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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

基于自修复效应的封孔材料裂隙自愈合特性

2023-12-05


创新点

针对抽采钻孔注浆封孔二次开裂难题,提出了再生裂隙自修复注浆理论及方法,研发了一种裂隙自修复封孔材料,当注浆位置再次产生裂隙后可实现裂隙的自愈合;对比分析了自修复水泥和普通水泥水化产物的微观形貌及物相组成,从二次水化和碳化作用两个方面揭示了自修复产物的生成机制。

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基于自修复效应的封孔材料裂隙自愈合特性

作者:司磊磊1, 2 , 师伟峰1, 2 , 魏建平1, 2 , 刘 勇1, 2 , 姚邦华1, 2
单位:1. 河南理工大学 安全科学与工程学院;2. 河南理工大学 瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 
我国是世界煤炭资源大国同时也是煤炭生产和消费大国2021全国原煤产量40.7亿 t同比增长 4.7%创历史新高。未来较长一段时间内煤炭作为 我国主体能源的地位不会改变。在煤炭采掘过程中受地应力煤层瓦斯及煤体自身等综合作用影响下容易发生煤与瓦斯突出事故严重威胁煤矿安全开采。 通过钻孔预抽煤层瓦斯是防治瓦斯灾害的重要措施而井下瓦斯抽采效果直接受封孔质量影响因此有 效提高钻孔封孔质量对提高瓦斯抽采效果具有重要 意义。
封孔是钻孔预抽煤层瓦斯的关键环节密封良好的钻孔才能保证抽采负压给煤层瓦斯流入钻孔提供 持续动力从而达到高效抽采瓦斯的目的。因此为了保证抽采钻孔的密封质量现有的钻孔密封技术需要综合考虑孔内以及孔外漏气的问题。带压注浆封 孔是目前煤矿井下应用最为广泛的一种封孔方式水泥基材料是其普遍使用的注浆材料。传统的水泥材料存在早期强度不高和失水易收缩等缺陷一方面会导致封孔材料本体封孔材料和抽采管路之间以及封孔材料和钻孔内壁之间出现孔内漏气另一方面导致已经封堵的围岩产生再生裂隙造成孔外漏气。针 对上述缺陷相关研究通过在水泥材料中加入具有特殊性能的试剂对水泥封孔材料性能进行改进如在 水泥基材料中加入早强剂膨胀剂和纳米材料等。罗麒等研究了2种有机无机复合早强剂对封孔水泥抗 压强度的影响发现2种复合早强剂可加快水泥水化 反应进程从而提高其早期强度。王志明等在硅酸盐水泥中添加固相膨胀剂开发了1种二次膨胀封孔材料相比传统水泥基材料其膨胀力显著提高。刘健等研究了纳米氮化硅对粉煤灰水泥封孔材料早期强 度的影响发现纳米氮化硅的晶核作用更有助于激发 粉煤灰活性进而加快水泥熟料硅酸三钙 (C3S) 的水化, 生成更多具有致密网状结构的水化硅酸钙(C—S— H)凝胶提高封孔水泥早期强度。以上研究表明不 同功能的添加剂在提高封孔水泥性能方面具有明显 优势。但在煤矿瓦斯抽采过程中抽采钻孔普遍服役时间较长少则几月多则数年即使在初期具有较好 的封孔效果但在长时间抽采下受钻孔周围煤岩体 扰动等影响封孔材料封孔材料和钻孔内壁之间钻孔周围的浆()体之间会再次开裂随着裂隙进 一步发育大量外界空气受负压作用漏入钻孔这是造成抽采钻孔中后期瓦斯抽采体积分数衰减的重要原因。
自修复水泥基材料是利用自修复功能组分实现 水泥基材料开裂后裂缝自发填充或者黏合从而延长 水泥材料的使用寿命。自修复水泥在混凝土领域已得到广泛关注主要修复方式有微胶囊自修复、 空心纤维自修复记忆合金自修复微生物自修 复渗透结晶自修复等。自修复水泥基材料的研究已经取得了一定进展这给煤矿水泥注浆封孔材料的研发提供了新的思路。但是微胶囊空心纤维形 状记忆合金微生物等自修复技术具有较强的应用环境要求面对煤矿井下复杂的地质环境条件这些自修复技术可能难以发挥其作用。渗透结晶自修复是 指在混凝土中掺入活性外加剂当混凝土开裂并有水分空气渗入时活性分子随水渗透到混凝土内与水 泥毛细孔中的游离石灰和氧化物发生化学反应在裂 缝处生成不溶于水的CaCO结晶体实现裂缝的自修复。这种自修复技术的核心是加入的活性修复剂和煤矿井下抽采钻孔周围的高湿环境以及瓦斯抽采注浆封孔工艺的契合性较高在封堵钻孔漏气方面具有较高的应用潜力。
综上笔者提出研发自修复封孔材料应用于煤矿瓦斯抽采注浆封孔技术。当注浆封孔处受应力扰动出现再生裂隙时自修复材料可以与水分以及CO2等发生反应进而在裂隙处生成矿化产物重新封堵再生裂隙提高钻孔瓦斯抽采效果。笔者主要开展了 修复剂对水泥基材料裂隙自修复特性的实验研究。 将自然空气条件设置为自修复环境通过高清测量显微镜观测不同时间水泥裂隙宽度变化评价裂隙自修复效果。并结合 SEMXRD拉曼光谱实验对比分析了净水泥和自修复水泥水化产物的微观形貌及物相 组成最后结合水泥二次水化以及碳化作用讨论了自修复产物的生成机理。
摘要
 ABSTRACT
水泥基材料是煤矿井下最常用的注浆封孔材料,但是受应力扰动、水泥材料失水收缩等影 响,传统水泥基材料容易形成再生裂隙,导致钻孔内瓦斯抽采率降低。为了减小再生裂隙对瓦斯抽采效果的影响,研发一种自修复水泥封孔材料,当注浆位置再次产生裂隙后可实现裂隙的自愈合。首先,通过裂隙自修复实验研究了自修复水泥在空气条件下的裂隙自修复性能,采用高倍测 量显微镜记录裂隙在不同时间内的宽度变化规律,发现在自然空气条件下,自修复水泥在4d内能够修复最大宽度为0.46 mm的裂隙,裂隙处生成大量白色矿物,14d内修复物体积仍有明显增长。 刮去修复产物后,仍有白色矿物生成。为进一步研究自修复产物的生成机理,通过 SEM-EDS 对比分析了自修复水泥以及不加修复剂的净水泥2种水泥水化 721 d 的微观形貌和微观元素分布, 并通过 XRD、拉曼光谱仪对比分析了2种水泥的物相信息。SEM-EDS 结果显示,净水泥中针状物质和絮状物质相互交联,整体结构致密,而自修复水泥中分布大量多孔状物质,结构比较疏松。 
相较于净水泥,自修复水泥水化产物中 CNaAlSi四种元素的质量分数明显较高。裂隙修复物表面分布大量排列紧密的长条状物质,主要元素组成为 CONaCaXRD结果显示,和净水泥相比,自修复水泥中出现更多未水化硅酸三钙的衍射峰,相同水化时间,净水泥水化产物主 要是氢氧化钙和钙矾石,而自修复水泥中出现了钠长石、沸石等铝硅酸盐矿物。裂隙修复物由沸石、钙霞石、硅灰石等多种硅酸盐矿物以及碳酸钙组成,其中碳酸钙的衍射峰数目最多。
拉曼光谱结果显示,同净水泥相比,自修复水泥在2 860~2 960 cm−1处具有明显拉曼谱峰,水化7 d,净水泥拉曼峰普遍尖锐,而自修复水泥拉曼峰明显更宽。净水泥中出现较多高强度氢氧化钙的拉曼峰,而自修复水泥中则出现更多CO32C—O 振动的拉曼峰,峰面积更大,由此可知自修复水泥更易和空气中CO2反应发生碳化。水化21 d2种水泥的拉曼峰都很尖锐,主要物相都是水化硅酸钙和氢氧化钙,而自修复水泥中还包括了大量未水化硅酸三钙。最终,分析了二次水化作用及碳化作用对裂隙自修复的影响,并结合实验结果推导了裂隙修复产物的生成方程式。
部分图片





 1    拼接法预制水泥表面裂隙


 2    高清测量显微镜


 3    整个水泥表面与空气接触时的表面裂隙修复情况


 4    只有裂缝处与空气接触时的表面裂隙修复情况


 5    刮去修复物 7 d 内自修复水泥表面裂隙宽度变化


 6    2 种水泥水化 721 d 微观形貌


 7    2 种水泥水化 21 d 特征形貌元素分析


 8    裂隙自修复产物 SEM-EDS 


 9    2 种水泥水化 721 d XRD


 10    裂隙自修复产物 XRD


 11    2 种水泥水化不同时间拉曼光谱





作者简介


司磊磊,男,199112月生,河南博爱人,河南理工大学副教授,硕士生导师,入选河南省高层次人才、第五届博士后创新人才支持计划,主持国家自然科学基金2项、河南省重点研发与推广专项、中国博士后科学基金面上项目、中国工程院院地合作战略咨询重点项目子课题、河南省高等学校重点科研项目、河南理工大学杰出青年科学基金等科研项目。独著出版学术专著1部,第一/通讯作者发表SCI/EI检索论文20余篇,ESI高被引论文2篇,授权国际发明专利1项,国内发明专利10余项,研究成果获中国煤炭工业协会科学技术二等奖2项(R2R3)。


研究方向

矿井瓦斯防治、矿井粉尘防治


主要成果

致力于矿井瓦斯及粉尘治理方面的研究工作。取得多项创新型成果。揭示了瓦斯氛围下煤水相互作用机理,提出了含瓦斯煤润湿性调控机制及方法,研发了含瓦斯煤层高效注水润湿剂,形成了含瓦斯煤注水润湿工艺,有效提高了煤层注水润湿效果;提出了瓦斯抽采钻孔再生裂隙自修复注浆理论及方法,揭示了浆-煤异质体再生裂隙自愈合机制,研发了裂隙自愈合注浆封孔材料,形成了瓦斯抽采钻孔高效密封工艺及装备体系。研究成果为我国矿井瓦斯灾害的防治工作提供了理论及技术支撑。



来源:

司磊磊师伟峰魏建平基于自修复效应的封孔材料裂隙自愈合特性[J]. 煤炭学报202348(11):4097−4111.


责编:王晓珍
编辑:赵泽维
审核:张晓宁


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