不同发泡剂对抽采钻孔护孔泡沫混凝土性能的影响研究_岳文萍.pdf

Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 不同发泡剂对抽采钻孔护孔泡沫混凝土 性能的影响研究 岳文萍 1， 2， 凌 伟 2， 3， 刘 超 2， 3 （1．西京学院 土木工程学院， 陕西 西安 710123； 2．教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室， 陕西 西安 710054； 3．西安科技大学 安全与科学工程学院， 陕西 西安 710054） 摘要 为了解决松软煤层内钻孔易塌孔的问题， 提出一种钻孔内利用泡沫混凝土支护孔壁， 防 止钻孔塌孔的新方法。选取铝粉、 碳酸氢钠和双氧水为试验发泡剂制备了不同的样品， 然后从孔 隙率、 抗压强度和发热量 3 个角度考察样品的适用性。结果表明 以铝粉为发泡剂制备的样品孔 隙率达 47．84％， 以双氧水为发泡剂制备的样品孔隙率达 43．27％， 以碳酸氢钠为发泡剂制备的样 品孔隙率达 17．36％； 以碳酸氢钠为发泡剂制备的样品抗压强度最高， 达到 2．41 MPa， 以双氧水 为发泡剂制备的样品的 3 d 抗压强度为 1．98 MPa，以铝粉为发泡剂制备的样品的 3 d 抗压强度 为 1．47 MPa， 3 种样品 3 d 的抗压强度均超过 1 MPa， 基本满足钻孔内支护孔壁的需求； 铝粉发 泡过程中， 浆液温度从 19．3 ℃上升到 36．4 ℃， 不能满足井下使用要求； 双氧水最适宜作为钻孔 护孔泡沫混凝土发泡剂的使用。 关键词 煤矿灾害； 瓦斯治理； 抽采钻孔； 钻孔护孔； 泡沫混凝土 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003－496X （2020） 02－0025-04 Study on Influence of Different Foaming Agents on Properties of Foamed Concrete for Extraction Drilling YUE Wenping1,2, LING Wei2,3, LIU Chao2,3 （1．College of Civil Engineering, Xijing University, Xi’ an 710123, China;2．Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention of the Ministry of Education, Xi’ an 710054, China;3．School of Safety Science and Engineering, Xi’ an University of Science and Technology, Xi’ an 710054, China） Abstract To solve the problem of easy collapse hole in soft coal seam, a new of using foam concrete to support hole wall in borehole to prevent drilling collapse is proposed． Different samples were prepared by selecting aluminum powder, sodium bicarbonate and hydrogen peroxide as test foaming agents, and then the applicability of the samples was investigated from three angles of porosity, compressive strength and heat． The results showed that the porosity of samples prepared with aluminum powder as foaming agent was 47．84, the porosity of samples prepared with hydrogen peroxide as foaming agent was 43．27, the porosity of samples prepared with sodium bicarbonate as foaming agent was 17．36, and the highest compressive strength of samples prepared with sodium bicarbonate as foaming agent was 2．41 MPa, the 3-day compressive strength of the sample prepared with hydrogen peroxide as foaming agent was 1．98 MPa, the compressive strength of the 3 sample prepared with aluminum powder as foaming agent was 1．47 MPa, the compressive strength of three samples was more than 1 MPa for 3 days, and the requirement of supporting hole wall in the borehole was basically satisfied, and during the foaming process of aluminum powder, the slurry temperature rises from 19．3 ℃ to 36．4 ℃,which can not meet the requirements of downhole use; hydrogen peroxide is most suitable as the use of drilling hole foam concrete foaming agent． Key words coal mine disaster; gas control; pumping drilling; drilling hole protection; foam concrete DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．007 岳文萍， 凌伟， 刘超．不同发泡剂对抽采钻孔护孔泡沫混凝土性能的影响研究 ［J］ ．煤矿安 全， 2020， 51 （2） 25-28， 33． YUE Wenping, LING Wei, LIU Chao． Study on Influence of Different Foaming Agents on Properties of Foamed Concrete for Extraction Drilling ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2） 25-28, 33．移动扫码阅读 25 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 图 1A 组试样截面图 Fig.1The section diagram of sample A 随着煤矿开采深度不断增加、 地应力升高、 煤层 透气性降低， 瓦斯事故日益突出， 已成为威胁煤矿安 全生产的重大难题[1]。治理瓦斯问题的根本方法是 瓦斯抽采[2]， 然而， 抽采钻孔成孔后， 在地应力的作 用下， 以及扰动破坏等因素， 常会造成煤体变形、 坍 塌[3]， 严重影响瓦斯抽采效果。因此， 抽采钻孔有效 支护是保障瓦斯抽采的关键环节之一[4]。我国煤矿 常用的抽采钻孔塌孔防护技术包括打钻过程中的保 护孔壁技术和钻孔成形后的保护孔壁技术[5-9]。相关 研究大部分采用下护孔管的方式解决塌孔问题， 但 是由于护孔管直径相对钻孔直径过小，不足以为孔 壁提供支护作用，加之有些孔内含水量较大等问 题， 常常出现护孔管被堵塞的情况， 难以持续为钻孔 内瓦斯抽采提供保障。因此，结合泡沫混凝土高强 度、 大孔隙、 高连通的特点， 考虑研发一种既能为孔 壁提供支护作用又能为瓦斯流动提供通道的新型高 透通孔型泡沫混凝土材料。而发泡剂对泡沫混凝土 能否满足井下钻孔孔壁支护起着决定性作用，结合 井下情况， 采用控制单因素变量法从孔隙率、 抗压强 度和发热量 3 个方面对不同发泡剂进行了考察， 初 步确定一种适合井下使用的发泡剂，为下一步钻孔 护孔泡沫混凝土的现场试验及推广应用奠定基础。 1发泡剂选择及发泡原理 发泡剂的选择对泡沫混凝土整体性能的影响至 关重要，为了确定出能较好满足井下钻孔孔壁支护 的要求， 试验分别选取铝粉和氧化钙、 碳酸氢钠和硫 酸铝以及双氧水作为抽采钻孔护孔泡沫混凝土的发 泡剂， 进行了控制单因素变量试验。 铝粉和氧化钙 铝粉是一种膨胀剂[10]， 其与水反 应产生的氢气可以很好的保存在混凝土浆液内部， 使混凝土体积膨胀并产生许多气孔，但是由于铝的 还原性较小， 所以该反应程度很低。 2Al6H2O2Al （OH）33H2↑（1） 因此，在反应中加入一定量的氧化钙可以有效 的改善这种情况， 这是因为 CaO 与水发生置换反应 会生成 Ca （OH）2。 CaOH2OCa （OH）2（2） 接着， 生成的 Al （OH）3与 Ca （OH）3发生置换反 应， 使得 AlOH3消耗掉， 反应式 （1） 向右进行， 继续 产生氢气。 2Al （OH）3Ca （OH）2Ca[AlO2]24H2O（3） 碳酸氢钠和硫酸钠碳酸氢钠与硫酸铝是干粉 式灭火器的主要成分，是一种吸热型发泡剂。在一 定条件下，碳酸氢钠与硫酸铝会反应生成二氧化碳 气体， 同样可以达到气体发泡的效果。 Al2（SO4）36NaHCO33Na2SO42Al （OH）36CO2↑（4 ） 双氧水 双氧水在碱性条件下会发生分解反应， 产生氧气和水，产生的氧气被浆液包裹后固化下来 即形成泡沫混凝土的气孔结构。 2H2O22H2OO2↑（5 ） 2试验及分析 2.1试样制备 A 组①用赛多利斯电子秤称取 200.00 g 的超 细水泥； ②称取铝粉 8.00 g 和氧化钙 8.00 g； ③再用 量筒量取 100 mL 水； ④将胶凝材料 （超细水泥） 和 发泡剂 （铝粉和氧化钙） 倒入烧杯中充分混合搅拌均 匀； ⑤加入水后搅拌 3～5 min， 至浆液充分搅拌均匀 为止；⑥将搅拌好的混凝土浆液倒入直径 50 mm、 高 100 mm 的标准试件模具中， 并在 （192） ℃、 相对 湿度为 95的条件下进行养护， A 组试样截面图如 图 1。 B 组 ①称取 200.00 g 的超细水泥； ②称取碳酸 氢钠 8.00 g 和硫酸铝 8.00 g； ③用量筒量取 100 mL 的水； ④将胶凝材料 （超细水泥） 和发泡剂 （碳酸氢 钠和硫酸铝） 倒入烧杯中充分混合搅拌均匀； ⑤加入 水后搅拌 3～5 min， 直至浆液充分搅拌均匀为止； ⑥ 将搅拌好的混凝土浆液倒入直径 50 mm、 高 100 mm 的标准试件模具中， 并在 （192 ）℃、 相对湿度 95 的条件下进行养护， B 组试样截面图如图 2。 C 组 ①称取 200.00 g 的超细水泥； ②用容量为 100 mL 的量筒量取 100 mL 的水；③将超细水泥与 水倒入烧杯中， 搅拌 3～5 min， 直至浆液充分搅拌均 匀为止； ④用容量 10、 5 mL 的量筒共量取 15 mL 的 26 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 2B 组试样截面图 Fig.2The section diagram of sample B 图 3C 组试样截面图 Fig.3The section diagram of sample C 表 1试验数据记录表 Table 1The test data record 图 4各组试样抗压强度与龄期关系曲线图 Fig.4Correlative curves relationship between compressive strength and curing age 表 2抗压强度记录表 Table 2The record of compressive strength 双氧水，并倒入混凝土净浆中再次搅拌均匀；⑤将 搅拌好的混凝土浆液倒入直径 50 mm、高 100 mm 的标准试件模具中， 并在 （192）℃、 相对湿度 95 的条件下进行养护， C 组试样截面图如图 3。 2.2性能测试 2.2.1孔隙率试验 由于直接法测量泡沫混凝土的孔隙率较为困 难， 因此常采用间接法进行测量[11]， 试验采用排水法 对泡沫混凝土的孔隙率进行测算[12]。 将干燥后的样品分别称重，试验数据记录见表 1；在容量为 1 000 mL 的量杯中装入 700 mL 的水； 将样品置入盛水的量杯一段时间后读取量杯刻度， 并记录； 静置 24 h 后取出称重。 从表 1 可以看出， A 组试样的干重为 135.5 g， 相较于 B 组和 C 组而言，该组试样的干质量最小， 这是因为加入铝粉后的膨胀作用， 导致 A 组单位体 积内的质量小于另外 2 组，同时也是因为膨胀作用 导致 A 组的孔隙率高于 B、 C 2 组。B 组的干质量最 高而孔隙率最低， 这是因为 CO2易溶于水， 所以其气 泡率最低。对比表中数据发现， A 组和 C 组的孔隙 率较高。 2.2.2单轴压缩试验 试验采取万能试验仪对不同样品进行单轴压缩 试验[13]， 各组试样抗压强度与龄期关系曲线图如图 4。 从图 4 中可知， B 组的抗压强度最高， 即以碳酸 氢钠与硫酸铝为发泡剂制备的样品强度最高，这是 因为其孔隙结构较少， 内部排列紧密， 密实度好。 在钻孔内支护研究方面，王振峰曾利用囊袋和 注浆给钻孔孔壁提供了 1 MPa 左右的支护力， 即达 到了良好的钻孔孔壁裂隙封堵的效果[14]， 抗压强度 记录见表 2。 从表 2 可以看出， A、 B、 C 组 3 d 的抗压 强度均超过 1 MPa， 基本可以满足钻孔内的支护要求。 2.2.3反应热试验 将 HT-9815 鑫思特四通道接触式测温仪的温 度传感器完全浸入刚刚制备完成的浆液内，根据 4 编号干质量/g湿质量/g总体积/cm3孔隙率/ A135.50229.43196.3547.84 B192.86226.94196.3517.36 C161.50246.46196.3543.27 编号 抗压强度/ MPa 3 d7 d15 d A1.472.232.72 B2.413.464.54 C1.982.783.15 27 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 图 5反应温度与反应时间关系曲线图 Fig.5Correlative curves relationship between reaction temperature and time 通道反馈的温度数值，求出其平均值作为反应的温 度， 记录下 10 min 内反应过程中的温度变化， 反应 温度与反应时间关系曲线如图 5。 从图 5 可以看出， A 组浆液反应温度上升最快， 最高温度达到 36 C； B 组浆液反应温度上升较缓且 产生的反应热远小于 A 组浆液，反应最高温度为 24.2 C； C 组浆液温度先上升， 后降低， 温度降低到 16.5 C 后浆液温度开始回升。 A 组浆液温度上升较 快是因为铝粉及氧化钙水解时均产生大量的热， B 组浆液上升较缓是因为双氧水分解时产生很小的 热， C 组浆液温度先上升是因为水泥水化时放出的 热，而后下降是因为硫酸铝与碳酸氢钠反应时吸收 了一部分水化热。 根据 煤矿安全规程 的规定 “生产矿井采掘工 作面空气温度不得超过 26 C，机电设备硐室的空 气不得超过 30 C”[15]， A 组不能较好的满足井下的 使用条件。 2.3试验小结 1） 通过孔隙率试验发现， A 组试样的孔隙率为 47.84， B 组试样的孔隙率为 17.36， C 组试样的 孔隙率为 43.27， 其中 A 组和 C 组的孔隙率较高。 2） 通过单轴压缩试验发现， A 组试样 3 d 抗压 强度为 1.47 MPa， B 组试样 3 d 抗压强度 2.41 MPa； C 组试样 3 d 抗压强度为 1.98 MPa。 3） 通过反应热试验发现， 在室温为 19.3 C 时， A 组浆液最高温度为 36 C； B 组浆液最高温度为 24.2 C； C 组浆液呈现先上升后下降的趋势，最低 温度为16.5 C。 3结论 1） 通过控制单因素法， 试验了 3 种不同发泡剂 对泡沫混凝土性能的影响，结果发现不同的发泡剂 对泡沫混凝土的性能影响很大。 2） 以铝粉和氧化钙为发泡剂制备的试样孔隙率 为 47.84， 3 d 抗压强度为 1.47 MPa，反应时放热 较多；以硫酸铝和碳酸氢钠为发泡剂制备的试样孔 隙率为 17.36， 3 d 抗压强度为 2.41 MPa，反应时 吸热； 以双氧水为发泡剂的试样孔隙率为 43.27， 3 d 抗压强度为 1.98 MPa， 反应时放热较少。 3） 结合井下使用条件， 铝粉与氧化钙反应时放 热较大， 硫酸铝与碳酸氢钠气泡率较低， 而双氧水在 孔隙率、抗压强度和发热量方面均能较好的满足钻 孔支护泡沫混凝土的使用要求。 参考文献 ［1］ 谢和平， 周宏伟， 薛东杰， 等．我国煤与瓦斯采 理论、 技术与工程 ［J］ ．煤炭学报， 2014， 39 （8） 1391－1397． ［2］ 钱鸣高， 缪协兴， 许家林．资源与环境协调 （绿色） 开采 ［J］ ．煤炭学报， 2007， 32 （1） 1－7． ［3］ 王永龙， 孙玉宁， 刘春， 等．软煤层钻进钻穴区钻屑运 移动态特征及应用 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2016， 33 （6） 1138－1144． ［4］ 袁亮， 薛俊华．低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采 关键技术 ［J］ ．煤炭科学技术， 2013， 41 （1） 5－11． ［5］ 王永龙， 刘春， 孙玉宁， 等．瓦斯抽采钻孔棱状钻杆排 渣原理数值模拟 ［J］ ．安全与环境学报， 2015， 15 （4） 89－93． ［6］ 刘玉洲， 陆庭侃， 孙玉宁．自进式水射流钻进技术在煤 层气开发中的应用 ［J］ ．河南理工大学学报 （自然科学 版） ， 2005 （5） 341－346． ［7］ 陶扬， 乌效鸣， 石朋飞， 等．随钻护壁固结技术在煤矿 近水平孔中的应用 ［J］ ．安全与环境工程， 2011， 18 （6） 97－100． ［8］ 薛明理， 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煤层法能够满足突出煤体视密度测定需要。 参考文献 ［1］ 杜振宇， 薛俊华， 任波， 等．基于层次-可拓的煤与瓦斯 突出预警研究 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （12 ） 169-172． ［2］ 蒋承林， 石必明， 杨胜强， 等．矿井瓦斯灾害防治与利 用 ［M］ ．徐州中国矿业大学出版社， 2013． ［3］ 俞启香， 程远平．矿井瓦斯防治 ［M］ ．徐州中国矿业大 学， 2012． ［4］ 谢雄刚．石门揭煤过程煤与瓦斯突出的注液冻结防治 理论及技术研究 ［D］ ．长沙中南大学，2010． ［5］ 叶青， 冯涛， 林柏泉， 等．石门揭煤过程中煤与瓦斯延 时突出及防治技术研究 ［J］ ．中国安全科学学报,2008 （9） 167-171． ［6］ 蒋承林， 俞启香． 煤与瓦斯突出的球壳失稳机理及防 治技术 ［M］ ． 徐州中国矿业大学出版社,1998． ［7］ 张淑娟， 李树峰．检测石子表观密度和吸水率的新方 法-倒称法 ［J］ ．铁道建筑技术， 1999 （4） 51-53． ［8］HE HUANG, KEYU WANG．Density measurements of Argonne premium coal samples ［J］ ． Energy Fuels, 1995 （9） 20-24． ［9］ GB/T 69492010 煤的视相对密度测定方法 ［S］ ． ［10］ 李磊．突出煤表观密度测定技术研究 ［D］ ．徐州中国 矿业大学， 2008． ［11］ 华安增．矿山岩石力学基础 ［M］ ．北京煤炭工业出版 社， 1980． ［12］ 陈结， 潘孝康， 姜德义， 等．三轴应力下软煤和硬煤对 不同气体的吸附变形特性 ［J］ ．煤炭学报,2018， 43 （S1） 149-157． ［13］ 田忠斌， 王红冬， 金法礼， 等．我国气、 肥煤储层煤层 气资源开发潜力评价 ［J］ ．煤炭科学技术， 2017， 45 （2） 95-101． ［14］ 张凯， 汤达祯， 陶树， 等．不同变质程度煤吸附能力影 响因素研究 ［J］ ．煤炭科学技术， 2017， 45 （5 ） 192-197． ［15］ 周世宁， 林柏泉．煤层瓦斯赋存与流动理论 ［M］ ．北 京煤炭工业出版社， 1997． ［16］ 李海青．浅析煤炭化验误差与处理 ［J］ ．煤矿现代化， 2017 （3） 129-130． 表 3实验误差分析 Table 3Error analysis of experimental 煤样变质程度 视密度 测定 1 / （g cm-3） 视密度 测定 2 / （g cm-3） 误差 / 河南薛湖煤样 1贫煤/无烟煤1．3441．3420．15 贵州威奢煤样 2无烟煤1．4571．4540．21 河南义络煤样 3贫瘦煤1．5161．5180．13 淮北海孜煤样 4焦煤1．5921．5910．06 河北伍仲煤样 5焦煤1．3451．3460．07 山东王晁煤样 6气煤1．4111．4130．14 徐州王庄煤样 7弱黏煤1．3461．3500．30 沈阳铁法煤样 8长焰煤1．2991．3010．15 内蒙乌兰哈达煤样 9长焰煤1．1941．1980．33 作者简介 田世祥 （1988） ， 男， 贵州镇远人， 讲师， 博 士， 2016 年毕业于中国矿业大学，现主要从事矿井瓦斯灾 害防治等方面的教学与研究工作。 （收稿日期 2019-03-29； 责任编辑 王福厚） 33 ChaoXing