的透气性，便于后续的瓦斯抽采。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种防治钻孔孔壁失稳的弹性胶结透气材料，由以下组分及重量份数组成：液体硅胶90～120份，固化剂6～12份，钢纤维4.5～6.8份，小麦秸秆10～16份，稀盐酸20～32份，纤维素酶0.1～0.15份。
进一步，具体组分的重量份数为：液体硅胶100份，固化剂10份，钢纤维5.4份，小麦秸秆13份，稀盐酸26份，纤维素酶0.12份。
进一步，所述固化剂为辛酸亚锡或二醋酸二丁基锡中的一种。
进一步，所述稀盐酸的质量浓度为8％～10％。
一种防治钻孔孔壁失稳的弹性胶结透气材料的制备方法，具体步骤为：
(1)将小麦秸秆除杂、净化、烘干，在粉碎机中粉碎并用研磨机研磨至小麦秸秆粉备用，所述小麦秸秆粉粒度为100目～120目；
(2)选择步骤(1)中制备的小麦秸秆粉末10～16份加入容器A中，并加入稀盐酸10～32份浸泡，浸泡时间为10～15min；
(3)在容器B中加入0.1～0.15份纤维素酶，并按比例加入无菌水稀释，制得纤维素酶液，其中纤维素酶和无菌水的质量比为1：10～20；
(4)在搅拌容器C中加入液体硅胶90～120份，固化剂9～12份，钢纤维4.5～6.8份，并将容器A中的稀盐酸和处理后的小麦秸秆以及容器B中的纤维素酶液倒入搅拌容器C中，然后以800转/min的转速转动，搅拌时间为5min；同时在搅拌的过程中，利用压缩空气发泡机向搅拌容器C中持续通入流量为0.1m3/min的压缩空气；完成搅拌后，即制得防治钻孔孔壁失稳的弹性胶结透气材料。
与现有技术相比，本发明制备的弹性胶结透气材料在胶结过程中发热量小，收缩性低；弹性材料渗透到煤层中较小的裂隙和孔隙后，会胶结钻孔周围松软的煤体，在胶结后的区域中施工抽采钻孔后，钻孔周围形成胶结圈，该胶结圈改变了松软煤体容易破碎的特点，增大了煤体的抗冲击能力，防止喷孔的发生；抽采钻孔施工过程中，钻孔周围存在实时变化的径向应力和瓦斯压力，当弹性材料受力发生变形后，受力面积增大，一部分力被传递到其他区域，并相互抵消，起到了缓冲作用，直至恢复新平衡；弹性胶结材料中的稀盐酸能够与煤裂隙表面矿物质反应，反应后煤表面形成不规则的凹凸，弹性胶结材料在注浆压力的作用下，渗入到煤表面形成的凹空间中，使煤体和材料“咬合”固定，增加了弹性材料对煤体的粘附强度；钢纤维能够增加弹性材料的拉伸强度，将在不均匀裂隙中分布的弹性胶结透气材料连接在一起，起到“桥梁”的作用；小麦秸秆来源广泛，绿色环保，在纤维素酶的作用下降解后，部分小麦秸秆降解后形成的空间与微孔相连，形成气体通道，保证后续的瓦斯抽采效果；与水泥基材料等脆性材料相比，本发明制备的材料弹性大，粘结强度和拉伸强度高，受力不会发生开裂，从而保证了钻孔完整和良好的胶结封堵效果。
附图说明
图1是钻孔孔壁受力后的失稳示意图；
图2是采用现有水泥基材料胶结的钻孔孔壁受力后示意图；
图3是采用本发明弹性胶结透气材料胶结的钻孔孔壁受力后示意图；
图4是本发明中胶结区域未受力示意图；
图5是本发明中胶结区域受力示意图；
图6是本发明弹性胶结透气材料在裂隙中的微观示意图。
图中：1、瓦斯气体，2、煤粉，3、径向应力和瓦斯压力，4、裂缝，5、水泥基材料固结区域，6、弹性胶结材料固结区域，7、小麦秸秆，8、钢纤维，9、微孔。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
实施例1：液体硅胶90份，二醋酸二丁基锡9份，钢纤维4.5份，小麦秸秆10份，10％浓度的稀盐酸20份，纤维素酶0.1份。
上述弹性胶结透气材料的制备过程为：
(1)将小麦秸秆除杂、净化、烘干，在粉碎机中粉碎并用研磨机研磨至小麦秸秆粉备用，所述小麦秸秆粉粒度为110目；
(2)选择步骤(1)中制备的小麦秸秆粉末10份加入容器A中，并加入稀盐酸20份浸泡，浸泡时间为12min；
(3)在容器B中加入0.1份纤维素酶，并按比例加入无菌水稀释，制得纤维素酶液，其中纤维素酶和无菌水的质量比为1：15；
(4)在搅拌容器C中加入液体硅胶90份，二醋酸二丁基锡9份，钢纤维4.5份，并将容器A中的稀盐酸和处理后的小麦秸秆以及容器B中的纤维素酶液倒入搅拌容器C中，然后以800转/min的转速转动，搅拌时间为5min；同时在搅拌的过程中，利用压缩空气发泡机向搅拌容器C中持续通入流量为0.1m3/min的压缩空气；完成搅拌后，即制得实施例1的弹性胶结透气材料。
实施例2：由以下组分及重量份数组成：液体硅胶100份，二醋酸二丁基锡10份，钢纤维5.4份，小麦秸秆13份，9％浓度的稀盐酸26份，纤维素酶0.12份。
上述弹性胶结透气材料的制备过程为：
(1)将小麦秸秆除杂、净化、烘干，在粉碎机中粉碎并用研磨机研磨至小麦秸秆粉备用，所述小麦秸秆粉粒度为110目；
(2)选择步骤(1)中制备的小麦秸秆粉末13份加入容器A中，并加入稀盐酸26份浸泡，浸泡时间为12min；
(3)在容器B中加入0.12份纤维素酶，并按比例加入无菌水稀释，制得纤维素酶液，其中纤维素酶和无菌水的质量比为1：15；
(4)在搅拌容器C中加入液体硅胶100份，固化剂10份，钢纤维5.4份，并将容器A中的稀盐酸和处理后的小麦秸秆以及容器B中的纤维素酶液倒入搅拌容器C中，然后以800转/min的转速转动，搅拌时间为5min；同时在搅拌的过程中，利用压缩空气发泡机向搅拌容器C中持续通入流量为0.1m3/min的压缩空气；完成搅拌后，即制得实施例2的弹性胶结透气材料。
实施例3：由以下组分及重量份数组成：液体硅胶120份，二醋酸二丁基锡12份，钢纤维6.8份，小麦秸秆16份，8％浓度的稀盐酸32份，纤维素酶0.15份。
上述弹性胶结透气材料的制备过程为：
(1)将小麦秸秆除杂、净化、烘干，在粉碎机中粉碎并用研磨机研磨至小麦秸秆粉备用，所述小麦秸秆粉粒度为110目；
(2)选择步骤(1)中制备的小麦秸秆粉末16份加入容器A中，并加入稀盐酸32份浸泡，浸泡时间为12min；
(3)在容器B中加入0.15份纤维素酶，并按比例加入无菌水稀释，制得纤维素酶液，其中纤维素酶和无菌水的质量比为1：15；
(4)在搅拌容器C中加入液体硅胶120份，固化剂12份，钢纤维6.8份，并将容器A中的稀盐酸和处理后的小麦秸秆以及容器B中的纤维素酶液倒入搅拌容器C中，然后以800转/min的转速转动，搅拌时间为5min；同时在搅拌的过程中，利用压缩空气发泡机向搅拌容器C中持续通入流量为0.1m3/min的压缩空气；完成搅拌后，即制得实施例3的弹性胶结透气材料。
试验证明：
通过测试三个实施例中制备的弹性胶结透气材料的黏度、回弹率、拉伸强度，粘结强度和断裂伸长率，得出最优配比。
表1三个实施例中制备的弹性胶结材料的性能对比
Figure BDA0002839022710000051
通过表1可知三组实施例中制备的弹性胶结透气材料的透气性、回弹率、拉伸强度，粘结强度和断裂伸长率进行测试，可以得出实施例2的弹性较好，透气性为26mL/(s·cm2·100Pa)，拉伸强度和粘结强度分别达到12.3MPa和3.89MPa，综合比较之下，实施例2中的弹性胶结材料的效果更优。将实施例2的弹性胶结透气材料通过小孔径钻孔注入到瓦斯压力为1.3MPa的煤层中，材料胶结以后，再施工抽采钻孔，钻孔孔壁保持完整，未发生喷孔、塌孔和堵孔等钻孔失稳问题，效果良好。

Claims (5)

1.一种防治钻孔孔壁失稳的弹性胶结透气材料，其特征在于，由以下组分及重量份数组成：液体硅胶90～120份，固化剂6～12份，钢纤维4.5～6.8份，小麦秸秆10～16份，稀盐酸20～32份，纤维素酶0.1～0.15份。
2.根据权利要求1所述防治钻孔孔壁失稳的弹性胶结透气材料，其特征在于，具体组分的重量份数为：液体硅胶100份，固化剂10份，钢纤维5.4份，小麦秸秆13份，稀盐酸26份，纤维素酶0.12份。
3.根据权利要求1或2所述防治钻孔孔壁失稳的弹性胶结透气材料，其特征在于，所述固化剂为辛酸亚锡或二醋酸二丁基锡中的一种。
4.根据权利要求1或2所述防治钻孔孔壁失稳的弹性胶结透气材料，其特征在于，所述稀盐酸的质量浓度为8％～10％。
5.一种根据权利要求1所述防治钻孔孔壁失稳的弹性胶结透气材料的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)将小麦秸秆除杂、净化、烘干，在粉碎机中粉碎并用研磨机研磨至小麦秸秆粉备用，所述小麦秸秆粉粒度为100目～120目；
(2)选择步骤(1)中制备的小麦秸秆粉末10～16份加入容器A中，并加入稀盐酸10～32份浸泡，浸泡时间为10～15min；
(3)在容器B中加入0.1～0.15份纤维素酶，并按比例加入无菌水稀释，制得纤维素酶液，其中纤维素酶和无菌水的质量比为1：10～20；
(4)在搅拌容器C中加入液体硅胶90～120份，固化剂9～12份，钢纤维4.5～6.8份，并将容器A中的稀盐酸和处理后的小麦秸秆以及容器B中的纤维素酶液倒入搅拌容器C中，然后以800转/min的转速转动，搅拌时间为5min；同时在搅拌的过程中，利用压缩空气发泡机向搅拌容器C中持续通入流量为0.1m3/min的压缩空气；完成搅拌后，即制得防治钻孔孔壁失稳的弹性胶结透气材料。
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