气体环境对自修复封孔材料裂隙愈合及修复机制的影响
司磊磊1
赵桐宇1
魏建平1
刘正东2
华明国3
詹平4
姚邦华1
1.河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作 454003;河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地,河南焦作 4540032.东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳 1108193.山西潞安环保能源开发股份有限公司地质办,山西长治 0460004.山西潞安集团司马煤业有限公司,山西长治 046000
摘要：注浆封孔是最常用的抽采钻孔封孔措施,受应力扰动等影响,注浆封堵的裂隙很容易开裂形成次生漏气通道.因此提出研发可使再生裂隙自愈合的注浆封孔材料,然而井下空气环境复杂,特别是封孔材料的裂隙愈合性能取决于其与空气环境产生物质交换后所生成的自修复产物,因此深入研究不同气体环境对封孔材料裂隙愈合性能的影响,对于改进封孔材料配比,实现抽采钻孔长效密封具有重要意义.研究了自修复封孔材料分别在真空环境、CO2环境及空气环境下的裂隙自愈合及修复产物生成规律.结果发现,在空气环境下封孔材料在6d内可实现宽度为1.82mm的裂隙自修复,在CO2环境下封孔材料在8 d内可实现1.51 mm的裂隙自修复,而真空环境下封孔材料在15 d内仅能使裂隙宽度减小0.1 mm,无法实现完全愈合.不同环境下封孔材料与外界的物质交换规律不同,其质量变化存在较大差异,其中空气环境下可分为失水减重阶段、动态增重阶段、二次失水减重阶段和稳定阶段;CO2环境下分为迅速碳化增重阶段、缓速增重阶段和平衡阶段;而真空环境下试件质量几乎保持稳定.结合碳化作用和水分蒸发作用分析了不同环境下封孔材料质量变化的内在规律.自愈合产物粗糙度测试结果表明,空气环境下自愈合产物粗糙度最大,真空环境次之,CO2环境最小.微观测试结果表明,CO2不会改变封孔材料的主体结构,仅能够略微提升封孔材料水化产物中CaCO3的含量,并造成基体孔隙减小;但CO2可明显提升自修复产物中CaCO3的占比,并对促进自修复产物粒径大小有显著作用.不同气体环境条件下自修复产物的生成原理具有较大差异,真空环境下自修复产物的生成在于多孔结构导致的析出作用;CO2环境下自修复产物生成以碳化作用产生的碳酸盐为主,析出作用为辅;二次水化作用生成的硅酸盐在空气环境下自修复产物的占比最大,碳化作用产生的碳酸盐次之,析出作用贡献最小.适度提高养护环境的CO2浓度及湿度对裂隙自愈合的效率具有促进作用.研究结果对于实现抽采钻孔长效密封具有重要意义.
关键词：封孔材料自修复裂隙愈合气体养护环境水化产物
分类号：TD712(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家重点研发计划(2023YFC3009002-11)国家自然科学基金(52374194)河南优秀青年科学基金资助项目(242300421071)
论文发表日期：2025-02-28
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：13( 990-1002 )
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