煤壁防渗堵漏材料及其性能研究_秦跃平.pdf

第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 煤壁防渗堵漏材料及其性能研究 秦跃平， 曹子豪， 葛勇， 程昌昊， 杜港 （中国矿业大学 （北京） 应急管理与安全工程学院， 北京 １０００８３） 摘要为了从煤壁外部入手， 解决瓦斯抽取率以及瓦斯浓度低的问题， 防止外部空气通过煤壁 孔隙、 裂隙混入瓦斯， 提高瓦斯的浓度， 提出了一种方法 即向煤壁喷涂一种溶液材料并形成厚 度均匀且致密的薄膜， 用来封堵煤层表面的裂隙， 使煤层表面的渗透系数大幅度降低， 从而加快 瓦斯抽采并获得更高浓度的瓦斯。通过筛选比对各种可能的材料， 参照实验目的需求， 选取了丙 烯酸硅改性聚合物防水涂料和 ＪＳ０９ 聚合物防水涂料，研究了这 ２ 种材料喷涂成膜以后的气密 性、 强度、 延展性等性能。结果表明 丙烯酸硅改性聚合物防水涂料初步满足要求， 可作为进一步 实验的备选材料。 关键词瓦斯抽采； 薄膜材料； 防渗堵漏； 性能研究； 煤壁 中图分类号TD712文献标志码A文章编号１００３－４９６Ｘ（２０２０）０５－００27-05 Study on Anti-seepage and Leakage-plugging Material of Coal Wall and Its Properties QIN Yueping, CAO Zihao, GE Yong, CHENG Changhao, DU Gang （School of Emergency Management and Safety Engineering, China University of Mining and Technology（Beijing） , Beijing 100083, China） Abstract To solve the problem of low gas extraction rate and gas concentration from the outside of coal wall, prevent external air from mixing with gas through pores and cracks in the coal wall to increase the concentration of gas, this paper proposes a spraying a solution material to the coal wall and ing a thin film with uni and dense thickness, which can be used to seal the cracks on the surface of coal seam, reduce the permeability coefficient of coal seam surface greatly, so as to accelerate gas extraction and obtain higher concentration of gas. By screening and comparing various possible materials, and referring to the purpose and requirements of the experiment, the acrylic silicon modified polymer waterproof coating and JS09 polymer waterproof coating were selected. The properties of air tightness, strength and ductility of these two materials were studied. The results show that the polymer waterproofing coating modified by silicon acrylic acid meets the requirements and can be used as an alternative material for further experiments. Key words gas extraction; thin film material; anti-seepage and leakage-plugging; perance study; coal wall 煤矿瓦斯抽放是保障煤矿生产安全，防止瓦斯 爆炸和煤与瓦斯突出灾害的重要措施，也是矿井瓦 斯利用的主要途径[1-2]。目前， 我国煤矿总体煤层气 抽采效果不佳[3]。矿井瓦斯抽采率低不只是因为我 国煤层普遍具有变质程度高、渗透率低和含气饱和 度低的特点[4]， 还有一个重要原因是现有封孔技术 落后， 封孔效果不佳， 大量外部空气通过煤壁孔隙、 裂隙混入煤体内与瓦斯混合。目前，封孔技术主要 通过向钻孔内部注入密封材料实现钻孔封堵[5]。因 此提出了一种方法，即寻找一种合适的溶液材料， 将其喷涂在封闭巷道壁面，使其在煤壁表面形成一 层致密的薄膜，阻止气体的流通，防止空气渗入煤 层。这样， 瓦斯抽采过程中， 空气混入量大大减少， 同时降低了管道的压力损失，使钻孔内瓦斯的负压 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.05.006 秦跃平， 曹子豪， 葛勇， 等．煤壁防渗堵漏材料及其性能研究 ［Ｊ］ ．煤矿安全， ２０２０， ５１ （５ ） 27-31. QIN Yueping, CAO Zihao, GE Yong, et al. Study on Anti-seepage and Leakage-plugging Material of Coal Wall and Its Properties ［J］ . Safetyin Coal Mines, 2020, 51 （5） 27-31. 基金项目 国家大学生创新训练资助项目 （C201701515） 移动扫码阅读 27 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 更大， 达到提高瓦斯抽取率的目的[6-9]。为此查阅了 多种可能符合要求的薄膜材料，包括水性超薄型钢 结构防火涂料[10]、 聚合物水泥类防水涂料[11]、 聚氨酯 防水涂料[12]和丙烯酸喷膜防水材料[13]； 结合现实条 件， 选取了丙烯酸硅改性聚合物防水涂料和 JS09 聚 合物防水涂料作为实验研究对象，研究了溶液材料 喷涂成膜以后的强度、 延展性等性质。 1实验材料 考虑到在矿井下实际的应用，薄膜材料应为水 基溶液材料， 无毒无害， 易于喷涂， 有较大的抗拉强 度， 有较好的延展性， 有优良的气密性， 对煤壁有较 强的附着性，在井下复杂的环境中保持物理性质和 化学结构的稳定。同时也必须考虑到在生产中的各 种问题，这种薄膜材料应当易于喷涂施工且价格低 廉易于购买和存储， 具备矿井下大规模施工的条件。 结合工程中的实际应用以及现有实验条件， 决 定从已经投入实际生产和工程应用的多种防水材料 中选取各方面性质较为优越的防水材料进行实验。 目前，地下结构工程防水材料分为刚性防水材料和 柔性防水材料，其中水泥基防水材料属于刚性防水 材料， 防水涂料和防水卷材属于柔性防水材料[1４]。 初 步筛选材料的基本性能见表 1。 喷涂聚脲弹性体，喷涂速凝橡胶沥青防水涂料 和丙烯酸盐喷膜防水材料对喷涂设备要求比较高， 氟碳涂料有毒性。最终综合考虑技术、价格以及材 料在实际工程应用中的具体性能表现，选取属于柔 性材料的丙烯酸硅改性聚合物防水涂料和属于刚性 材料的 JS09 聚合物防水材料作为实验材料， 对其进 行性能研究。 2薄膜的延展性实验 2.1实验环境及实验仪器 实验采用的拉力仪是 WH-5000 单柱拉力测试 仪， 高精度力量传感器， 力量精度在 0.3以上 （一般 可达到 0.02 FS） ， 拉伸空间 900 mm。 容量分段 全 程不分档， 无极调速。动力系统 三相异步电机滚 珠丝杆＋光杆直线轴承＋同步带传动。控制系统 采 用外部控制方式使控制更精准，速度控制范围 0.01～500 mm/min。具有快速粗调与慢速微调功能。 测试后自动储存、 可设定自动返回。测试空间 测试 宽度约 400 m， 联板行走空间 900 mm。大变形两点 延伸计 解析度 1/100， 准确度1 mm。安全装置 过 载紧急停机装置、 上下行程限定装置、 自动断点停机 功能。 实验前打开空调使室内温度达到恒定的 23 ℃。 2.2试样制备 1） 丙烯酸硅改性聚合物防水薄膜试样制备。丙 烯酸硅改性聚合物在常温常压下呈乳白色胶状。取 适量材料并搅拌均匀，装入喷枪储液罐中。取 1 张 宣纸作为基面，平铺于水平桌面。随后打开喷枪电 源，将聚合物均匀喷涂在宣纸表面，根据需求确定 喷涂次数，待喷涂完成后将宣纸和上面的薄膜小心 放置在适宜温度且干燥通风的环境中，等待其自然 风干 （大约 12 h） 。薄膜完全风干后， 首先检查薄膜 的完整性，如有破损则重新制膜，如完好无损则用 自来水冲洗掉薄膜表面的宣纸， 并在室温下晾干， 这 样就得到了一张丙烯酸硅改性聚合物防水薄膜。 2） JS09 聚合物防水薄膜试样制备。JS09 聚合物 防水涂料的原料， 包括固体粉状原料和液体原料， 根 据需求按照相应的固液配比将 2 种原料充分混合并 搅拌 10 min， 待混合物得以充分搅拌并达到均一稳 定后， 取一张纸平铺于水平桌面上， 用毛刷充分蘸取 混合物，将其多次平涂于报纸上，保证成膜均匀平 整。 平涂完成后， 将所成薄膜置于常温干燥通风的环 境下待其自然风干 （约 12 h ） 。完全风干后， 检查薄膜 的完整性， 看其是否有破损， 如有破损则重新制膜， 如 完好无损则得到一张 JS09 聚合物防水薄膜。 2.3实验原理 拉伸实验是材料力学实验中最常见最重要的方 法之一。 实验中采取单轴拉伸方式在常温的条件下进 行， 实验速度根据国家标准可定为 100 mm/min。在 此条件下通过对薄膜试样的纵轴方向施加拉伸载 JS09 防水涂料√无毒简单表干 6 h 丙烯酸硅改性聚合 物防水涂料 √无毒适于异型结构基面表干 4 h K11 防水浆料√无毒可喷涂表干 4 h 氟碳涂料√有毒可喷涂较快 喷涂聚脲弹性体无毒喷涂技术要求较高15 s 凝胶 喷涂速凝橡胶沥青 防水涂料 无毒喷涂技术要求较高实干 24 h 丙烯酸盐喷膜防水 材料 √无毒喷涂技术要求较高 5 s 内凝胶 水基毒性喷涂工艺成膜速度目标材料 表1初步筛选材料的基本性能 Table 1Basic properties of preliminary screening materials 28 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 表2A组试样实验数据 Table 2Experimental data of Group A samples 荷，使试样产生变形直至材料破坏。设薄膜所受的 外力为 F， 且横截面上力是分布不均的。因此， 可以 使用单位面积受力 σt来表示材料的整体受力情况 σt＝ F ｂｄ 式中b 为试样宽度， mm； d 为试样厚度， mm。 除了测试材料受力情况外， 还要数据化的分析材 料的变形程度， 实际中的变形程度可用应变 εt表示 εt＝ Ｇ－Ｇ０ Ｇ０ １００％ 式中 Ｇ０为试样原始标线间距离， mm； G 为试样 拉伸时标线间距离， mm。 2.4实验方法 1） 将 1 张厚度为 0.9 mm 的丙烯酸硅改性聚合物 薄膜分割为长 150 mm、 宽 15 mm 的条状试件， 共 5 份， 标为 A 组； 将 1 张厚度为 0.7 mm 的丙烯酸硅改 性聚合物薄膜分割为长 150 mm、宽 15 mm 的条状 试件， 共 5 份， 标为 B 组； 将 1 张厚度为 0.5 mm 的 JS09 聚合物薄膜分割为长 150 mm、宽 15 mm 的条 状试件， 共 5 份， 标为 C 组。 2 ） 实验前调整好电子拉力机的相关参数， 并输 入所需试件物理参数。 3） 用夹具夹持试样， 保持试样处于夹具中心连 线位置上，同时夹持力度要适当，不能因为夹持过 紧导致试样受损坏，或夹持太松导致实验过程中试 样脱落。 4） 运行实验机， 进行拉伸实验， 并同时由电脑记 录数据。 5） 更换试件， 重复实验过程。 2.5实验数据及其处理 实验中， 分别记录每个试样在拉伸时所受的最大 拉力 F， 根据试样的横截面积 S 计算出试样在拉伸时 的抗拉强度 Rm， 再计算出最大形变 1/2 时试样所受 应力 σh以对试样的力学性能有更清楚的认识， 最后 求出试样断裂时的断裂伸长率 e。 A 组、 B 组、 C 组试 样的实验数据分别见表 2～表 4， A 组、 B 组、 C 组典 型试样 A2、 B1、 C2 应力-应变曲线分别如图 1～图 3。 2.6实验结果 由图 1～图 3 可知， 2 类材料的应力-应变曲线 完全不同。丙烯酸硅改性聚合物防水薄膜非常接近 于理想塑性，即当应力达到一定值后保持不变而应 变持续增大。JS09 防水聚合物材料的应力应变关系 与岩石等材料的非常相似， 存在 1 个明显的应力峰； 在应力峰值之前，随应变的增大应力逐渐上呈 “S” 型曲线； 达到在到应力峰值后， 随应变的增大， 应力 下降。根据实验数据，比较丙烯酸硅改性聚合物防 水薄膜和 JS09 聚合物防水薄膜可以发现 前者的抗 拉强度更小， 总形变一半时所受应力也更小， 且断裂 伸长率远大于后者。同时，较厚的丙烯酸硅改性防 水涂料薄膜延展性更强，在单轴拉伸条件下应力更 试样编号 A110.1414.250.710.67398.12 A210.1313.350.760.70339.56 A38.5012.150.700.63327.42 A48.2313.350.620.52360.32 A57.4614.550.510.50405.48 平均值8.8913.530.660.60366.18 F/NS/mm2Rm/MPaσh/MPae/ 图1A组典型试样A2应力-应变曲线 Fig.1Stress-strain curve of A2 表3B组试样实验数据 Table 3Experimental data of Group B samples 表4C组试样实验数据 Table 4Experimental data of Group C samples 试样编号 Ｃ1 （舍 ）18.417.952.322.3217.30 C221.757.502.902.014.94 C317.947.952.261.214.04 C416.017.652.101.503.76 C522.627.952.851.944.50 平均值19.587.762.531.674.31 F/NS/mm2Rm/MPaσh/MPae/ 试样编号 B18.7811.250.780.67356.26 B28.4011.850.700.66345.32 B37.938.250.960.86224.18 B410.879.451.150.98281.52 B511.4710.501.091.07290.08 平均值9.4910.260.940.85299.47 F/NS/mm2Rm/MPaσh/MPae/ 29 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 图3C组典型试样C2应力-应变曲线 Fig.3Stress-strain curve of C2 小更不易断裂，在之后的实验和工程中应喷涂较厚 的丙烯酸硅改性聚合物防水涂料。 丙烯酸硅改性聚合物防水薄膜的弹性模量更 小， 伸长率更大。因此， 其延展性更好， 能更好地适 应煤壁表面的变形， 保持其完整性， 并不从煤壁上脱 落。且成膜工艺简单方便， 它比 JS09 防水聚合物防 水涂料更能适应井下大规模高效喷涂的施工工艺， 更能适应井下由于瓦斯抽采产生的高负压对薄膜韧 性的要求，因此选择丙烯酸硅改性聚合物防水涂料 进行气密性研究，以确定其是否可成为进一步井下 实验的理想材料。 3薄膜的气密性实验 3.1实验仪器及试样制备 实验采用了亚克力塑封成的真空压力容器， 橡 胶盖顶密封， 规格为 220 mm160 mm210 mm。在 容器内为负压状态时， 橡胶盖顶吸在容器壁， 具备极 好的气密性。 选取 2 块质量约为 3.6 kg，形状近似长方体的 煤样。取其中 1 块进行丙烯酸硅改性聚合物防水涂 料喷涂， 使煤样表面形成 1 层致密的薄膜。 3.2实验原理 井下钻孔瓦斯抽采过程中，煤壁内部气体压力 较小， 巷道内的气体也会沿裂隙渗入煤体。同理， 由 于煤样内部大量孔隙和裂隙的存在，当外界气压小 于煤体内气体压力时，煤体内的气体会沿孔隙裂隙 释放到外界。 实验将常温常压下保存的试样放入真空压力 容器中， 通过真空泵将压力容器中的相对压力抽至 -0.098 MPa。常压下保存的煤样内部气体压力与当 地大气压基本一致，煤样内部的气体会通过孔隙释 放到容器中，使容器相对压力升高。若煤体表面喷 涂形成一层气密性良好的致密薄膜，可阻止煤体内 部与外界的气体流通， 则真空压力容器的相对压力 不会改变。 设置 3 组实验， A 组为空白对照组， 压力容器内 不放置任何物品； B 组为条件对照组， 压力容器内放 置未喷涂薄膜的煤样； C 组为实验组， 压力容器内放 置喷涂了薄膜的煤样。 3.3实验方法 1） 检查真空容器气密性， 检查进气阀、 泄压阀 和压力表未损坏。 2） 将试样平稳放入容器中央。 3） 盖好容器盖， 打开进气阀， 连接真空泵。 4） 打开真空泵， 待气压表示数为-0.098 MPa 时， 关闭进气阀， 关闭真空泵。 5） 前 16 h 每隔 2 h 记录 1 次气压， 第 24 h 时再 记录 1 次气压表示数。 6） 打开泄压阀， 待容器内压力与大气压平衡时， 打开容器盖， 更换试样， 重复实验过程。 3.4实验数据及结果 3 组实验分别在 24 h 内记录 10 组数据，将 3 组实验数据绘制成压力-时间图以直观验证薄膜的 气密性， 真空容器相对压力变化图如图 4。 空白对照组 A 组的相对压力在 24 h 内无变化， 图2B组典型试样B1应力-应变曲线 Fig.2Stress-strain curve of B1 图4真空容器相对压力变化图 Fig.4Relative pressure change graph of vacuum container 30 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 说明容器气密性极好； 条件对照组 B 组的相对压力 曲线在经过了前 8 h 的缓慢上升后， 在 8～14 h 内急 速上升，之后上升速度再次变缓，说明试样主要漏 气集中在 8～14 h； 实验组 C 组的相对压力在实验前 4 h 内基本不上升， 在之后基本为匀速缓慢上升， 说 明喷膜后漏气仍然存在， 但漏气量大大减少。 由理想气体状态方程计算得出， 24 h C 组试样 漏气量仅为 B 组试样的 20.00％。 喷涂了薄膜材料的 C 组试样虽然无法完全阻止煤样内部与外界的气体 流通， 但相对没有喷涂薄膜材料的 B 组试样， 漏气 量已经大大降低， 堵漏效果良好。 漏气原因分析如下 由于煤样表面不平整， 在喷 涂过程中， 凸起、 棱角和凹陷处可能成膜较薄， 甚至 有微小破洞， 造成漏气。在实际生产中， 可以采用多 次重复喷涂的方法以起到更好的效果。 4结论 1） 实验结果说明丙烯酸硅改性聚合物防水涂料 延展性的气密性均很好，可作为进一步实验的备选 材料。并且柔性防水材料的主要性能指标明显优于 刚性防水材料，在未来的研究中，可对其他柔性防 水材料进行进一步性能研究。 2 ） 由于种种条件的限制， 薄膜的气密性实验精 度不够高，并且出现了少量漏气的情况，在完善了 实验仪器后可进行进一步的研究。仍有其他材料， 如使用有机树脂及其改良剂调配的薄膜材料也可能 符合要求，可进行深入研究。一系列试验成熟后可 进行实际生产条件下的矿井瓦斯抽放堵漏实验。 3） 可结合钻孔周围裂隙带的产生机理， 对喷涂 工艺进行细致的规划， 减小喷涂材料的使用量， 节约 成本， 达到生产效益与矿井瓦斯安全相兼顾的最优解。 参考文献 ［１］ 林柏泉， 李树刚．矿井瓦斯防治与利用 ［Ｍ］ ．徐州 中国 矿业大学出版社， ２０１４． ［２］ 程远平， 付建华， 俞启香．中国煤矿瓦斯抽采技术的发 展 ［Ｊ］ ．采矿与安全工程学报， ２００９， ２６ （２） １２７－１３９． ［３］ 翟成， 林柏泉， 王力．我国煤矿井下煤层气抽采利用现 状及问题 ［Ｊ］ ．天然气工业， ２００８ （７） ２３－２６． ［４］ 钱鸣高， 许家林， 缪协兴．煤矿绿色开采技术 ［Ｊ］ ．中国 矿业大学学报， ２００３ （４） ５－１０． ［５］ 向贤伟， 翟成， 许彦明， 等．瓦斯抽采钻孔封隔一体化 封孔技术 ［Ｊ］ ．煤矿安全， ２０１５， ４６ （７） ７４－７７． ［6］ 林柏泉， 周世宁， 张仁贵．钻孔密封段密封介质渗漏的 探讨 ［Ｊ］ ．阜新矿业学院学报 （自然科学版） ， １９９３ （４） １０－１５． ［7］ 周福宝， 孙玉宁， 李海鉴， 等．煤层瓦斯抽采钻孔密封 理论模型与工程技术研究 ［Ｊ］ ．中国矿业大学学报， ２０１６， ４５ （３） ４３３－４３９． ［8］ 周福宝， 夏同强， 刘应科， 等．二次封孔粉料颗粒输运 特性的气固耦合模型研究 ［Ｊ］ ．煤炭学报， ２０１１， ３６ （６） ９５３－９５８． ［9］ 张法智．ＬＩＴ 密封剂及其在煤层气增采中的应用 ［Ｄ］ ． 北京 中国科学院研究生院 （武汉岩土力学研究所） ， ２００８． ［10］ 张逸超．水性超薄型钢结构防火涂料的制备与性能 研究 ［Ｄ］ ．赣州 江西理工大学， ２０１５． ［11］ 张沂．聚合物水泥类防水涂料综述 ［Ｊ］ ．中国建筑防 水， ２００１ （４） １０－１２． ［12］ 赵守佳．浅谈国内聚氨酯防水涂料的现状和趋势 ［Ｊ］ ． 聚氨酯工业， ２０００ （３） ９－１２． ［13］ 杨其新， 盛草樱， 刘东民．丙烯酸喷膜防水材料的研 究及其工程应用 ［Ｊ］ ．新型建筑材料， ２００２ （６） １－４． ［１４］ 李守继， 丁敬华， 过勇．地下结构工程渗漏及其原因 分析 ［Ｃ］ //第九届全国防震减灾工程学术研讨会论 文集.北京 中国土木工程学会， ２０１６． 作者简介 秦跃平 （1964） ， 男， 教授， 博士生导师， 主 要研究方向为矿井空调、 矿井通风、 矿井瓦斯防治。 （收稿日期 2019-05-31； 责任编辑 王福厚） 31 ChaoXing