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