钻孔密封材料的微观特性及其对密封性能的影响

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2013.05.005 第35卷第5期 北京科技大学学报 Vol.35 No.5 2013年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2013 钻孔密封材料的微观特性及其对密封性能的影响 倪冠华12)区，林柏泉12)，翟成1,2)，李全贵1,2)，李贤忠12)，郑春山12) 1)中国矿业大学安全工程学院，徐州221116 2)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，徐州221116 ☒通信作者，E-mail:ngh0101@163.com 摘要研究了钻孔密封材料聚氨酯和膨胀水泥冻复合材料(PD复合材料)的微观特性，并考察了其对钻孔密封性能 的影响作用.实验模拟了煤矿井下钻孔封孔过程，利用FEI QuantaTM250环境扫描电子显微镜对聚氨酯、PD复合材 料本身，以及两者与煤壁的结合、渗透和发展进行微观对比和分析.PD复合材料的渗透系数约为聚氨酯瓦斯渗透性系 数的1/48.聚氨酯为蜂窝网状结构，内部孔隙较大，与孔壁结合处存在空白区域：PD复合材料结构严实，内部孔隙极 小，在孔壁处与煤体结合密实.PD复合材料比聚氨酯更容易克服钻孔周围裂隙区内瓦斯压力、水锁效应等各种阻力的 作用，在钻孔周围裂隙内逐渐渗透，且其自身可以继续在钻孔周围残余裂隙和孔洞内发展. 关键词煤矿；瓦斯抽放：密封；聚氨酯：水泥 分类号TD712+.6 Microscopic properties of drilling sealing materials and their influence on the sealing performance of boreholes NI Guan-hual2),LIN Bai-quan2),ZHAI Cheng.2),LI Quan-gui2),LI Xian-zhong.2), ZHENG Chun-shan.2) 1)School of Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116.China 2)State Key Laboratory of Coal Resources and Mine Safety,Xuzhou 221116,China Corresponding author,E-mail:ngh0101@163.com ABSTRACT This article reports the microscopic properties of polyurethane and expansive cement jelly composite material(PD composite material)as well as their impacts on the sealing performance of boreholes.Simulated experiment of the coal mine drilling sealing process was carried out,and FEI QuantaTM 250 environmental scanning electron microscopy was used for analyzing the microstructure of polyurethane and PD composite material,together with the combination,penetration and development of these two materials with the coal wall.It is found that the permeability coefficient of PD composite material is approximately 1/48 of that of polyurethane.Polyurethane has a cellular network structure and larger internal porosity,and there exists a blank area between polyurethane and the hole wall.However, PD composite material has a smaller internal porosity,and the tight structure makes the combination of PD composite material with the hole wall more compact.Compared with polyurethane,PD composite material is easier to overcome gas pressure and water resistance and then gradually infiltrate at the fracture zone around the borehole.Moreover,PD composite material can continue to develop in residual cracks and holes around the borehole. KEY WORDS coal mines;gas drainage;sealing;polyurethane;cement 矿井瓦斯抽放过程中，采用封孔黏液密封钻孔取决于两个重要因素：一是密封材料的性能，若材 周围裂隙是钻孔抽放过程中提高瓦斯抽放效率的有 料易于渗漏或黏结性较差，则会由于钻孔漏水漏气 效方法).封孔黏液密封钻孔周围裂隙质量的好坏 而无法达到瓦斯抽放的效果；二是封孔长度，若未 收稿日期：2012-10-10 基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(51074161)：国家重点基础研究发展计划资助项目(2011CB201205)

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 钻孔密封材料的微观特性及其对密封性能的影响 倪 冠华 `, 网, 林柏泉 `, , 翟 成 `, , 李全贵 `, , 李 贤忠 `, , 郑春 山`, 中国矿业大学安全工程学院, 徐州 煤炭资源与安全开采国家重 点实验室, 徐州 困 通信作者, 一 ￡ 摘 要 研究了钻孔密封材料聚氨酷和膨胀水泥冻复合材料 复合材料 的微观特性, 并考察 了其对钻孔密封性能 的影响作用 实验模拟 了煤矿井下钻孔封孔过程, 利用 环境扫描电子显微镜对聚氨酷 、 复合材 料本身, 以及两者与煤壁的结合 、渗透和发展进行微观对 比和分析 复合材料的渗透系数约为聚氨酷瓦斯渗透性系 数的 聚氨酷为蜂窝网状结构, 内部孔隙较大, 与孔壁结合处存在空白区域 复合材料结构严实, 内部孔隙极 小, 在孔壁处与煤体结合密实 复合材料比聚氨酷更容易克服钻孔周围裂隙区内瓦斯压力 、水锁效应等各种阻力的 作用, 在钻孔周围裂隙内逐渐渗透 , 且其 自身可以继续在钻孔周围残余裂隙和孔洞内发展 关键词 煤矿 瓦斯抽放 密封 聚氨酷 水泥 分类号 附 一人。 `, 困, 石拼 刀 `一 。`, , 万八了战 。`, , 五了 二 一。。、, , 五 一人 , , 幻孔姚 “ 一 , , , , 七 叭 , 困 , ￡ , , , 即 , , , , , 矿井瓦斯抽放过程中, 采用封孔勃液密封钻孔 取决于两个重要因素 一是密封材料 的性 能, 若材 周围裂隙是钻孔抽放过程中提高瓦斯抽放效率的有 料易于渗漏或豁结性较差 , 则会 由于钻孔漏水漏气 效方法 封孔勃液密封钻孔周 围裂隙质量的好坏 而无法达到瓦斯抽放的效果 二是封孔长度 , 若未 收稿 日期 一 一 基金项 目 国家 自然科学基金重点资助项 目 国家重点基础研究发展计划资助项 目 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2013.05.005

第5期 倪冠华等：钻孔密封材料的微观特性及其对密封性能的影响 573· 确定足够的封孔长度，则在孔口负压的作用下，钻 周围孔隙和裂隙中的渗透降低了钻孔周围煤体的孔 孔可以通过煤体裂隙与外部空间形成回路循环而导 隙率，增加了煤体的密实度和煤体的强度 致连通漏气，降低瓦斯抽放的效率2-3到.若封孔长 现在煤矿现场采用的钻孔密封材料主要是聚 度过长，则增加了抽放成本，使煤矿企业在现场封 氨酯和PD复合材料，但是对于这两种密封材料的 孔实践中出现盲目封孔、费料费力费时间的“三费” 微观特性以及其对密封性能的影响却模糊不清，使 现象.因此，研究钻孔密封材料的微观特性及其对 煤矿企业在现场封孔实践中出现盲目选择密封材料 密封性能的影响作用对瓦斯抽放工作具有十分重要 的现象，不仅费料费力费时间，而且达不到现场要 的意义 求的瓦斯抽放效果.鉴于此，本文研究了聚氨酯和 传统的钻孔密封材料包括黏土和水泥砂浆，黏 PD复合材料的微观特性及其对密封性能的影响作 土材料不易送入钻孔4，导致封孔长度受到限制， 用 降低了抽放效率；水泥砂浆材料具有收缩性，尤其 在裂隙带处存在封孔不严的问题)，导致钻孔漏水 2实验设计及方法 漏气，影响瓦斯抽放和煤尘注水的效果.现在煤矿 2.1实验模型 现场采用的钻孔密封材料主要是聚氨酯和PD复合 实验采用刚性容器装煤，容器底部中心开有注 材料（膨胀水泥冻复合材料），本文根据现场实践和 浆管，与手动注浆泵相连.为达到模拟钻孔封孔的 研究需要，实验模拟了煤矿井下钻孔封孔过程，利 效果，注浆管一端封闭，侧面开有网眼，模拟实际 用FEI QuantaTM250环境扫描电子显微镜对聚氨 封孔时的径向渗透.打开容器，煤样装入以后，为 酯、PD复合材料本身的微观结构，以及两者与煤 确保煤样密实，煤样分批装入，倒入一部分煤样即 壁的结合、渗透和发展进行了微观对比和分析，研 捣实一次，捣实的过程中注意保护容器中央的注浆 究了聚氨酯和PD复合材料的微观特性及其对密封 管，避免折弯，煤样装入完毕，上部加以重锤.注浆 性能的影响作用 开始前应将管路中的空气排放干净.实验模型如图 1所示. 1钻孔密封机理 通过实验与煤瓦斯抽放现场实践表明，工 ,注液孔 作面实施钻孔抽放时，所打钻孔相对较浅，处于 容器壁 煤层卸压区内.瓦斯抽放过程中，瓦斯从煤体 中渗出以及巷道空气渗入钻孔影响瓦斯抽放效果， 煤样 主要有三种途径[：(1)通过钻孔密封材料体本身 的裂隙泄漏与渗入：(2)通过钻孔周围裂隙圈泄漏 与渗入；(3)通过煤层的卸压区域和裂隙泄漏与滲 入.因此，钻孔密封材料本身的徽观特性及其对 图1实验模型 钻孔周围裂隙圈的密封性能是考察钻孔密封材料封 Fig.1 Experimental model 孔效果好坏的主要因素，也是钻孔密封机理的集中 体现 2.2实验方法及实验步骤 首先，钻孔密封材料在注浆压力的作用下，注 实验步骤主要分制样过程和取样过程，由于条 入抽放钻孔内一定长度，黏性密封材料流动充满该 件的限制，采用将煤粉通过一定的压力压缩成煤样 段密封钻孔.若密封材料本身微观裂隙、孔隙较多， 的方法，以便注密封材料浆液，此过程称为制样过 则在瓦斯抽采过程中，钻孔内的瓦斯以及巷道内的 程.由于FEI QuantaTM250环境扫描电子显微镜对 空气通过密封材料本身的孔洞泄漏与渗入；若密封 样品尺寸的要求，只能把煤块再取成直径为1cm 材料易于渗漏或黏结性较差，则会导致密封材料与 的小煤样，此过程称为取样过程. 煤壁不能充分结合，在钻孔塌陷区存在空白区域， 实验制样步骤如下： 使钻孔漏水漏气而无法达到瓦斯抽放的效果. (1)打开六个刚性圆柱状容器，容器直径为500 其次，钻孔密封材料在注浆压力的作用下，克 mm,高为300mm.装入煤样，为确保煤样密实，煤 服钻孔周围裂隙中的瓦斯压力、水锁效应等各种阻 样分批装入.倒入一部分煤样即捣实一次. 力进入钻孔周围孔隙和裂隙.密封材料在煤层钻孔 (2)把加工成的煤样分为两组A和B,每组三

第 期 倪冠华等 钻孔密封材料的微观特性及其对密封性能的影响 · · 确定足够 的封孔长度, 则在孔 口负压的作用下 , 钻 孔可以通过煤体裂隙与外部空间形成回路循环而导 致连通漏气 , 降低瓦斯抽放的效率 “一 若封孔长 度过长, 则增加了抽放成本 , 使煤矿企业在现场封 孔实践中出现盲 目封孔 、费料费力费时间的 “三费” 现象 因此 , 研究钻孔密封材料的微观特性及其对 密封性 能的影响作用对瓦斯抽放工作具有十分重要 的意义 传统的钻孔密封材料包括勃土和水泥砂浆 , 勃 土材料 不易送入钻孔 , 导致封孔长度受到限制 , 降低了抽放效率 水泥砂浆材料具有收缩性 , 尤其 在裂隙带处存在封孔不严的问题 , 导致钻孔漏水 漏气 , 影响瓦斯抽放和煤尘注水的效果 现在煤矿 现场采用的钻孔密封材料主要是聚氨酷和 复合 材料 膨胀水泥冻复合材料 本文根据现场实践和 研 究需要, 实验模拟了煤矿井下钻孔封孔过程 , 利 用 环境扫描电子显微镜对 聚氨 酷 、 复合材料本身的微观结构 , 以及两者与煤 壁的结合 、渗透和发展进行了微观对 比和分析 , 研 究了聚氨酷和 复合材料的微观特性及其对密封 性能的影响作用 周围孔隙和裂隙中的渗透降低 了钻孔周围煤体的孔 隙率 , 增加了煤体的密实度和煤体 的强度 现在煤矿现场采用 的钻孔 密封材料主要是聚 氨酷和 复合材料, 但是对于这两种密封材料 的 微观特性 以及其对密封性能的影响却模糊不清 , 使 煤矿企业在现场封孔实践中出现盲 目选择密封材料 的现象 , 不仅费料 费力费时间, 而且达不到现场要 求的瓦斯抽放效果 鉴于此, 本文研 究了聚氨酷和 复合材料的微观特性及其对密封性能的影响作 用 钻孔密封机理 通过实验与煤矿瓦斯抽放现场实践表 明, 工 作面实施钻孔抽放时, 所打钻孔相对较浅, 处于 煤层卸压区内 瓦斯抽放过程 中, 瓦斯从煤体 中渗出以及巷道空气渗入钻孔影响瓦斯抽放效果, 主要有三种途径 通过钻孔密封材料体本身 的裂隙泄漏与渗入 通过钻孔周围裂隙圈泄漏 与渗入 通过煤层的卸压区域和裂隙泄漏与渗 入 因此 , 钻孔密封材料本身的微观特性及其对 钻孔周 围裂隙圈的密封性能是考察钻孔密封材料封 孔效果好坏的主要因素, 也是钻孔密封机理的集中 体现 首先, 钻孔密封材料在注浆压力的作用下 , 注 入抽放钻孔 内一定长度 , 豁性密封材料流动充满该 段密封钻孔 若密封材料本身微观裂 隙 、孔隙较多, 则在瓦斯抽采过程中, 钻孔内的瓦斯 以及巷道 内的 空气通过密封材料本身的孔洞泄漏与渗入 若密封 材料易于渗漏或勃结性较差 , 则会导致密封材料与 煤壁不能充分结合 , 在钻孔塌陷区存在空 白区域 , 使钻孔漏水漏气而无法达到瓦斯抽放的效果 其次, 钻孔密封材料在注浆压力的作用下 , 克 服钻孔周围裂 隙中的瓦斯压力 、水锁效应等各种阻 力进入钻孔周围孔 隙和裂隙 密封材料在煤层钻孔 实验设计及方法 实验模型 实验采用刚性容器装煤, 容器底部中心开有注 浆管 , 与手动注浆泵相连 为达到模拟钻孔封孔 的 效果 , 注浆管一端封 闭, 侧面开有网眼, 模拟实际 封孔时的径 向渗透 打开容器 , 煤样装入 以后 , 为 确保煤样密实, 煤样分批装入 倒入一部分煤样 即 捣实一次 , 捣实的过程中注意保护容器中央的注浆 管, 避免折弯 煤样装入完毕, 上部加 以重锤 注浆 开始前应将管路中的空气排放干净 实验模型如 图 所示 注液孔 容器壁 煤样 图 实 验模 型 实验方法及实验步骤 实验步骤主要分制样过程和取样过程, 由于条 件 的限制 , 采用将煤粉通过一定的压力压缩成煤样 的方法, 以便注密封材料浆液, 此过程称为制样过 程 由于 环境扫描电子显微镜对 样 品尺寸的要求 , 只能把煤块再取成直径为 。 的小煤样 , 此过程称为取样过程 实验制样步骤如下 打开六个刚性圆柱状容器, 容器直径为 , 高为 , 装入煤样, 为确保煤样密实, 煤 样分批装入 倒入一部分煤样即捣实一次 把加工成的煤样分为两组 和 , 每组三

.574 北京科技大学学报 第35卷 个.每组煤块又分为A1、A2、A3和B1、B2、B3 (3)在制样过程中，分别向煤块A1和B1煤块 中打直径为20mm、深度为150mm的钻孔；向A2 和B2煤块中打直径为50mm、深度为150mm的 钻孔：向A3和B3煤块中打直径为80mm、深度为 150mm的钻孔.在打钻过程中，对煤块周围进行固 定 向A组煤块中注入混合好的聚氨酯，向B组 煤块中注入PD复合材料浆液. 实验取样步骤如下： (1)待B组煤块中PD材料浆液凝固后，径向 切开A和B组煤块的钻孔，A1和B1分别取距离煤 壁（钻孔孔壁）40mm处的直径为1cm的煤块，A2 LFD 800x40 30Pa 和B2分别取距离煤壁100mm处直径为1cm的煤 图3PD复合材料的结构 块，A3和B3分别取距离煤壁160mm处直径为1 Fig.3 Structure of PD composite material cm处的煤块 由图2可以看出，在放大100倍时聚氨酯本 (2)对制取的小煤块进行电镜观察，分别观察 身内部结构如蜂窝网状的孔洞，孔洞直经大约为 聚氨酯、PD复合材料与孔壁的徽观结合、渗透和 0.10.5mm,在瓦斯抽采过程中，瓦斯可以从蜂 发展情况，对比分析其对密封效果的影响 窝网状的孔洞中泄漏.聚氨酯内部孔洞结构表面光 3密封材料的微观特性及其对密封效果的 滑，对瓦斯流动阻力小.在瓦斯抽采过程中，钻孔 影响分析 内的瓦斯以及巷道内的空气通过聚氨酯材料体本身 的孔洞泄漏和渗入.然而，由图3可知，PD复合材 3.1两种密封材料微观结构及其对密封效果的影 料在放大800倍时仍然没有孔洞，较为密实，无裂 响 隙，有效地抑制了钻孔内的瓦斯以及巷道内的空气 利用实验室测定法对聚氨酯和PD复合 通过PD复合材料体本身的裂隙泄漏和渗入，阻止 材料进行瓦斯透气性系数的测定，并通过FEI 了瓦斯抽采过程中钻孔密封材料本身对瓦斯浓度的 QuantaTM:250环境扫描电子显傲镜对钻孔密封材 影响 料聚氨酯、PD复合材料本身的孔隙结构进行微观 一般通过材料的渗透性系数衡量瓦斯是否渗 观察，见图2和图3. 漏，因此需要进一步利用实验室测定法对聚氨酯 和PD复合材料进行瓦斯渗透系数的测定.实验 在600°C、20MN伺服控制高温高压岩体三轴试 验机”系统8上完成.渗透性测量流程如图4所示 瓦斯键一充气工见一气压表 带孔上压头封孔材料 阀门 轴压压头 带孔上乐头 皂沫流量计 排司三通阀门 排水取气 焦油收奥 转子流量计 图4渗透系数测试实验流程 Fig.4 Flow chart of permeability testing 2000kV267mmET100x5上562Pa 图2聚氨酯材料的结构 实验结果表明：聚氨酯的瓦斯渗透性系数为 Fig.2 Structure of polyurethane 9.031m2.MPa2.d-1:而PD复合材料的瓦斯渗透

. 5 7 4 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 个 每组煤块又分为 、 、 和 、 、 · 在制样过程中, 分别向煤块 和 煤块 中打直径为 、深度为 的钻孔 向 和 煤块 中打直径为 、深度为 , 的 钻孔 向 和 煤块 中打直径为 、深度为 的钻孔 在打钻过程 中, 对煤块周围进行固 定 向 组煤块 中注入混合好的聚氨醋, 向 组 煤块中注入 复合材料浆液 实验取样步骤如下 待 组煤块中 材料浆液凝固后 , 径向 切开 和 组煤块的钻孔 , 和 分别取距离煤 壁 钻孔孔壁 处的直径为 的煤块, 和 分别取距离煤壁 , 处直径为 的煤 块 , 和 分别取距离煤壁 处直径为 处的煤块 对制取的小煤块进行 电镜观察 , 分别观察 聚氨 醋 、 复合材料与孔壁 的微观结合 、渗透和 发展情况, 对 比分析其对密封效果的影响 图 复合材料的结构 · 一 一 密封材料的微观特性及其对密封效果的 影响分析 两种密封材料微观结构及其对密封效果的影 响 利 用 实验 室 测 定 法对 聚 氨 酷和 复 合 材 料进 行 瓦斯透 气性 系数 的测定 , 并 通过 环境扫描 电子显微镜对钻孔 密封材 料聚氨酷 、 复合材料本身的孔隙结构进行微观 观察 , 见 图 和图 由图 可以看 出, 在放大 倍 时聚氨醋本 身 内部结构如蜂窝 网状 的孔洞 , 孔洞直经大约为 。 。 , 在瓦斯抽采过程中 , 瓦斯可 以从蜂 窝网状的孔洞中泄漏 聚氨酷内部孔洞结构表面光 滑, 对瓦斯流动 阻力小 在 瓦斯抽采过程 中, 钻孔 内的瓦斯以及巷道内的空气通过聚氨酷材料体本身 的孔洞泄漏和渗入 然而 , 由图 可知, 复合材 料在放大 倍时仍然没有孔洞, 较为密实, 无裂 隙, 有效地抑制了钻孔 内的瓦斯以及巷道 内的空气 通过 复合材料体本身的裂隙泄漏和渗入 , 阻止 了瓦斯抽采过程中钻孔密封材料本身对瓦斯浓度的 影响 一般通 过材料的渗透性系数衡量 瓦斯 是否渗 漏 , 因此需要进一步 利用 实验室测 定法对 聚氨酷 和 复合材料进行瓦斯渗透系数 的测定 实验 在 “ 、 伺服控制高温 高压岩体三轴试 验机 ”系统 上完成 渗透性测量流程如图 所示 口 巨选匙日 一、 、 、 排水取气 转子流量 图 渗透 系 数测 试 实验 流程 · 一 王〕 图 聚氨酷材料 的结构 一 一 实验结果表 明 聚氨醋 的瓦斯渗透性 系数为 护 一“ 一` 而 复合材料 的瓦斯渗透

第5期 倪冠华等：钻孔密封材料的微观特性及其对密封性能的影响 ,575, 性系数为0.187m2MPa-2.d-1,约为聚氨酯瓦斯渗 程中不能与煤壁充分结合，在钻孔塌陷区存在空白 透性系数的1/48.通过聚氨酯和PD复合材料的 区域.且聚氨酯与孔壁结合处空白区域的大小与钻 瓦斯透气性系数的测定，进一步得出就材料本身而 孔的孔径存在直接关系，孔径越大，聚氨酯与孔壁 言，PD复合材料比聚氨酯更容易阻止钻孔内的瓦 结合处空白区域就越大.其对密封性能的影响主要 斯和巷道中的空气通过封孔材料本身渗透. 表现在：在瓦斯抽采过程中，巷道内的空气由于钻 3.2两种密封材料与孔壁的微观结合及其对密封 孔内的负压作用被抽到钻孔内，降低了抽采瓦斯的 效果的影响 浓度，很大程度上影响抽采效果 在煤质较软的煤层中打钻时，容易产生塌孔现 PD复合材料在封孔过程中流动性好，且在孔 象，使孔壁凹凸不平，这就要求密封材料具有一定 壁处与煤样结合稳定性较强，能够充分封堵由于钻 的流动性和黏合性，以便密封材料与煤壁充分结合. 孔塌孔引起的孔壁塌陷区，结合处不存在空白区域 图5~图7分别为聚氨酯和PD复合材料分别与孔 且由图可知钻孔孔径与封孔效果无关，有力地防止 径为20、50和80mm的煤样结合情况. 了巷道内的空气由于钻孔内的负压作用被抽到钻孔 由图5图7可知，聚氨酯在封孔过程中流动 内，提高了瓦斯抽采浓度.因此，PD复合材料的封 性较差，与煤壁的结合密实程度较差.因此，在孔 孔对于大直径长距离瓦斯抽采钻孔封孔具有很大的 壁处与煤样结合稳定性较差，导致聚氨酯在封孔过 推广价值 p可 (a) (b) 图5聚氨酯(a)、PD复合材料(b)与孔径为20mm的煤样结合情况 Fig.5 Combination of polyurethane (a)and PD composite material (b)with coal samples when the hole diameter is 20 mm P品9密 (a) (b) 图6聚氨酯(a),PD复合材料(b)与孔径为50mm的煤样结合情况 Fig.6 Combination of polyurethane (a)and PD composite material(b)with coal samples when the hole diameter is 50 mm

第 期 倪冠华等 钻孔密封材料的微观特性及其对密封性能的影响 · 性系数为 “· 一“·一`, 约为聚氨醋瓦斯渗 透性系数的 通过聚氨醋和 复合材料 的 瓦斯透气性系数的测定, 进一步得 出就材料本身而 言 , 复合材料 比聚氨酷更容易阻止钻孔 内的瓦 斯和巷道 中的空气通过封孔材料本身渗透 两种密封材料与孔壁的微观结合及其对密封 效果的影响 在煤质较软的煤层中打钻时 , 容易产生塌孔现 象 , 使孔壁凹凸不平 , 这就要求密封材料具有一定 的流动性和豁合性 , 以便密封材料与煤壁充分结合 图 、 图 分别为聚氨醋和 复合材料分别与孔 径为 、 和 的煤样结合情况 由图 、 图 可知, 聚氨酷在封孔过程 中流动 性较差 , 与煤壁的结合密实程度较差 因此 , 在孔 壁处与煤样结合稳定性较差, 导致聚氨酷在封孔过 程 中不能与煤壁充分结合 , 在钻孔塌 陷区存在空白 区域 且聚氨酷与孔壁结合处空 白区域 的大小与钻 孔 的孔径存在直接关系, 孔径越大 , 聚氨醋与孔壁 结合处空 白区域就越大 其对密封性能的影响主要 表现在 在瓦斯抽采过程 中, 巷道 内的空气 由于钻 孔 内的负压作用被抽到钻孔 内, 降低 了抽采瓦斯 的 浓度 , 很大程度上影响抽采效果 复合材料在封孔过程 中流动性好 , 且在孔 壁处与煤样结合稳定性较强 , 能够充分封堵 由于钻 孔塌孔引起 的孔壁塌陷区, 结合处不存在空白区域 且 由图可知钻孔孔径与封孔效果无关, 有力地防止 了巷道 内的空气 由于钻孔 内的负压作用被抽到钻孔 内, 提高 了瓦斯抽采浓度 因此 , 复合材料的封 孔对于大直径长距离瓦斯抽采钻孔封孔具有很大的 推广价值 图 聚氨醋 、 复合材料 与孔径为 的煤样结合情况 , 、 飞 、 , 图 聚氨酷 、 复合材料 与孔径为 的煤样结合情况 飞 、 , 、

.576 北京科技大学学报 第35卷 w9型 (a) (b) 图7聚氨酯(a)、PD复合材料(b)与孔径为80mm的煤样结合情况 Fig.7 Combination of polyurethane (a)and PD composite material (b)with coal samples when the hole diameter is 80 mm 3.3两种密封材料在钻孔周围的微观渗透及其对800时均没有发现渗透现象（图9和图10）.然而 密封效果的影响 由图11~图13看出，B1在距离煤壁40mm处及B2 钻孔周围的煤岩体可以分为破碎区、塑性区和 在距离煤壁100mn处放大800倍时发现均有明显的 弹性区，钻孔周围的裂隙圈主要由破碎区构成⑨， 渗透现象，B3在距离煤壁160mm处通过放大1600 其径向裂隙圈直径一般为施工直径的23倍1！， 倍时，依然可以发现PD材料有渗透现象的发生 为了考察聚氨酯、PD复合材料在钻孔周围裂隙圈 由此可以发现，聚氨酯在钻孔周围裂隙圈内渗 的微观渗透，分析其对密封效果的影响.径向切开 透效果较差，钻孔内的瓦斯以及巷道内的空气容易 A和B组煤块的钻孔，A1和B1分别取距离煤壁 通过钻孔周围裂隙圈泄漏与渗入，降低瓦斯抽采浓 40mm处的小煤块，A2和B2分别取距离煤壁100 度.PD复合材料有着良好的渗透力，在煤体内更容 mm处的小煤块，A3和B3分别取距离煤壁160mm 易克服钻孔周围裂隙区内瓦斯压力、水锁效应等各 处的小煤块，见图8~图13. 种阻力的作用，在钻孔周围裂隙内逐渐渗透，封堵 了钻孔周围各种微观裂隙和孔洞，有力地克服了瓦 斯抽采过程中存在的第二种泄漏与渗入，即钻孔内 的瓦斯以及巷道内的空气通过钻孔周围裂隙圈泄漏 与渗入，提高瓦斯抽采浓度 图8A1煤样在距离煤壁40mn处的形貌 Fig.8 Morphology of Sample Al at 40 mm from the coal wall 品器器 由图8可知，A1在距离煤壁40mm处放大400 图9A2煤样在距离煤壁100m处的形貌 倍时发现存在渗透现象，但是A2在距离煤壁100 Fig.9 Morphology of Sample A2 at 100 min from the coal mm处放大800倍、A3在距离煤壁160nmm处放大 wall

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 图 聚氨酷 、 复合材料 与孔径为 的煤样结合情况 , 、 、 ,。 、 两种密封材料在钻孔周围的微观渗透及其对 密封效果的影响 钻孔周围的煤岩体可 以分为破碎区 、塑性区和 弹性区, 钻孔周 围的裂隙圈主要 由破碎区构成 图, 其径向裂 隙圈直径一般 为施工直径的 、 倍 冲 , 为了考察聚氨醋 、 复合材料在钻孔周围裂 隙圈 的微观渗透 , 分析其对密封效果的影响 径向切开 和 组煤块的钻孔 , 和 分别取距离煤壁 处的小煤块 , 和 分别取距离煤壁 处的小煤块, 和 分别取距离煤壁 处的小煤块 , 见图 图 时均没有发现渗透现象 图 和图 然而, 由图 、 图 看出, 在距离煤壁 ,, 处及 在距离煤壁 处放大 倍时发现均有明显的 渗透现象, 在距离煤壁 处通过放大 倍时, 依然可以发现 材料有渗透现象的发生 由此可 以发现, 聚氨酷在钻孔周围裂隙圈内渗 透效果较差 , 钻孔 内的瓦斯以及巷道 内的空气容易 通过钻孔周围裂隙圈泄漏与渗入 , 降低瓦斯抽采浓 度 复合材料有着 良好的渗透力, 在煤体内更容 易克服钻孔周围裂隙区内瓦斯压力 、水锁效应等各 种阻力的作用, 在钻孔周围裂隙 内逐渐渗透, 封堵 了钻孔周围各种微观裂隙和孔洞 , 有力地克服 了瓦 斯抽采过程中存在的第二种泄漏与渗入 , 即钻孔内 的瓦斯以及巷道内的空气通过钻孔周围裂隙圈泄漏 与渗入 , 提高瓦斯抽采浓度 图 煤样在距离煤壁 处的形貌 一 一 由图 可知, 在距离煤壁 处放大 倍 时发现存在渗透现象 , 但是 在距离煤壁 处放大 倍 、 在距离煤壁 处放大 图 煤样在距离煤壁 处的形貌 卜 一 即 一

第5期 倪冠华等：钻孔密封材料的微观特性及其对密封性能的影响 577· 图12B2煤样距离煤壁100mm处的形貌 图10A3煤样在距离煤壁160mm处的形貌 Fig.12 Morphology of Sample B2 at 100 mm from the coal Fig.10 Morphology of Sample A3 at 160 mm from the coal wall wall 图13B3煤样距离煤壁160mm处的形貌 Fig.13 Morphology of Sample B3 at 160 mm from the coal 图11B1煤样在距离煤壁40mm处的形貌 Fig.11 Morphology of Sample Bl at 40 mm from the coal wall wall 由图14可知：聚氨酯渗透结束后已经充分反 应，不能在钻孔周围的裂隙圈内继续发展，钻孔周 3.4两种密封材料煤体中的微观发展及其对密封 效果的影响 围依然存在未被封堵的微孔洞和裂隙，瓦斯以及巷 道内的空气可以通过钻孔周围裂隙圈残余孔洞泄漏 如前所知，由于钻孔周围裂隙圈内瓦斯压力、 与渗入，从而影响瓦斯抽采效率.然而，由于PD复 水锁效应、注浆压力、注浆时间等各种因素的限制， 合材料本身的优良特性，在PD复合密封材料渗透 密封材料浆液并不能充分渗透到裂隙的每个角落， 结束后，其能够在钻孔周围的残余裂隙和孔洞中继 钻孔周围依然存在残余微裂隙和孔洞，这就要求密 续发展，产生雪花状的凝结体，充满整个钻孔周围 封材料向钻孔周围渗透结束后，其本身有一定的发 残余裂隙和孔洞中，起到二次封堵的效果，提高了 展，以便更好地封堵钻孔周围裂隙圈.图14为聚氨 瓦斯抽采的效果；随着时间的延长，PD复合材料在 酯和PD复合材料在钻孔周围残余孔洞中的微观形 钻孔周围残余裂隙和孔洞中产生的雪花状凝结体越 貌. 来越多，最终充满整个钻孔周围残余裂隙和孔洞

第 期 倪冠华等 钻孔密封材料的微观特性及其对密封性能的影响 · · 图 煤样在距离煤壁 , 处的形貌 图 煤样距离煤壁 处的形貌 , 图 煤样在距离煤壁 处的形貌 一 图 煤样距离煤壁 处的形貌 士 两种 密封材料煤体 中的微观发展及其对密封 效果的影响 如前所知, 由于钻孔周围裂隙圈内瓦斯压力 、 水锁效应 、注浆压力 、注浆时间等各种因素的限制 , 密封材料浆液并不能充分渗透到裂隙的每个角落 , 钻孔周 围依然存在残余微裂隙和孔洞, 这就要求密 封材料 向钻孔周围渗透结束后 , 其本身有一定的发 展 , 以便更好地封堵钻孔周围裂 隙圈 图 为聚氨 酷和 复合材料在钻孔周 围残余孔洞中的微观形 貌 由图 可知 聚氨醋渗透结束后己经充分反 应, 不能在钻孔周围的裂隙圈内继续发展, 钻孔周 围依然存在未被封堵的微孔洞和裂隙, 瓦斯以及巷 道内的空气可 以通过钻孔周围裂隙圈残余孔洞泄漏 与渗入 , 从而影响瓦斯抽采效率 然而 , 由于 复 合材料本身的优 良特性, 在 复合密封材料渗透 结束后 , 其能够在钻孔周围的残余裂隙和孔洞 中继 续发展 , 产生雪花状的凝结体 , 充满整个钻孔周围 残余裂隙和孔洞中, 起到二次封堵 的效果, 提高了 瓦斯抽采的效果 随着时间的延长, 复合材料在 钻孔周围残余裂隙和孔洞 中产生的雪花状凝结体越 来越多, 最终充满整个钻孔周围残余裂隙和孔洞

578 北京科技大学学报 第35卷 v2P器R 20.00kV 29.8 mmETD 200x 35 5.1e 4 Pa (a) (b) 图14聚氨酯(a)、PD复合材料(b)在钻孔周围残余孔洞中的形貌 Fig.14 Morphology of polyurethane (a)and PD composite material(b)in residual holes around the borehole 4结论 nology Press,2010 (林柏泉.矿井瓦斯防治理论与技术2版.徐州：中国矿业 (1)聚氨酯在完全反应后，内部为蜂窝网状结 大学出版社，2010) 构，内部孔隙较大，在瓦斯抽采过程中，钻孔内的 [2]Li J,Cheng W Y,Li M,et al.Analysis on performances of 瓦斯和巷道中的空气很容易通过钻孔封孔段密封材 new sealing drill-hole material and calculation of sealing 料内部的围观孔隙泄漏和渗入；而PD复合材料内 length.J Saf Sci Technol,2011,7(2):42 部结构严实，无微观孔洞和裂隙，防止了瓦斯和空 (李季，程五一，李敏，等，新型封孔材料的性能研究及封孔 气中钻孔段泄漏和渗入. 长度计算.中国安全生产科学技术，2011,7(2)：42) (2)聚氨酯在孔壁处与煤样结合稳定性差，孔 3 Ding S Y,Li D C.The method to determine the reason- 壁结合处存在空白区域，且钻孔的孔径越大，聚氨 able depth of coal seam gas drainage drilling.J Hunan 酯与孔壁结合处空白区域就越大，很大程度上影响 Vocational Tech Coll,2009,9(1):4 抽采效果；PD复合材料在孔壁处与煤样结合稳定 (丁守垠，李德参.煤层抽放钻孔合理封孔深度的确定.准 性较强，在孔壁处，与煤体结合密实，结合处不存 南职业技术学院学报，2009,9(1：4) 在空白区域 [4]Chen G.A brief analysis on sealing effect of several sealing drill hole methods.Energy Technol Manage,2005(1):26 (3)PD复合材料比聚氨酯有着较强的渗透力， (陈广，几种封孔工艺的密封效果浅析，能源技术与管理， 在煤体内更容易克服钻孔周围裂隙区内瓦斯压力、 2005(1):26) 水锁效应等各种阻力的作用，在钻孔周围裂隙内逐 5]Chen J,Jin L Z.Study on increasing the effect of gas 渐渗透，有力地克服了瓦斯抽采过程中存在的第二 drainage with polyurethane sealing method.Coal Eng, 种泄漏与滲入，即钻孔内的瓦斯以及巷道内的空气 2003(8):47 通过钻孔周围裂隙圈泄漏与渗入. (陈杰，金龙哲.关于豪氨酯封孔可提高瓦斯抽放效果的研 (4)在密封材料渗透力与钻孔周围孔隙裂隙中 究.煤炭工程，2003(8)：47) 的各种阻力平衡后，聚氨酯渗透结束后己经充分反 [6]Lu Z G.Sun X,Lin B Q,et al.Mucus infiltration rule in coal shallow hole.Mine Saf.2008(8):9 应，不能在钻孔周围的裂隙圈内继续发展；PD复 (陆振国，孙鑫，林柏泉，等。粘液在煤层浅孔中的渗透规律 合材料自身可以继续在残余裂隙和孔洞内发展，产 煤可矿安全，2008(8)：9) 生雪花状的凝结体，起到二次封堵的效果. [7]Liu S J.Lin B Q,Hao Z Y,et al.Borehole sealing mech- anism and a new technology for coal seam gas pressure 参考文献 test:a research.China Coal,2009,35(10):96 (刘三钧，林柏泉，都志勇，等.钻孔密封机理及新型煤层瓦 [1]Lin B Q.Theory and Technology of Mine Gas Prevention. 斯压力测定技术研究.中国煤炭，2009.35(10)：96) 2nd Ed.Xuzhou:China University of Mining and Tech [8 Zhang Y,Zhao Y S,Wan Z J,et al.Experimental study

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 图 聚氨醋 、 复合材料 在钻孔周围残余孔洞中的形貌 入 , 一 飞 , 、 飞 ℃ 结论 聚氨酷在完全反应后, 内部为蜂窝网状结 构 , 内部孔隙较大, 在瓦斯抽采过程 中, 钻孔内的 瓦斯和巷道中的空气很容易通过钻孔封孔段密封材 料内部的围观孔隙泄漏和渗入 而 复合材料 内 部结构严实, 无微观孔洞和裂隙, 防止了瓦斯和空 气中钻孔段泄漏和渗入 聚氨酷在孔壁处与煤样结合稳定性差, 孔 壁结合处存在空 白区域 , 且钻孔的孔径越大, 聚氨 酷与孔壁结合处空 白区域就越大, 很大程度上影响 抽采效果 复合材料在孔壁处与煤样结合稳定 性较强, 在孔壁处, 与煤体结合密实, 结合处不存 在空 白区域 复合材料 比聚氨酷有着较强的渗透力, 在煤体内更容易克服钻孔周 围裂隙区内瓦斯压力 、 水锁效应等各种阻力 的作用 , 在钻孔周围裂 隙内逐 渐渗透 , 有力地克服了瓦斯抽采过程中存在 的第二 种泄漏与渗入 , 即钻孔 内的瓦斯以及巷道内的空气 通过钻孔周围裂隙圈泄漏与渗入 在密封材料渗透力与钻孔周围孔隙裂隙中 的各种阻力平衡后, 聚氨酷渗透结束后 已经充分反 应 , 不能在钻孔周围的裂隙圈内继续发展 复 合材料 自身可 以继续在残余裂隙和孔洞内发展 , 产 生雪花状的凝结体, 起到二次封堵的效果 参 考 文 献 【 叨 二 几 四军 几` 。 ,` ““ 几· 、 入 , , 林柏泉, 矿井瓦斯防治理论与技术 版 徐州 中国矿业 大学出版社, 【 , , , 一 · 几 , ` , 李季 程五一, 李敏, 等 新型封孔材料的性能研究及封孔 长度计算 中国安全生产科学技术, , 【」 , , 几 几 亡` 二 , , 丁守垠, 李德参 煤层抽放钻孔合理封孔深度的确定 淮 南职业技术学院学报, , 硫 勺夕 材 夕, 陈广 几种封孔工艺的密封效果浅析 能源技术与管理, 」 ,、 , 一 士一 瓜 夕, 陈杰 金龙哲 关于聚氨酷封孔可提高瓦斯抽放效果的研 究 煤炭工程 【」 、 , , , , · 乞, `。 峪 陆振国, 孙鑫, 林柏泉 等 粘液在煤层浅孔 中的渗透规律 煤矿安全, , 、 。 , 刘三钧 林柏泉, 郝志勇 等 钻孔密封机理及新型煤层瓦 斯压力测定技术研究 中国煤炭, , 、入认

第5期 倪冠华等：钻孔密封材料的微观特性及其对密封性能的影响 579. on effect of pore pressure on feldspar fine sandstone perme- practice.Mod Coal Mine,2010(6):33 ability under different temperatures.Chin J Rock Mech (吕有厂，王玉杰，张建华，等.井下水力压裂钻孔封孔技术 Emg,2008,27(1):53 研究与实践.煤矿现代化，2010(6)：33) (张渊，赵阳升，万志军，等.不同温度条件下孔隙压力对 [10 Zhou F B,Li J H,Ze X,et al.A Study of the second hole 长石细砂岩渗透率影响试验研究.岩石力学与工程学报 sealing method to improve gas drainage in coal seams.J 2008,27(1):53) China Univ Min Technol,2009,38(6):764 [9]Lu Y C,Wang Y J,Zhang J H,et al.Underground hy- (周福宝，李金海，昃玺，等.煤层瓦斯抽放钻孔的二次封孔 draulic fracturing drilling sealing technology research and 方法研究.中国矿业大学学报，2009,38(6)：764)

第 期 倪冠华等 钻孔密封材料的微观特性及其对密封性能的影响 · · 乞几 无人夕 呵, , 张渊, 赵 阳升, 万志军, 等 不同温度条件下孔隙压力对 长石细砂岩渗透率影响试验研究 岩石力学与工程学报, , 【』 , , , ·人夕口 。。, 吕有厂, 王玉杰, 张建华, 等 井下水力压裂钻孔封孔技术 研究与实践 煤矿现代化, 【 , , , “ 战 ￡械 ” , , 周福宝, 李金海, 反玺, 等 煤层瓦斯抽放钻孔的二次封孔 方法研究 中国矿业大学学报,