錢(qián)志良，韓 兵

（1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng)110016；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

目前我國(guó)煤礦井下瓦斯抽采鉆孔有3 種封孔方式[1-2]，即接觸式、滲透式及組合式封孔，其中組合式封孔方式密封性最好，組合式封孔的密封效果與其止?jié){塞的材質(zhì)密不可分，目前封孔止?jié){塞的材質(zhì)主要有隔水膠囊[3]、透水囊袋、聚氨酯[4]等，這些材料共同的特點(diǎn)是在注漿前使止?jié){塞達(dá)到膨脹密封的效果，之后在止?jié){塞中部注漿，使得漿液滲透到鉆孔周邊的煤壁中，提高鉆孔的密封性[5]?；诖?，研究了1 種以高吸水樹(shù)脂為材料的新型止?jié){塞，實(shí)現(xiàn)注漿與堵漿同時(shí)進(jìn)行，注漿壓力越大，止?jié){塞膨脹力越大，鉆孔封堵嚴(yán)密，做到隨堵隨注、堵注結(jié)合。根據(jù)吸水樹(shù)脂的特性，其在不同溶液下的吸水能力變化極大，為驗(yàn)證吸水樹(shù)脂作為止?jié){塞的可能性及可靠性，需要對(duì)吸水樹(shù)脂在不同漿液環(huán)境中的吸水膨脹性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)定吸水樹(shù)脂吸水率、保水率等參數(shù)，以此確定在封孔時(shí)所使用的吸水樹(shù)脂的用量、加壓強(qiáng)度及注漿時(shí)間等問(wèn)題，同時(shí)吸水樹(shù)脂在與水泥漿接觸時(shí)，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致水泥漿液性能的改變，影響水泥漿液的凝固后的強(qiáng)度。

1 高吸水樹(shù)脂概述

高吸水樹(shù)脂（簡(jiǎn)稱SAP）是由親水性基團(tuán)和碳鏈構(gòu)成的1 種具有三維交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的功能性高分子材料[6-7]，在純凈水中能夠吸收成百上千倍自身質(zhì)量的水，并且其在常溫下，即使在受壓狀態(tài)下，也不會(huì)快速失水，具有一定的保水性。這使得高吸水樹(shù)脂在醫(yī)療衛(wèi)生、石油鉆井、土壤保水、污水處理和礦業(yè)開(kāi)采等領(lǐng)域中，得到了廣泛的應(yīng)用[8]。

高吸水樹(shù)脂按照分子鏈官能團(tuán)可以分為離子型與非離子型2 種，按照材料可以分為SAP 淀粉類、纖維素類、合成類3 種。淀粉類SAP 來(lái)源廣泛、產(chǎn)量大、價(jià)格便宜、吸水率較高、能夠生物降解、耐鹽堿性差、易被水解。纖維素類SAP 耐鹽性好、保水性強(qiáng)、抗霉解性強(qiáng)、吸水性差[9]。合成類SAP 價(jià)格低、吸水性好、耐鹽性好。因此，選擇合成類SAP 作為封堵材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)材料：吸水樹(shù)脂（宜興市可信的化工有限公司，容積密度為0.6～0.9 g/cm3，吸收生理鹽水的速度為（25 ℃，25 mL）≤60 s，吸水速率為＜60 s，保水率為≥85%，pH 值為6～7，揮發(fā)物含量為＜10%，）；普通硅酸鹽水泥（晉城市水泥廠、42.5 號(hào)水泥）；膨脹水泥；布料；蒸餾水；自來(lái)水；生理鹽水。

實(shí)驗(yàn)器材：燒杯、量筒、電子秤、秒表、攪拌機(jī)、模具、鋸子、鋸條、水泥實(shí)驗(yàn)壓力機(jī)。

3 吸水樹(shù)脂在不同介質(zhì)中的吸水性能實(shí)驗(yàn)

3.1 吸水倍率測(cè)定

吸水倍率是吸水樹(shù)脂性能的核心指標(biāo)[10]，吸水倍率越高，膨脹率越高、止?jié){效果就越好。實(shí)驗(yàn)所采用的液體介質(zhì)為蒸餾水、自來(lái)水、生理鹽水、普通硅酸鹽水泥漿濾液、膨脹水泥漿濾液。

吸水率的測(cè)定方法為：稱取少量的吸水樹(shù)脂（0.1～0.3 g），放入燒杯中，加入被測(cè)液體，攪拌均勻后，待樹(shù)脂充分吸水后（放置12 h），取1 塊60 目（250 μm）的紗布在水中進(jìn)行浸泡，潤(rùn)濕后稱取質(zhì)量，用紗布將吸水樹(shù)脂過(guò)濾出來(lái)，紗布表面液體不再外流時(shí)，稱得紗布與樹(shù)脂吸水后的總質(zhì)量，則吸水樹(shù)脂的吸液倍率計(jì)算如下：

式中：Q 為吸液倍率，g/g；ρ 為溶液密度，g/cm3；m1為濕潤(rùn)紗布質(zhì)量，g；m2為吸水樹(shù)脂干質(zhì)量，g；M為紗布與吸水樹(shù)脂吸水后總質(zhì)量，g。

每種液體介質(zhì)做3 組測(cè)試，取平均值，每組吸水樹(shù)脂的質(zhì)量為0.3 g 左右，實(shí)驗(yàn)溫度為27 ℃，不同液體吸水樹(shù)脂吸水倍率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同液體吸水樹(shù)脂吸水倍率測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of water absorbency of different liquid absorbent resins

由表1 可知，吸水樹(shù)脂在不同液體介質(zhì)中的吸水倍率差別很大，吸水倍率最大的液體介質(zhì)為蒸餾水最小的為膨脹水泥漿濾液。吸水倍率的差異是由液體介質(zhì)中的離子種類及離子數(shù)量決定的，離子數(shù)量越多，吸水樹(shù)脂內(nèi)外滲透壓越小，吸水倍率也就越小。吸水樹(shù)脂在不同液體介質(zhì)中的吸水倍率依次為：蒸餾水＞自來(lái)水＞生理鹽水＞普通水泥漿濾液＞膨脹水泥漿濾液。

3.2 吸水速率測(cè)定

吸水樹(shù)脂的吸水速率是吸水性能的基本指標(biāo)之一[11]，吸水速率越快，膨脹時(shí)間越短，越有利于快速止?jié){。實(shí)驗(yàn)所采用的液體介質(zhì)為蒸餾水、自來(lái)水、生理鹽水、普通硅酸鹽水泥漿濾液、膨脹水泥漿濾液。

首先選用透水性好的紗布袋作為載體，首先將紗布袋放入待測(cè)液體中，充分浸泡1 h 后取出，待表面液體不外流時(shí)，稱取其質(zhì)量。將各濕潤(rùn)的布袋中放入吸水樹(shù)脂0.2 g 左右，量取1 000 mL 待測(cè)液體置于玻璃杯中，將布袋置于裝有待測(cè)液體的玻璃杯中，并開(kāi)始計(jì)時(shí)。

在剛開(kāi)始的0～2 min 內(nèi)每隔30 s 將紗布袋提起1 次，控水10 s 后，記錄其質(zhì)量。在3～6 min 內(nèi)，每隔60 s 將紗布袋提起1 次，控水10 s 后，記錄質(zhì)量。在6～15 min 內(nèi)，每隔3 min 將紗布袋提起1次，控水10 s 后記錄質(zhì)量。在15 min 后每隔5 min提起紗布袋1 次，待連續(xù)2 次測(cè)定質(zhì)量差小于0.5 g時(shí)停止測(cè)量，按照上述方法對(duì)吸水樹(shù)脂的吸水速率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不同液體介質(zhì)中吸水樹(shù)脂吸水速率測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同液體介質(zhì)中吸水樹(shù)脂吸水速率測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of water absorption rate of absorbent resin in different liquid media

以每次測(cè)定的吸水樹(shù)脂的質(zhì)量為縱坐標(biāo)，與其對(duì)應(yīng)的時(shí)間為橫坐標(biāo)畫(huà)圖，將各測(cè)點(diǎn)連接，得到累計(jì)吸水質(zhì)量變化曲線，其各點(diǎn)的斜率為該點(diǎn)的吸水速率。還有一種表示方式是按照在規(guī)定時(shí)間點(diǎn)上吸水倍率與極限吸水倍率的比值的大小來(lái)衡量吸水樹(shù)脂的吸水速率的。吸水樹(shù)脂吸水速率曲線圖如圖1。

圖1 吸水樹(shù)脂吸水速率曲線圖Fig.1 Water absorption rate curves of absorbent resin

由圖1 可知，吸水樹(shù)脂吸水5 min 時(shí)，蒸餾水吸水倍率為670 g/g，達(dá)到了極限膨脹率的68.3%；自來(lái)水吸水倍率為660 g/g，達(dá)到了極限膨脹率的56.09%；生理鹽水吸水倍率為57，達(dá)到了極限膨脹率的73.08%；普通水泥漿濾液吸水倍率為46 g/g，達(dá)到了極限膨脹率的70.77%；膨脹水泥漿濾液吸水倍率為42 g/g，達(dá)到了極限膨脹率的68.85%，按照樹(shù)脂達(dá)到自身極限膨脹率的速度比較，生理鹽水基液中在前5 min 中內(nèi)吸水速率最快，吸水5 min 后，各種漿液中的吸收倍率均已達(dá)到其極限吸水倍率的50%以上。

吸水樹(shù)脂吸水10 min 時(shí)，蒸餾水基液中樹(shù)脂吸水倍率為930 g/g，達(dá)到了極限膨脹率的94.80%；自來(lái)水基液中樹(shù)脂吸水倍率為410 g/g，達(dá)到了極限膨脹率的90.29%；生理鹽水基液中樹(shù)脂吸水倍率為67 g/g，達(dá)到了極限膨脹率的85.9%；普通水泥漿濾液基液中樹(shù)脂吸水倍率為52 g/g，達(dá)到了極限膨脹率的80.00%；膨脹水泥漿濾液基液中樹(shù)脂吸水倍率為49 g/g，達(dá)到了極限膨脹率的80.33%，按照達(dá)到漿液自身極限膨脹率的速度比較，蒸餾水在前10 min 中內(nèi)吸水速率最快，吸水10 min 后，各種漿液的吸收倍率均已達(dá)到其極限吸水倍率的80%以上。

3.3 保水能力測(cè)定

將裝有充分吸水后的吸水樹(shù)脂放入玻璃杯中，使其在室溫下失水每隔一段時(shí)間稱重1 次,記為Wt，用失水率R 作為衡量保水能力的指標(biāo)[12]。R 計(jì)算公式如下：

準(zhǔn)確稱取0.5 g 樹(shù)脂置于1 000 mL 燒杯中，加入1 000 mL 待測(cè)液體，待樹(shù)脂吸水飽和后，用60 目網(wǎng)篩將游離的水濾去，并在篩網(wǎng)上靜置10 min，然后稱取凝膠500 g，置于常溫常壓下，于不同時(shí)間稱重，實(shí)驗(yàn)選用自來(lái)水和水泥漿2 種漿液進(jìn)行對(duì)比，吸水樹(shù)脂的保水率曲線如圖2，保水率實(shí)驗(yàn)進(jìn)行13 d后，自來(lái)水保水率為77%，水泥漿保水率為74%，自來(lái)水略高于水泥漿，2 種漿液在前5 d 失水均較快，保水率分別為85%、83%。

由實(shí)驗(yàn)可以看出，吸水樹(shù)脂隨著時(shí)間的推移，將不斷丟失水分，其不能像其他止?jié){塞一樣一直保持密封狀態(tài)，其只能起到臨時(shí)密封水泥漿的作用。為了盡可能的保障止?jié){塞的密封性，應(yīng)加大止?jié){塞中吸水樹(shù)脂的用量，使得吸水樹(shù)脂處于欠飽和狀態(tài)，吸水樹(shù)脂的吸水飽和度應(yīng)在80%以下，此時(shí)樹(shù)脂的失水速率將會(huì)相應(yīng)減緩。

圖2 吸水樹(shù)脂的保水率曲線Fig.2 Curves of water holding capacity of absorbent resin

4 吸水樹(shù)脂對(duì)水泥漿凝結(jié)效果及抗壓強(qiáng)度的影響

4.1 吸水樹(shù)脂對(duì)水泥漿凝結(jié)效果的影響

為測(cè)試在吸水樹(shù)脂影響下的水泥漿性能的改變，調(diào)配不同水灰比的水泥漿進(jìn)行吸水實(shí)驗(yàn)，水灰比為1∶1、1∶1.2、1∶1.5 3 種比例，水泥漿裝在1 個(gè)直徑為90 mm 的塑料管中，水泥管高1 000 mm，將攪拌好的水泥漿倒入管內(nèi)，水泥漿的高度為900 mm，將裝有吸水樹(shù)脂的布袋置于水泥漿上進(jìn)行接觸，在5、10、20 min 3 個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，觀測(cè)與吸水樹(shù)脂接觸的水泥漿變化情況，觀察發(fā)現(xiàn)吸水樹(shù)脂與水泥漿接觸面上泥漿迅速失水，形成1 層干水泥隔層，阻止水泥中的水分繼續(xù)向吸水樹(shù)脂移動(dòng)，使得吸水速率變慢。

水灰比1∶1 漿液中，吸水2 min 后，干水泥隔層厚2 mm，吸水5 min 后，干水泥隔層厚4.5 mm，吸水10 min 后，干水泥隔層厚度為7 mm，吸水20 min后，干水泥隔層厚度為10 mm，吸水30 min 后，干水泥隔層厚度為12 mm。

水灰比1∶1.2 漿液中，吸水2 min 后，干水泥隔層厚度為4.5 mm，吸水5 min 后，干水泥隔層厚度為6.5 mm，吸水10 min 后，干水泥隔層厚8 mm，吸水20 min 后，干水泥隔層厚11 mm，吸水30 min后，干水泥隔層厚度為13 mm。

水灰比1∶1.5 漿液中，吸水2 min 后，干水泥隔層厚度為6 mm，吸水5 min 后，干水泥隔層厚度為8 mm，吸水10 min 后，干水泥隔層厚度為10 mm，吸水20 min 后，干水泥隔層厚13 mm，吸水30 min后，干水泥隔層厚度為15 mm。

由實(shí)驗(yàn)可知，水泥漿的水灰比越大，與吸水樹(shù)脂接觸的干水泥隔層形成速度越慢，但干水泥隔層的厚度在12～15 mm 之間，干水泥隔層的存在，阻礙了水分向吸水樹(shù)脂的轉(zhuǎn)移。

4.2 吸水樹(shù)脂對(duì)水泥抗壓強(qiáng)度的影響

為驗(yàn)證吸水樹(shù)脂對(duì)水泥強(qiáng)度的影響，設(shè)計(jì)了不同水灰比情況下與吸水樹(shù)脂接觸的水泥試件的3 d抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，由于干水泥隔層厚度較小，單獨(dú)制成標(biāo)準(zhǔn)的干水泥隔層壓力試件較為困難，因此將自然條件下與吸水樹(shù)脂接觸的水泥柱分割成5 份，根據(jù)距離吸水樹(shù)脂的遠(yuǎn)近，試件依次命名為：試件1～試件5，水泥試件直徑為90 mm，長(zhǎng)度為100 mm，利用水泥壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)，以（2 400±200）N/s 的速度，勻速的加載直至試件破壞。觀測(cè)距吸水樹(shù)脂不同距離的水泥試件的3 d 抗壓強(qiáng)度變化情況，因?yàn)闇y(cè)試所采用的試件尺寸并非標(biāo)準(zhǔn)尺寸，因此只做相對(duì)強(qiáng)度的對(duì)比分析，水泥試件3 d 抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 水泥試件3 d 抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)Table 3 Compressive strength of cement specimens in 3 days MPa

由表3 可以看出，無(wú)論水灰比為多少，試件1 的抗壓強(qiáng)度均小于其他試件，而試件2～試件5 的抗壓強(qiáng)度變化不大，因此說(shuō)明無(wú)論水泥的水灰比為多少，其抗壓強(qiáng)度受吸水樹(shù)脂的影響強(qiáng)度均較大，但影響范圍有限，遠(yuǎn)離吸水樹(shù)脂段的水泥抗壓強(qiáng)度不受影響。因此吸水樹(shù)脂作為鉆孔注漿的堵頭會(huì)降低與其接觸的水泥強(qiáng)度，但影響范圍在100 mm 左右。

5 結(jié) 論

1）吸水樹(shù)脂在不同液體介質(zhì)中的吸水倍率依次為：蒸餾水＞自來(lái)水＞生理鹽水＞普通水泥漿濾液＞膨脹水泥漿濾液。

2）在前5 min 內(nèi)生理鹽水的吸水速率最快，吸水5 min 后各種漿液的吸收倍率均已達(dá)到其極限吸水倍率的50%以上，在前10 min 內(nèi)蒸餾水吸水速率最快，吸水10 min 后，各種漿液的吸收倍率均已達(dá)到其極限吸水倍率的80%以上。

3）失水13 d 后，自來(lái)水保水率為77%，水泥漿保水率為74%。

4）水泥漿的水灰比越大，與吸水樹(shù)脂接觸的干水泥隔層形成速度越慢，干水泥隔層的厚度為12～15 mm 左右，干水泥隔層的存在，阻礙了水分向吸水樹(shù)脂的進(jìn)一步轉(zhuǎn)移。

5）吸水樹(shù)脂作為鉆孔注漿的堵頭會(huì)大幅降低與其接觸的水泥抗壓強(qiáng)度，影響范圍在100 mm 左右。