延迟膨胀型钻孔密封材料的实验研究

摘要

我国是煤炭大国，煤炭资源丰富，截止2014年我国煤炭产量达到38.7亿吨。煤炭的利用在能源结构中占有很大的比例，但是我国大部分以地下开采为主，煤层赋存条件复杂多变，煤矿事故频繁发生，其中以瓦斯灾害尤其严重，这些煤炭开采问题制约着其高效安全生产。瓦斯抽采是治理瓦斯的基础措施，而瓦斯钻孔抽采时钻孔封堵好坏是影响瓦斯抽采率的关键。为了提高抽采率，降低瓦斯灾害事故，研究新型延迟膨胀性封孔材料对于钻孔的封堵有一定的现实价值。
　　本文通过对钻孔密封机理以及水泥基密封材料在封堵过程中会产生收缩变形而影响钻孔气密性问题的研究，提出了在材料中加入微胶囊膨胀剂的解决方案。根据膨胀原理及其微胶囊技术，通过分析对比铝粉被选为合适的膨胀剂，明胶(Gel)、海藻酸钠(SA)被选为合适的包覆材料。通过试验研究将2％的Gel溶液和2％SA溶液按1∶1配成Gel/SA混合溶液，并采用凝胶凝聚法将该混合溶液制成芯、壁材质量比为1.5的改性膨胀剂微胶囊。采用正交试验确定了原料的基本用量，在水灰比0.5，温度35℃，掺量4‰情况下作用效果达到最佳，通过对新型密封材料的膨胀性能及力学性能测定，其最终膨胀率达到15％，并且它在膨胀剂的影响下保持一定的强度，这很好地保证了强度与膨胀性的协调。1天抗压强度为2.3MPa，3天强度为14.6MPa，7天强度为21.2MPa，28天强度为31.7MPa。又对密封材料进行SEM微观扫描观察到水化产物密实，结构完整无裂缝及其贯穿孔洞，而对比组无添加水泥浆体与直接加入膨胀剂的浆体有裂缝及其孔洞出现。通过以上研究，膨胀剂微胶囊加入水泥基材料中用于瓦斯抽放封孔时能够在水泥基材料水化一段时间后开始膨胀，延迟了普通膨胀剂水化初期膨胀的现象，使早期的无效膨胀转化为水泥硬化后一定强度下开始膨胀，避免了膨胀能的损失有效的补偿了水泥基的收缩，解决了钻孔漏气问题，提高了抽采效率。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究目的及意义

1．2．1 研究目的

1．2．2 研究意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 瓦斯抽放研究现状

1．3．2 微胶囊的应用现状

1．3．3 封孔密封材料研究现状

1．4 研究内容及目标

2 膨胀剂微胶囊化的改性研究

2．1 膨胀剂微胶囊化概述

2．2 膨胀剂的选取

2．2．1 膨胀剂概况

2．2．2 膨胀剂的作用机理

2．3 微胶囊的制备

2．3．1 微胶囊化技术

2．3．2 用于膨胀剂的微胶囊壁材

2．4 本章小结

3 钻孔密封材料中膨胀剂微胶囊的研制

3．1 实验原料及设备

3．1．1 实验原料

3．1．2 实验设备

3．2 实验方法

3．2．1 明胶／海藻酸钠作为矿用壁材的可行性

3．2．2 基材配比选择

3．2．3 基材配比结果

3．3 微胶囊的制备技术路线

3．4 膨胀剂微胶囊的微观表征

3．4．1 显微镜细观结构考察

3．4．2 SEM扫描实验

3．5 本章小结

4 钻孔密封材料研制与性能测试

4．1 实验部分

4．1．1 实验原料

4．1．2 实验设备

4．1．3 实验安全措施

4．2 密封材料的配制

4．2．1 实验方案的选取

4．2．2 实验方案的确定

4．3 密封材料膨胀性能研究

4．3．1 膨胀测试的意义

4．3．2 膨胀测试的方法

4．3．3 膨胀测试及其曲线

4．3．4 复配出的密封材料

4．4 密封材料的抗压性能

4．4．1 抗压性能测试的意义

4．4．2 测试的依据

4．4．2 测试的过程及结果

4．5 材料的微观结构观察

4．6 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果