陈柯良,刘 谦,2,邓 帆,丁嘉乐,陈水梅

(1.龙岩学院 资源工程学院,福建 龙岩 364012;2.矿产资源安全开采福建省高校重点实验室,福建 龙岩 364012)

瓦斯事故是我国煤矿井下发生频次最高的事故类型[1],预防瓦斯事故的根本举措是进行瓦斯抽采[2-3]。井下抽采是我国煤矿瓦斯抽采的主要方式[4-6],其中钻孔抽采是井下应用最为广泛的瓦斯抽采技术[7-8]。

在影响钻孔瓦斯抽采效果的因素中,封孔质量是最为关键的要素[9-11],而评价封孔质量主要体现在两个方面:封孔材料和封孔工艺。煤矿应用的封孔材料主要包括水泥浆液[12]、聚氨酯[13]、柔性膏体材料[14]、封孔粘液[15]等。其中,水泥取材广、价格便宜,因而得到了广泛应用,然而水泥凝固后会出现干燥收缩的现象。针对这一现象,广大学者对水泥浆液进行了改良,通过添加保水剂、早强剂、膨胀剂、膨润土、纤维素等添加剂来改善水泥的性能[16-18],以避免出现水泥干燥收缩的现象。但由于经济原因,煤矿依然选择普通水泥进行封孔[12]。目前,煤矿井下的封孔工艺主要有“一次注浆”[19]、“两次封孔”[20-21]、“两堵一注”[22]、“分段注浆”[23]等,其中“两堵一注”“分段注浆”属于带压注浆封孔技术。带压注浆封孔技术的原理是,通过堵头(如封孔胶囊)将钻孔两端密封,利用注浆泵向两堵头之间的封闭空间内泵入具有一定压力的封孔材料,在高压作用下封孔材料进入钻孔壁周围的裂隙,进而可以有效地提高封孔效果。

在带压注浆封孔工艺中,封孔材料通过注浆泵送入钻孔的有限空间[24-26],同时,浆液具有一定压力和膨胀性,最终会形成受限空间内的膨大固体。以往研究封孔材料力学性能时,材料试样是在开放空间内形成的,没有考虑钻孔对封孔材料的约束作用。本文利用搭建的带压注浆模拟实验系统,研究注浆压力对水泥浆液力学性能的影响规律,以期为带压封孔工艺选择合理的注浆压力提供理论参考。

1 实验部分

1.1 材料与试剂

在带压注浆模拟实验中,选用安徽淮南海螺水泥厂生产的P.O 42.5R普通硅酸盐水泥作为封孔材料,实验所用水泥技术指标如表1所示。

表1 海螺牌水泥技术指标

1.2 带压注浆模拟实验系统

带压注浆模拟实验系统用于模拟水泥浆液在钻孔内所处的高压环境,实验系统主要由高压氮气、减压阀、压力表、耐高压试模构成,高压氮气可以均匀地为水泥浆液提供压力,氮气具有安全性高、在水中溶解度低的优点;耐高压试模内有便于拆卸的半圆形模具,模具外径与试模内径相同,可以紧紧贴合在试模内壁,两个半圆形模具所构成的内径为50 mm,这样可以保证形成的水泥试样直径为50 mm。实验系统的作用原理是这样的:水泥浆液静置在试模底部,试模顶部与高压氮气瓶相连,设置减压阀的出口压力可以控制水泥浆液上方的作用力,利用氮气施加的压力模拟水泥浆液所处的高压环境,待水泥浆液凝固后,将试样取出并在标准养护箱内养护,从而得到不同注浆压力条件下的试样。

1.3 实验过程

向试模内充入高压氮气,压力为8 MPa,若24 h内压力稳定不变,表明实验系统的气密性良好;否则对设备重新进行连接调试,直至实验系统保持良好的气密性。将水灰比为0.8的水泥浆液倒入注浆模拟实验系统的半圆形模具内,利用高压氮气对水泥浆液施加压力,注气压力依次设置为1、2、3、4、5 MPa,对应模拟该压力下的注浆压力,同时将开放空间制备的试样(0 MPa)作为对比试样。注气加压24 h后,打开阀门排出试模内的氮气,利用脱模机将试样取出。进而将试样放入恒温恒湿箱内进行二次养护,养护时间为27 d,温度20 ℃、湿度95%,达到养护龄期后试样利用无水乙醇浸泡终止水化。根据实验需求,对试样进行切割加工,测试单轴抗压强度的试样尺寸为Ф50 mm×25 mm,测试抗拉强度的试样尺寸为Ф50 mm×100 mm,其中抗压强度测试试样如图2所示。利用岩石三轴试验机测试水泥试样的单轴抗压强度,采用巴西劈裂法测试水泥试样的抗拉强度,对不同注浆压力条件下的水泥试样进行扫描电镜分析。

图2 实验样品

2 结果及分析

2.1 单轴抗压强度变化规律

不同注浆压力条件制备的水泥试样,利用压力试验机对其进行加载实验,加载过程中试样应力-应变曲线如图3(a)所示。从图3(b)中可以看出,在加载过程中水泥试样出现了压密阶段、弹性阶段、屈服阶段以及破坏阶段这四个阶段。在压密阶段,不同注浆压力试样的应力-应变曲线差异较小,压密阶段的终止应变皆出现在0.8%附近,这也反映出水泥试样具有微弱的可压缩性,可以储存部分弹性能。在弹性阶段,随着应变的增加,应力呈线性规律增大;随着注浆压力的增加,水泥试样在弹性阶段产生的应变在减小,同时可以抵抗的应力值增大。在屈服阶段,随着应变的增加,应力出现波动,增长值较小;随着注浆压力的增加,屈服阶段产生的应变在缩短,这表明注浆压力使水泥的脆性增强,产生塑性变形的能力减弱。在破坏阶段,应力值随着应变的增加迅速降低,这表明水泥破坏后其残余强度较低。

(a)不同注浆压力试样

弹性模量是反映水泥抵抗弹性变形能力的重要参数。根据压力试验机加载实验获得的实验数据,选取应变为1.0%、1.3%对应的应力值计算水泥试样的弹性模量。通过代数运算,获得不同注浆压力条件下水泥的弹性模量,其随注浆压力的变化规律如图4所示。从图中可以看出,随着注浆压力的增大,弹性模量成线性规律增大,这表明水泥抵抗弹性变形的能力随着注浆压力的增加而增强。弹性模量与注浆压力的关系式如式(1)所示:

图4 水泥弹性模量随注浆压力变化规律

E=1 046.60+556.75p。

(1)

式(1)中,E为水泥弹性模量,MPa;p为注浆压力,MPa。

注浆压力为1、2、3、4、5 MPa的单轴抗压强度比0 MPa时分别提高30.84%、37.89%、57.55%、64.58%、66.44%,这表明注浆压力可以显著改善水泥的力学性能。水泥单轴抗压强度随着注浆压力的变化规律如图5所示。从图中可以看出,随着注浆压力的增加,水泥试件的单轴抗压强度逐渐增大,但增长幅度逐渐减小。这表明随着注浆压力的增大,水泥抗压强度不是无限增加的,而是存在一个上限值。通过对抗压强度变化规律进行数据拟合,得到抗压强度随注浆压力的变化规律,发现两者成指数函数关系为

图5 注浆压力对水泥抗压强度的影响规律

σc=20.29-8.75×0.66p。

(2)

式中,σc为水泥单轴抗压强度,MPa。

通过式(2)可以发现,水泥抗压强度最终会趋于一个稳定值,即20.29 MPa。当注浆压力为6 MPa时,水泥抗压强度为19.56 MPa,是极限值的96.48%,该值已接近最终的稳定值;当注浆压力为5 MPa时,水泥抗压强度为19.21 MPa,是极限值的94.66%;当注浆压力为4 MPa时,水泥抗压强度为18.65 MPa,是极限值的91.91%。注浆压力越大,水泥试样的力学性能越好,但这对注浆泵以及封孔质量有了更高的要求,在考虑带压封孔成本以及注浆安全性的前提下,注浆压力为4 MPa已是一个较为合理的值。

2.2 抗拉强度变化规律

通过巴西劈裂法获得了不同注浆压力条件下水泥试样的抗拉强度值,结果如图6所示。从图中可以看出,随着注浆压力的增大,水泥抗拉强度呈现增大趋势,但增大幅度逐渐减小,该变化规律与水泥抗压强度的变化规律类似,这意味着水泥试样的抗拉强度同样存在一个极限值。通过数据拟合得到了抗拉强度随注浆压力的变化曲线,从中可以得出水泥试样的极限抗拉强度为5.29 MPa,水泥抗拉强度与注浆压力之间的函数关系为

图6 注浆压力对水泥抗拉强度的影响规律

σc=5.29-1.48×0.60p。

(3)

式中,σt为水泥抗拉强度,MPa。

2.3 抗折强度变化规律

试样进行抗折强度测试需要采用标准棱柱试样,试样尺寸为160 mm×40 mm×40 mm,这种规格的试样在该实验条件下制备具有较高的难度。通过相关实验,叶列平发现混凝土的抗折强度与单轴抗压强度的相关换算关系式如式(3)所示[27],

σf=0.66σc1/2。

(3)

式中,σf为水泥抗折强度,MPa。

利用公式(3)可以计算不同注浆压力条件下水泥的抗折强度,根据上述研究发现水泥单轴抗压强度存在一个稳定值,因此抗折强度同样存在一个稳定值。通过将抗压强度的稳定值带入公式(3),可以得到水泥抗折强度的稳定值为2.97 MPa。

2.4 注浆压力对水泥力学性能影响机理分析

利用扫描电镜对不同注浆压力条件下的水泥试样进行微观观测,扫描图片结果如图7所示。根据测试结果来看,注浆压力为0 MPa时,水泥内部存在较多的微裂隙和连通孔隙,且微观表面较为粗糙;注浆压力为1 MPa时,水泥内部微裂隙和连通孔隙显著减少,棱角减少;注浆压力为2 MPa时,水泥内部的微裂隙和连通孔隙进一步减少;随着注浆压力的增大,水泥样品中的微裂隙、大孔逐渐消失,内部平整度也越来越高。这表明没有外界压力作用下,水泥内部会存在一定数量的微空隙,且是难以消除的。

(a)0 MPa

水泥孔隙比是影响水泥强度的重要因素,水泥内部孔隙多,说明水泥的密实度低,水泥强度自然较小。根据获得的扫描电镜图片,可以定性研究水泥内部孔隙分布规律,借此可以分析注浆压力对水泥力学性能的影响机理。水泥试样制备过程中,利用氮气加压的方式模拟水泥浆压所处的高压环境。水泥浆液在高压氮气作用下,水泥颗粒受到外力的压迫作用,颗粒间的距离被压缩,使得水泥颗粒的排列变得更为紧密,密实度提高,致使水泥样品的表面变得更为平整。致密的水泥颗粒排列可以加强颗粒间的相互作用力,水泥颗粒形成相互连接的有机整体,微观的相互作用在宏观上表现为水泥的力学性能变强,这也揭示了高注浆压力条件下水泥的力学性能增大的原因。另一方面,水泥颗粒的间隙是有限的,这也说明了水泥浆液不能被无限制压缩,当浆液压力达到一定值时,水泥颗粒就不能被压缩了,水泥强度会存在一个稳定的临界值,这就揭示了水泥单轴抗压强度、抗拉强度、抗折强度存在极限值的原因。

3 结论

通过高压氮气对水泥浆液施加压力,模拟带压注浆工艺中钻孔内水泥浆液所处的高压环境,进而获得了不同注浆压力条件下的水泥试样,利用压力试验机对水泥试样的力学性能进行测试,并通过扫描电镜对水泥试样的微观结构进行了定性分析,并获得以下结论:

(1)搭建了带压注浆模拟实验系统,系统主要由高压氮气、减压阀、压力表、耐高压试模构成,利用氮气在水中溶解度低的特点对水泥浆液施加压力,真实还原水泥浆液所处的高压环境,设计的半圆形模具可以方便制备直径50 mm的水泥试样。

(2)随着注浆压力的增大,水泥单轴抗压强度、抗拉强度呈现先增大后趋于稳定的规律,水泥抗压强度、抗拉强度、抗折强度最终临界值分别为20.29、5.29、2.97 MPa,水泥弹性模量与注浆压力呈线性关系,在考虑带压封孔成本以及注浆安全性的前提下建议注浆压力控制在4 MPa。

(3)随着注浆压力的增大,水泥内部的微裂隙、大孔逐渐减小,内部平整度越来越高;在高注浆压力条件下,水泥颗粒间的距离被压缩,密实度提高,加强了颗粒间的相互作用力,在宏观上表现为水泥力学性能变强;水泥颗粒的间隙不能被无限制压缩,致使水泥强度存在一个稳定的临界值。