CN114958318B - 一种井下用柔性封孔浆液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤矿井下瓦斯抽采钻孔封孔材料技术领域，公开了一种井下用柔性封孔浆液及其制备方法，粘度可调，配置初期粘度较小，便于注浆作业和浆液在封孔段周围裂隙中的流动渗透；注浆完成后，封孔浆液粘度逐渐升高，有利于对钻孔周围裂隙的长效封堵。在柔性封孔浆液中改性膨润土、羟丙基甲基纤维素及表面活性剂在常温下就可以很好地分散溶解到水中形成粘性液体，并且对水质要求不高，使用井下工业用水即可，本发明采用非凝固柔性封孔浆液进行井下封孔作业，其特有的流变特性能够更好地对原有的和新生的裂隙进行封堵，有效提高瓦斯钻孔抽采浓度。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿井下瓦斯抽采钻孔封孔材料技术领域，具体为一种井下用柔性封孔浆液及其制备方法。
背景技术
瓦斯灾害是影响煤矿安全生产的主要问题之一。瓦斯抽采不仅可以有效降低矿井和工作面瓦斯涌出量，有效防止瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出事故，而且抽出的瓦斯可以做为清洁能源加以利用。在井下井下瓦斯抽采过程中封孔材料的好坏是决定瓦斯抽采效果的最主要的因素。目前常用的瓦斯井下封孔材料有水泥基材料和聚氨酯材料，水泥基材料在封孔初期瓦斯抽采效果较好，但是随着钻孔周围应力的不断变化，新生裂隙会持续产生，原生裂隙也会发生变化，此时由于封孔材料已经固化，无法对这些裂隙进行封堵。聚氨酯封孔材料固化反应聚合温度很高，在井下钻孔内相对封闭的空间，大量热量聚集不容易散失，容易引发煤炭自燃；此外聚氨酯封孔材料发泡时间难以控制，封孔质量不能得到保证，其凝固后同样不能对钻孔周围的新生裂隙进行封堵。因此，开发新型封孔材料，改善封孔质量，提高抽采瓦斯的浓度，是非常必要的。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种井下用柔性封孔浆液及其制备方法，采用非凝固柔性封孔浆液进行井下封孔作业，其特有的流变特性能够更好地对原有的和新生的裂隙进行封堵，有效提高瓦斯钻孔抽采浓度。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种井下用柔性封孔浆液，封孔浆液按质量份数计由以下组分组成：改性膨润土6～9份，羟丙基甲基纤维素4～6份，高分子吸水树脂1～2份，橡胶颗粒7～9份，煤矸石粉10～15份，表面活性剂0.03～0.05份，水300～360份。
优选的，改性膨润土密度为2g/cm3，表观粘度为40mPa.s，膨胀倍数为50。
优选的，高分子吸水树脂为膨胀剂。
优选的，橡胶颗粒和煤矸石粉为颗粒充填材料，用于在粘液中起骨架稳定作用。
进一步的，橡胶颗粒的材质为防火耐高温橡胶，橡胶颗粒的粒径分布范围及质量占比为1～2mm：2～4mm：3～5mm＝7.5：3.2：1.4。
进一步的，煤矸石粉的材质为采煤和洗煤过程中废弃的煤矸石，煤矸石粉的粒径分布范围及质量占比为0.21mm～0.42mm：0.35～0.76mm：0.66～1.00mm＝10.8：7.6：5.2。
优选的，表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠、脂肪酸甘油酯和十二烷基硫酸钠的一种或多种以任意比例混合的混合物。
优选的，使用水的温度为10～35℃。
一种井下用柔性封孔浆液的制备方法，按照以下步骤进行：
将改性膨润土6～9份，羟丙基甲基纤维素4～6份，高分子吸水树脂1～2份和表面活性剂0.03～0.05份均匀混合形成封孔材料A组分；并将橡胶颗粒7～9份，煤矸石粉10～15份均匀混合形成封孔材料B组分，将水倒入注浆桶内，加入封孔材料A组分进行搅拌，待封孔材料A全部溶解后加入封孔材料B进行搅拌，直至封孔材料B分散在粘性液体中，得到所述的井下用柔性封孔浆液。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供了一种井下用柔性封孔浆液，粘度可调，配置初期粘度较小，便于注浆作业和浆液在封孔段周围裂隙中的流动渗透；注浆完成后，封孔浆液粘度逐渐升高，有利于对钻孔周围裂隙的长效封堵。在柔性封孔浆液中改性膨润土、羟丙基甲基纤维素及表面活性剂在常温下就可以很好地分散溶解到水中形成粘性液体，并且对水质要求不高，使用井下工业用水即可。
进一步的，改性膨润土能够快速溶于水中，并且其初始水溶液粘性较低，在30分钟内达到峰值并保持稳定，粘性在正常条件下可以保持1～2年而不变质。
进一步的，羟丙基甲基纤维素易溶于冷水，其水溶液在室温下储存非常稳定，并且可与水溶性高分子化合物混用而成为均匀、粘度更高的溶液。
进一步的，高分子吸水树脂能够吸收比自身重量大数百倍的水形成凝胶，并且在一定压力下仍能保持住水分而不分离出来。
进一步的，表面活性剂主要作用是改善粘液与煤岩体表面的接触特性，有效促进粘液与裂隙壁面的结合，减少接触间隙。
本发明中提供的一种井下用柔性封孔浆液的制备方法，在制备柔性封孔浆液中所使用的各种材料来源广泛，不会对井下作业环境产生危害；并且各种材料在配置和注浆过程中不发生化学反应，不产生热量，保证了注浆封孔作业的安全。煤矸石粉为采煤过程和洗煤过程中废弃的煤矸石加工制成，实现了固体废物再利用，减少了煤矸石对环境的破坏。本发明提供的井下用柔性封孔浆液可以使用井下原有注浆设备进行注浆，无需进行注浆设备更换，避免煤矿企业额外的经济开支。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面对本发明做进一步详细描述：
本发明提供了一种井下用柔性封孔浆液及其制备方法，封孔浆液在钻孔瓦斯抽采阶段保持一定的流动性，能够对采动卸压后钻孔周围新生裂隙进行封堵。此外封孔浆液具有良好的保水性和微膨胀特性，有利于对钻孔实现长效封堵。
本发明中，未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行，所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
羟丙基甲基纤维素，生产厂家为廊坊飞泰新材料科技有限公司，型号HT-E；
高分子吸水树脂，生产厂家为广州博峰化工科技有限公司，型号FMX-6；
橡胶颗粒，生产厂家为灵寿县泰邦矿产品有限公司。本发明中水在使用时为常温水即可，无需加热；并且井下常用的经过简单处理后的工业用水也可使用。
实施例1
一种井下用柔性封孔浆液及其制备方法，封孔浆液按质量份数计由以下组分组成：改性膨润土8份，羟丙基甲基纤维素5份，高分子吸水树脂1.5份，橡胶颗粒8份，煤矸石粉12份，表面活性剂0.04份，水320份；
其中橡胶颗粒8份中颗粒是粒径分布范围及质量占比为1～2mm：2～4mm：3～5mm＝7.5：3.2：1.4；
12份煤矸石粉的粒径分布范围及质量占比为0.21mm～0.42mm：0.35～0.76mm：0.66～1.00mm＝10.8：7.6：5.2；
表面活性剂由十二烷基苯磺酸钠和脂肪酸甘油酯按照3:2的比例混合而成。
首先按照钻孔封孔段体积和封孔浆液材料比例计算并称量好各种材料，然后将改性膨润土、羟丙基甲基纤维素、高分子吸水树脂和表面活性剂混合均匀称为封孔材料A组分，并将橡胶颗粒和煤矸石粉两种材料也混合均匀称为封孔材料B组分。随后将称量好的水倒入注浆桶中，开启搅拌装置，然后加入封孔材料A组分，搅拌2min待其全部溶解后再加入封孔材料B组分，继续搅拌，直至颗粒充填材料已经均匀分散在粘性液体中，制成柔性封孔浆液即可进行注浆封孔作业。
封孔浆液制备完成后，其粘度仍在发生变化，制备完成后10min内浆液粘度由200mPa.s增加至1300mPa.s左右，这一阶段粘液粘度不高，便于进行注浆作业，浆液进入封孔段后在一定压力下可以继续向钻孔周围的裂隙中流动扩散。20min后，浆液粘度增加至4500mPa.s并保持稳定，这时粘液流动性相较于初始阶段已经变差，并且由于颗粒填充材料的支撑封闭作用，浆液将停留在裂隙中对其进行封堵。此外封孔浆液中的高分子吸水树脂吸水膨胀，浆液整体体积相较于初始体积会增加5.7％，有利于钻孔裂隙的封堵。经过45d后抽采结束后，取出封孔段封孔浆液进行粘度测试，其粘度为4150mPa.s，仍然具备很高的粘度。
在井下进行实验中，使用本封孔浆液进行瓦斯抽采钻孔封孔后，钻孔瓦斯抽采浓度在前20天内始终保持在30％以上；抽采至20天时补浆一次，补浆体积为初始注浆体积的23％，随后继续进行瓦斯抽采，最后至抽采结束瓦斯抽采浓度大于30％的天数为36天。
实施例2
一种井下用柔性封孔浆液及其制备方法，封孔浆液按质量份数计由以下组分组成：改性膨润土7份，羟丙基甲基纤维素4份，高分子吸水树脂1份，橡胶颗粒7份，煤矸石粉13份，表面活性剂0.05份，水330份；
其中7份橡胶颗粒的粒径分布范围及质量占比为1～2mm：2～4mm：3～5mm＝7.5：3.2：1.4。
13份煤矸石粉的粒径分布范围及质量占比为0.21mm～0.42mm：0.35～0.76mm：0.66～1.00mm＝10.8：7.6：5.2。
表面活性剂中由十二烷基苯磺酸钠、脂肪酸甘油酯和十二烷基硫酸钠三种材料按照2.5：1:1.5的比例混合而成。其制备使用方法同实施例1。
本实施例的封孔浆液粘度相较于实施例1浆液中偏小，制备完成后10min内粘液粘度升高至1000mPa.s左右，20min时粘液粘度为3500mPa.s左右；并且封孔浆液中的膨胀剂配比较少，两种颗粒充填材料中粒度较小的煤矸石粉占比较大，适用于封孔段围岩裂隙发育程度差的钻孔封孔使用。
实施例3
一种井下用柔性封孔浆液及其制备方法，封孔浆液按质量份数计由以下组分组成：改性膨润土8.5份，羟丙基甲基纤维素6份，高分子吸水树脂2份，橡胶颗粒9份，煤矸石粉12份，表面活性剂0.03份，水315份；
其中9份橡胶颗粒的粒径分布范围及质量占比为1～2mm：2～4mm：3～5mm＝7.5：3.2：1.4。
12份煤矸石粉的粒径分布范围及质量占比为0.21mm～0.42mm：0.35～0.76mm：0.66～1.00mm＝10.8：7.6：5.2。
表面活性剂中采用了脂肪酸甘油酯和十二烷基硫酸钠两种材料按照1:1的比例混合而成。其制备使用方法同实施例1。
本实施例的封孔浆液粘度相较于实施例1浆液中偏大，制备完成后10min内粘液粘度升高至2000mPa.s左右，20min时粘液粘度为6500mPa.s左右；并且封孔浆液中的膨胀剂配比较大，两种颗粒充填材料中粒度较大的橡胶颗粒占比较大，适用于封孔段围岩裂隙发育程度较好的钻孔封孔使用。
对比例1
水泥基封孔材料，使用方法为首先按照水灰比1.2:1的比例称量一定量的水泥和水，然后将水泥加入水中进行搅拌，搅拌至水泥浆液中无颗粒后即可进行注浆封孔。
对比例2
聚氨酯封孔材料，使用方法为封孔袋中左右两边的A、B两个组份由原有的分隔状态改变为混合状态，两组份的充分反应发生膨胀，进行封孔作业。
将本实施例1-3中所制备的柔性封孔浆液与对比例1和2中的水泥基封孔材料和聚氨酯封孔材料在晋东某矿工作面进行瓦斯抽采钻孔封孔后抽采效果对比。本次封孔共100个钻孔，经过钻孔窥视仪观测钻孔裂隙发育情况，决定24个钻孔采用实施例1中柔性封孔浆液封孔，14个钻孔采用实施例2中柔性封孔浆液封孔，22个钻孔采用实施例3中柔性封孔浆液封孔，剩余40个钻孔分别采用水泥基封孔材料和聚氨酯封孔材料进行封孔。
表1为实施例与对比例瓦斯抽采效果对比。
由上表测试结果分析得出，采用本发明制备的柔性封孔浆液封孔的钻孔瓦斯抽采浓度下降较慢，抽采瓦斯浓度较高，便于抽采后瓦斯的提纯利用，整体瓦斯抽采效果较好；而采用对比例1和2封孔的钻孔瓦斯抽采浓度前期较高，后期快速下降，瓦斯抽采效果较差。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (3)
1.一种井下用柔性封孔浆液，其特征在于，封孔浆液按质量份数计由以下组分组成：改性膨润土6～9份，羟丙基甲基纤维素4～6份，高分子吸水树脂1～2份，橡胶颗粒7～9份，煤矸石粉10～15份，表面活性剂0.03～0.05份，水300～360份；
改性膨润土密度为2g/cm3，表观粘度为40mPa.s，膨胀倍数为50；
橡胶颗粒和煤矸石粉为颗粒充填材料，用于在粘液中起骨架稳定作用；
橡胶颗粒的材质为防火耐高温橡胶，橡胶颗粒的粒径分布范围及质量占比为1～2mm：2～4mm：3～5mm=7.5：3.2：1.4；
煤矸石粉的材质为采煤和洗煤过程中废弃的煤矸石，煤矸石粉的粒径分布范围及质量占比为0.21mm～0.42mm：0.35～0.76mm：0.66～1.00mm=10.8：7.6：5.2；
表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠、脂肪酸甘油酯和十二烷基硫酸钠的一种或多种以任意比例混合的混合物。
2.根据权利要求1所述的一种井下用柔性封孔浆液，其特征在于，使用水的温度为10～35℃。
3.根据权利要求1-2任一项所述的井下用柔性封孔浆液的制备方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
将改性膨润土6～9份，羟丙基甲基纤维素4～6份，高分子吸水树脂1～2份和表面活性剂0.03～0.05份均匀混合形成封孔材料A组分；并将橡胶颗粒7～9份，煤矸石粉10～15份均匀混合形成封孔材料B组分，将水倒入注浆桶内，加入封孔材料A组分进行搅拌，待封孔材料A全部溶解后加入封孔材料B进行搅拌，直至封孔材料B分散在粘性液体中，得到所述的井下用柔性封孔浆液。
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