CN103664121A - 封孔注浆材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种封孔注浆材料及其制备方法与应用。该材料由硫铝酸盐水泥60～65重量份、α-CaSO4·0.5H2O45～50重量份、生石灰20～25重量份、十二水合硫酸铝钾3～5重量份、碳酸氢钠3～5重量份、柠檬酸0.3～0.5重量份、十二烷基硫酸钠0.2～0.4重量份、铝粉0.1～0.15重量份组成。本发明适用于瓦斯抽采钻孔带压注浆封孔工艺，其可在1.2:1的高水灰比下保持良好的稳定性，具有速凝、早强、可注性好、凝固体强度大等优点，且能够通过双阶段膨胀作用实现对钻孔周围裂隙的理想密封，彻底阻断空气漏入途径。本发明所用原料均为市售常规材料，无毒无害且价格便宜，现场应用试验证明，与同类产品相比本发明产品明显具有更好的应用效果。
Description
技术领域
本发明涉及封孔用注浆材料，尤其是涉及一种封孔注浆材料及其制备方法与应用。
背景技术
本煤层瓦斯抽采是治理瓦斯灾害的重要手段，其中抽采钻孔密封质量显著影响抽采效率。封孔材料是封孔工艺的核心要素，其对钻孔密封质量具有决定性作用，因此提高封孔材料性能是改进封孔工艺的重要途径。
带压注浆封孔工艺是近年来发展起来的封孔方法，典型如有机发泡材料-水泥封孔、囊袋式封孔、充气（注水）胶囊-水泥封孔以及压注法聚氨酯封孔。该类工艺的特点是通过对封孔段两端的有效封堵，形成一段密闭环形注浆空间，而后向其中加压注入封孔介质，由于两端受限，封孔浆液只能径向渗入钻孔周围裂隙，从而形成对空气漏入通道的良好封堵，隔绝外部空气进入抽采钻孔，有效提高瓦斯抽采浓度。
但是目前带压注浆工艺多使用普通水泥浆液，在注浆完成后不可避免地会有一部分浆液通过钻孔周边裂隙泄漏损失，且在凝固时会产生析水收缩，对于大倾角钻孔不会产生致命影响，但对于缓倾斜或近水平钻孔，将会在注浆段上部形成月牙形裂隙，形成漏气通道，导致封孔失败。若带压注浆使用有机材料如聚氨酯等，则存在混合浆液粘度大注浆困难，反应时间快施工要求高，抗压强度小无法抵抗采动地压影响，材料价格高且有毒性等诸多缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种封孔注浆材料及其制备方法与应用。
本发明提供的封孔注浆材料，包括如下组分：硫铝酸盐水泥、α-CaSO4·0.5H2O（或高强石膏）、生石灰、十二水合硫酸铝钾、碳酸氢钠、柠檬酸、十二烷基硫酸钠和铝粉。
上述封孔注浆材料也可只由如上组分组成。
所述封孔注浆材料中，各组分的重量份如下：
硫铝酸盐水泥60～65重量份、α-CaSO4·0.5H2O（或高强石膏）45～50重量份、生石灰20～25重量份、十二水合硫酸铝钾3～5重量份、碳酸氢钠3～5重量份、柠檬酸0.3～0.5重量份、十二烷基硫酸钠0.2～0.4重量份、铝粉0.1～0.15重量份。
具体的，所述封孔注浆材料中，各组分的重量份如下：
硫铝酸盐水泥60-63重量份、α-CaSO4·0.5H2O（或高强石膏）45-48重量份、生石灰20-22重量份、十二水合硫酸铝钾3-4重量份、碳酸氢钠3-4重量份、柠檬酸0.3-0.4重量份、十二烷基硫酸钠0.2-0.3重量份、铝粉0.1-0.12重量份；
硫铝酸盐水泥63-65重量份、α-CaSO4·0.5H2O（或高强石膏）48-50重量份、生石灰22-25重量份、十二水合硫酸铝钾4-5重量份、碳酸氢钠4-5重量份、柠檬酸0.4-0.5重量份、十二烷基硫酸钠0.3-0.4重量份、铝粉0.12-0.15重量份；
更具体的，所述封孔注浆材料中，各组分的重量份如下：
硫铝酸盐水泥60重量份、α-CaSO4·0.5H2O（或高强石膏）45重量份、生石灰20重量份、十二水合硫酸铝钾3重量份、碳酸氢钠3重量份、柠檬酸0.3重量份、十二烷基硫酸钠0.2重量份、铝粉0.1重量份；或者，
硫铝酸盐水泥63重量份、α-CaSO4·0.5H2O（或高强石膏）48重量份、生石灰22重量份、十二水合硫酸铝钾4重量份、碳酸氢钠4重量份、柠檬酸0.4重量份、十二烷基硫酸钠0.3重量份、铝粉0.12重量份；或者，
硫铝酸盐水泥65重量份、α-CaSO4·0.5H2O（或高强石膏）50重量份、生石灰25重量份、十二水合硫酸铝钾5重量份、碳酸氢钠5重量份、柠檬酸0.5重量份、十二烷基硫酸钠0.4重量份、铝粉0.15重量份。
所述硫铝酸盐水泥、α-CaSO4·0.5H2O（或高强石膏）、生石灰、十二水合硫酸铝钾、碳酸氢钠、柠檬酸、十二烷基硫酸钠的比表面积均为350m2/kg至400m2/kg；
所述铝粉的平均粒径为50～60μm。
本发明提供的制备所述封孔注浆材料的方法，包括如下步骤：将α-CaSO4·0.5H2O（或高强石膏）、十二水合硫酸铝钾、碳酸氢钠、柠檬酸、十二烷基硫酸钠和铝粉按照配比混匀后，再按照配比加入硫铝酸盐水泥和生石灰混匀，得到所述封孔注浆材料。
另外，上述本发明提供的封孔注浆材料在封孔中的应用，也属于本发明的保护范围。其中，所述封孔步骤包括：将所述封孔注浆材料与水混合搅拌均匀；所述封孔注浆材料与水的重量比为1：0.8-1.2，具体为1：1.2。
本发明针对目前瓦斯抽采钻孔无机封孔注浆材料存在析水、凝固慢、注浆后泄漏及凝固收缩等缺点，提供了一种适用于带压注浆封孔工艺的新型复合注浆材料。该注浆材料可在1.2：1的高水灰比下保持良好的稳定性，具有速凝、早强、可注性好、凝固体强度大等优点，使用时可以在初凝后一段时间内通过有效加气膨胀实现对封孔注浆段浆液渗流损失的补偿及对钻孔周围裂隙的封堵，并可在终凝前一段时间内再次通过钙矾石分子级结晶膨胀力对微细裂隙进行密封压实，彻底阻断空气漏入途径，大幅度提升瓦斯抽采浓度。本发明所用原料均为市售常规材料，无毒无害且价格便宜，现场应用试验证明，与同类产品相比本专利产品明显具有更好的应用效果。
附图说明
图1为煤层钻孔瓦斯抽采浓度变化图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。下述实施例所用硫铝酸盐水泥、高强石膏、生石灰、十二水合硫酸铝钾、碳酸氢钠、柠檬酸、十二烷基硫酸钠的比表面积均为350～400m2/kg；所用铝粉的平均粒径为50～60μm。
所用硫铝酸盐水泥可购自河北唐山北极熊建材有限公司，产品具体为该公司生产的42.5级快硬硫铝酸盐水泥；所用高强石膏可购自内蒙古鄂旗凤山石膏粉厂，主要成分为α-CaSO4·0.5H2O。
实施例1
各原料的重量份如下：
硫铝酸盐水泥60重量份、α-CaSO4·0.5H2O（或高强石膏）45重量份、生石灰20重量份、十二水合硫酸铝钾3重量份、碳酸氢钠3重量份、柠檬酸0.3重量份、十二烷基硫酸钠0.2重量份、铝粉0.1重量份；
首先将高强石膏、十二水合硫酸铝钾、碳酸氢钠、柠檬酸、十二烷基硫酸钠、铝粉按要求重量份加入混料机中初步混匀，最后按要求重量份加入硫铝酸盐水泥和生石灰，混匀即得到本发明提供的双阶段膨胀复合封孔注浆材料，密封袋装干燥处存放即可。
井下封孔施工时，与水混合（水灰重量比1.2:1）搅拌均匀成浆即可使用。
实施例2
各原料的重量份如下：
硫铝酸盐水泥63重量份、α-CaSO4·0.5H2O（或高强石膏）48重量份、生石灰22重量份、十二水合硫酸铝钾4重量份、碳酸氢钠4重量份、柠檬酸0.4重量份、十二烷基硫酸钠0.3重量份、铝粉0.12重量份；
首先将高强石膏、十二水合硫酸铝钾、碳酸氢钠、柠檬酸、十二烷基硫酸钠、铝粉按要求重量份加入混料机中初步混匀，最后按要求重量份加入硫铝酸盐水泥和生石灰，混匀即得到本发明提供的双阶段膨胀复合封孔注浆材料，密封袋装干燥处存放即可。
井下封孔施工时，与水混合（水灰重量比1.2:1）搅拌均匀成浆即可使用。
实施例3
各原料的重量份如下：
硫铝酸盐水泥65重量份、α-CaSO4·0.5H2O（或高强石膏）50重量份、生石灰25重量份、十二水合硫酸铝钾5重量份、碳酸氢钠5重量份、柠檬酸0.5重量份、十二烷基硫酸钠0.4重量份、铝粉0.15重量份；
首先将高强石膏、十二水合硫酸铝钾、碳酸氢钠、柠檬酸、十二烷基硫酸钠、铝粉按要求重量份加入混料机中初步混匀，最后按要求重量份加入硫铝酸盐水泥和生石灰，混匀即得到本发明提供的双阶段膨胀复合封孔注浆材料，密封袋装干燥处存放即可。
井下封孔施工时，与水混合（水灰重量比1.2:1）搅拌均匀成浆即可使用。
实施例4、双阶段膨胀复合封孔注浆材料的封孔效果试验
将实施例1所得双阶段膨胀复合封孔注浆材料加入1.2倍重量水拌匀后，使用标准JBT--9226-2008进行浆液悬浮性的测定，浆液悬浮性良好，基本无析水现象。
使用标准GBT8077-2000进行浆液流动性的测定，证明浆液流动性优异且40min内无损失，因此施工时可注性良好。
使用水泥浆膨胀泌水率测定仪进行浆液膨胀率的测定，1h开始缓慢膨胀，1h40min膨胀进程结束，膨胀率达到15%以上，且后期无收缩干裂现象。其中，材料凝固后单轴抗压强度变化如表1所示。
表1、材料强度变化规律
由表1可知，该材料可以在较短的时间内发展出较高的强度，完全满足注浆材料速凝早强高强的要求。
对该材料的性能进行了工业现场试验，选择国投河南新能开发有限公司王行庄煤矿作为试验地点，王行庄矿现采用两端聚氨酯中间加注普通硅酸盐水泥浆封孔，瓦斯浓度衰减速度快，有效抽采周期短，显著影响瓦斯抽采效率，因而可进行该材料的尝试以改善此情况。
选取具有代表性的试验孔S1～S4及对比孔D1～D4进行对比试验，钻孔施工参数一致；
其中S1～S4孔采用两端聚氨酯中间加注该实施例所得材料封孔，具体为封孔段两端各为1m聚氨酯封孔段，形成环形密闭注浆空间，向该空间中加压注入该实施例所得材料浆液；
D1～D4孔采用王行庄矿原封孔工艺（也即两端聚氨酯中间加注普通水泥浆）封孔，具体为封孔段两端各为1m聚氨酯封孔段，形成环形密闭注浆空间，向该空间中加压注入普通硅酸盐水泥浆液。
钻孔注浆封孔技术参数见表2。
表2注浆封孔技术参数设计表
经过2个月左右的现场观测，试验钻孔和对比钻孔瓦斯浓度变化情况如图1所示。
由图1可知，采用实施例1所得材料所封S1～S4钻孔的瓦斯抽采浓度明显高于使用原封孔工艺所封D1～D4钻孔，随着抽采时间延长抽出瓦斯浓度差异更加显著。试验孔S1～S4的平均瓦斯抽采浓度比对比孔D1～D4分别提高24.9%、25.8%、28.3%、21.7%，平均提高25.2%。第5d、35d、67d时4个试验孔的平均抽采浓度比对比孔分别提高13.3%、33.2%、47.3%，说明瓦斯抽采浓度衰减速度明显降低，从而使钻孔有效抽采周期大幅延长。
实施例2和3所得双阶段膨胀复合封孔注浆材料的封孔效果与上无实质性差别，不再赘述。
Claims (10)
1.一种封孔注浆材料，包括如下组分：硫铝酸盐水泥、α-CaSO4·0.5H2O、生石灰、十二水合硫酸铝钾、碳酸氢钠、柠檬酸、十二烷基硫酸钠和铝粉。
2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述封孔注浆材料由如下各组分组成：硫铝酸盐水泥、α-CaSO4·0.5H2O、生石灰、十二水合硫酸铝钾、碳酸氢钠、柠檬酸、十二烷基硫酸钠和铝粉。
3.根据权利要求1或2所述的材料，其特征在于：所述封孔注浆材料中，各组分的重量份如下：
硫铝酸盐水泥60～65重量份、α-CaSO4·0.5H2O45～50重量份、生石灰20～25重量份、十二水合硫酸铝钾3～5重量份、碳酸氢钠3～5重量份、柠檬酸0.3～0.5重量份、十二烷基硫酸钠0.2～0.4重量份、铝粉0.1～0.15重量份；
所述封孔注浆材料中，各组分的重量份具体如下：
硫铝酸盐水泥60-63重量份、α-CaSO4·0.5H2O45-48重量份、生石灰20-22重量份、十二水合硫酸铝钾3-4重量份、碳酸氢钠3-4重量份、柠檬酸0.3-0.4重量份、十二烷基硫酸钠0.2-0.3重量份、铝粉0.1-0.12重量份；
硫铝酸盐水泥63-65重量份、α-CaSO4·0.5H2O48-50重量份、生石灰22-25重量份、十二水合硫酸铝钾4-5重量份、碳酸氢钠4-5重量份、柠檬酸0.4-0.5重量份、十二烷基硫酸钠0.3-0.4重量份、铝粉0.12-0.15重量份。
4.根据权利要求3所述的材料，其特征在于：所述封孔注浆材料中，各组分的重量份如下：
硫铝酸盐水泥60重量份、α-CaSO4·0.5H2O45重量份、生石灰20重量份、十二水合硫酸铝钾3重量份、碳酸氢钠3重量份、柠檬酸0.3重量份、十二烷基硫酸钠0.2重量份、铝粉0.1重量份。
5.根据权利要求3所述的材料，其特征在于：所述封孔注浆材料中，各组分的重量份如下：
硫铝酸盐水泥63重量份、α-CaSO4·0.5H2O48重量份、生石灰22重量份、十二水合硫酸铝钾4重量份、碳酸氢钠4重量份、柠檬酸0.4重量份、十二烷基硫酸钠0.3重量份、铝粉0.12重量份。
6.根据权利要求3所述的材料，其特征在于：所述封孔注浆材料中，各组分的重量份如下：
硫铝酸盐水泥65重量份、α-CaSO4·0.5H2O50重量份、生石灰25重量份、十二水合硫酸铝钾5重量份、碳酸氢钠5重量份、柠檬酸0.5重量份、十二烷基硫酸钠0.4重量份、铝粉0.15重量份。
7.根据权利要求1-6任一所述的材料，其特征在于：所述硫铝酸盐水泥、α-CaSO4·0.5H2O、生石灰、十二水合硫酸铝钾、碳酸氢钠、柠檬酸、十二烷基硫酸钠的比表面积均为350～400m2/kg；
所述铝粉的平均粒径为50～60μm。
8.一种制备权利要求1-7任一所述封孔注浆材料的方法，包括如下步骤：将权利要求1-7任一所述α-CaSO4·0.5H2O、十二水合硫酸铝钾、碳酸氢钠、柠檬酸、十二烷基硫酸钠和铝粉按照配比混匀后，再按照配比加入硫铝酸盐水泥和生石灰混匀，得到所述封孔注浆材料。
9.权利要求1-7任一所述封孔注浆材料在封孔中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述封孔步骤包括：将权利要求1-7任一所述封孔注浆材料与水混匀；
所述封孔注浆材料与水的重量比为1：0.8-1.2，具体为1：1.2。
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