煤孔测压用低粘度高渗透预注浆封孔材料制备及安全性能研究

发布时间：2020-11-19 02:49

　　伴随着国民经济的发展,越来越多的高分子材料被应用到了煤炭工业领域。就瓦斯防治工作而言,高分子材料应用于矿井瓦斯压力测定的情形越来越多,利用聚氨酯作为顺层钻孔瓦斯压力测定过程中的封孔材料是近年来发展起来的一种实用方法。一方面聚氨酯材料可以起到加固顺层钻孔周边煤体松动层的作用,另一方面可以封堵煤体裂隙,为测压过程创造良好条件。但在实际应用中发现,聚氨酯原料粘度较大,对煤层的渗透性能不足;若采用较高的注入压力,聚氨酯材料会顺着煤体松动层裂隙跑到较远的地方,最接近穿层钻孔的煤体松动层反而没有得到有效加固。此外,聚氨酯材料的安全性能不足,存在着固化过程温度较高、阻燃性能较差等问题,每年因高分子材料应用引发的矿井火灾也时有发生,严重限制了聚氨酯材料在矿山的应用,因此,有必要研发一种新型低粘度高渗透的预注浆封孔材料,新材料首先要满足低粘度这一特性,在常压或较低压力条件下表现出优于聚氨酯材料的渗透能力,高渗透的特性使得新材料可以在更深范围内与煤体相互粘结作用,通过预注浆的工艺,起到加固松动层的作用;其次新材料必须有较为合适的固化反应完成时间,保证在材料注入煤层过程中拥有足够的时间;最后新材料必须拥有较高的安全性能,做到较低的反应固化温度和较高的阻燃等级,确保其在煤炭工业的安全应用;拥有这些特性的新材料可以更好地渗透到煤层裂隙当中,起到封堵裂隙、粘结煤体的作用,从而满足顺层钻孔瓦斯压力测定的实际需要。本论文以聚丙交酯多元醇/聚乙二醇200/聚乙二醇600、聚醚多元醇4110、异氰酸酯为主要原料,复配出三种复合材料体系。最终通过优选,确定聚丙交酯多元醇/聚醚多元醇4110/异氰酸酯为目标体系(基础配方),后利用该复合材料体系基础配方进行阻燃、力学改性实验,最终制备出新型低粘度高渗透预注浆封孔材料。与聚氨酯相比,新材料具有更低的粘度、更强的煤体渗透能力、较为合适的固化过程完成时间、更低的固化温度以及更高的阻燃等级。研究发现随着体系内聚丙交酯多元醇量的加入,新材料的固化过程峰值温度随之降低,固化过程完成时间逐渐变长。在不影响材料发泡性能的前提下,实验最终选定基础配方的最优质量配比为聚丙交酯多元醇:聚醚多元醇4110:异氰酸酯=4:6:10(即2:3:5),并利用该基础配方进行后续研究。此外,作者同时分析了新材料体系低温固化机理,指出了羟基浓度对固化过程的重要影响。为了提高新材料的阻燃性能,利用自行合成的新型成炭剂:生物基苯并噁嗪(Boz-F),复配成膨胀型阻燃剂用于新材料的阻燃实验研究。热重实验、热降解动力学和DSC分析表明,Boz-F具有很高的成炭率和合适的分解活化能,适宜作为膨胀阻燃剂成炭剂使用。通过垂直燃烧实验、热失重分析、拉曼光谱和X光衍射光谱分析,综合确定了成炭剂、红磷、三聚氰胺质量比为2:1:2时,复合材料的阻燃性能最为优异。为了提高新材料的力学性能,利用中空玻璃微球对阻燃材料体系进行了力学改性实验研究。相关实验表明加入中空玻璃微球后,改善了新材料的抗压缩性能和抗弯曲性能。论文同时考察了新材料在煤体中的渗透能力和粘结性能。实验室条件下表明,新材料具有优于传统材料聚氨酯的渗透能力。为了对新材料与煤体粘结性能进行分析,考察了新材料与煤体粘结形成固结体的力学性能。实验结果表明,新材料与煤体的粘结性能强于聚氨酯与煤体的粘结强度。针对实验过程中采用了中空玻璃微球改性复合材料体系,利用粒径作用参数对无机粒子与聚合物基体之间相互作用进行了新的解释,并对“粒径作用参数”的合理性进行了验证。最后,利用本煤层“高分子材料预注浆全孔段封闭测压”方法,分别采用新材料和聚氨酯材料进行了现场对比性实验。实验结果表明,采用新材料的测压钻孔在加固松散煤层、最终测得压力两方面均优于聚氨酯材料钻孔。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD712
【部分图文】：

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图 1-2 水泥砂浆封孔示意图Figure 1-2 Diagram of sealing borehole with cement mortar与黄泥（粘土）砂浆封孔相类似，用水泥砂浆封孔时候，需在四分管最前面位置处设置小孔。在对孔口部分完成封闭后，用带有止回阀的结头连接出桨管路

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图 1-1 黄泥砂浆封孔示意图Figure 1-1 Diagram of sealing borehole with clay具体操作过程如下：四分管最前面位置处设置小孔（设置小孔的目的是防止时发生管路堵塞），紧跟在小孔后面有一挡板，且在挡板后方通过缠绕方式棉絮。施工测压钻孔成型后，退出钻杆，在退钻杆的同时，将黄泥（粘土）

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