瓦斯抽采钻孔封孔注浆过程中高吸水树脂吸水性能实验研究

钱志良，韩 兵

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳110016；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

目前我国煤矿井下瓦斯抽采钻孔有3 种封孔方式[1-2]，即接触式、渗透式及组合式封孔，其中组合式封孔方式密封性最好，组合式封孔的密封效果与其止浆塞的材质密不可分，目前封孔止浆塞的材质主要有隔水胶囊[3]、透水囊袋、聚氨酯[4]等，这些材料共同的特点是在注浆前使止浆塞达到膨胀密封的效果，之后在止浆塞中部注浆，使得浆液渗透到钻孔周边的煤壁中，提高钻孔的密封性[5]。基于此，研究了1 种以高吸水树脂为材料的新型止浆塞，实现注浆与堵浆同时进行，注浆压力越大，止浆塞膨胀力越大，钻孔封堵严密，做到随堵随注、堵注结合。根据吸水树脂的特性，其在不同溶液下的吸水能力变化极大，为验证吸水树脂作为止浆塞的可能性及可靠性，需要对吸水树脂在不同浆液环境中的吸水膨胀性能进行实验，测定吸水树脂吸水率、保水率等参数，以此确定在封孔时所使用的吸水树脂的用量、加压强度及注浆时间等问题，同时吸水树脂在与水泥浆接触时，势必会导致水泥浆液性能的改变，影响水泥浆液的凝固后的强度。

1 高吸水树脂概述

高吸水树脂（简称SAP）是由亲水性基团和碳链构成的1 种具有三维交联网状结构的功能性高分子材料[6-7]，在纯净水中能够吸收成百上千倍自身质量的水，并且其在常温下，即使在受压状态下，也不会快速失水，具有一定的保水性。这使得高吸水树脂在医疗卫生、石油钻井、土壤保水、污水处理和矿业开采等领域中，得到了广泛的应用[8]。

高吸水树脂按照分子链官能团可以分为离子型与非离子型2 种，按照材料可以分为SAP 淀粉类、纤维素类、合成类3 种。淀粉类SAP 来源广泛、产量大、价格便宜、吸水率较高、能够生物降解、耐盐碱性差、易被水解。纤维素类SAP 耐盐性好、保水性强、抗霉解性强、吸水性差[9]。合成类SAP 价格低、吸水性好、耐盐性好。因此，选择合成类SAP 作为封堵材料进行实验。

2 实验材料及实验器材

实验材料：吸水树脂（宜兴市可信的化工有限公司，容积密度为0.6～0.9 g/cm3，吸收生理盐水的速度为（25 ℃，25 mL）≤60 s，吸水速率为＜60 s，保水率为≥85%，pH 值为6～7，挥发物含量为＜10%，）；普通硅酸盐水泥（晋城市水泥厂、42.5 号水泥）；膨胀水泥；布料；蒸馏水；自来水；生理盐水。

实验器材：烧杯、量筒、电子秤、秒表、搅拌机、模具、锯子、锯条、水泥实验压力机。

3 吸水树脂在不同介质中的吸水性能实验

3.1 吸水倍率测定

吸水倍率是吸水树脂性能的核心指标[10]，吸水倍率越高，膨胀率越高、止浆效果就越好。实验所采用的液体介质为蒸馏水、自来水、生理盐水、普通硅酸盐水泥浆滤液、膨胀水泥浆滤液。

吸水率的测定方法为：称取少量的吸水树脂（0.1～0.3 g），放入烧杯中，加入被测液体，搅拌均匀后，待树脂充分吸水后（放置12 h），取1 块60 目（250 μm）的纱布在水中进行浸泡，润湿后称取质量，用纱布将吸水树脂过滤出来，纱布表面液体不再外流时，称得纱布与树脂吸水后的总质量，则吸水树脂的吸液倍率计算如下：

式中：Q 为吸液倍率，g/g；ρ 为溶液密度，g/cm3；m1为湿润纱布质量，g；m2为吸水树脂干质量，g；M为纱布与吸水树脂吸水后总质量，g。

每种液体介质做3 组测试，取平均值，每组吸水树脂的质量为0.3 g 左右，实验温度为27 ℃，不同液体吸水树脂吸水倍率测试结果见表1。

表1 不同液体吸水树脂吸水倍率测试结果Table 1 Test results of water absorbency of different liquid absorbent resins

由表1 可知，吸水树脂在不同液体介质中的吸水倍率差别很大，吸水倍率最大的液体介质为蒸馏水最小的为膨胀水泥浆滤液。吸水倍率的差异是由液体介质中的离子种类及离子数量决定的，离子数量越多，吸水树脂内外渗透压越小，吸水倍率也就越小。吸水树脂在不同液体介质中的吸水倍率依次为：蒸馏水＞自来水＞生理盐水＞普通水泥浆滤液＞膨胀水泥浆滤液。

3.2 吸水速率测定

吸水树脂的吸水速率是吸水性能的基本指标之一[11]，吸水速率越快，膨胀时间越短，越有利于快速止浆。实验所采用的液体介质为蒸馏水、自来水、生理盐水、普通硅酸盐水泥浆滤液、膨胀水泥浆滤液。

首先选用透水性好的纱布袋作为载体，首先将纱布袋放入待测液体中，充分浸泡1 h 后取出，待表面液体不外流时，称取其质量。将各湿润的布袋中放入吸水树脂0.2 g 左右，量取1 000 mL 待测液体置于玻璃杯中，将布袋置于装有待测液体的玻璃杯中，并开始计时。

在刚开始的0～2 min 内每隔30 s 将纱布袋提起1 次，控水10 s 后，记录其质量。在3～6 min 内，每隔60 s 将纱布袋提起1 次，控水10 s 后，记录质量。在6～15 min 内，每隔3 min 将纱布袋提起1次，控水10 s 后记录质量。在15 min 后每隔5 min提起纱布袋1 次，待连续2 次测定质量差小于0.5 g时停止测量，按照上述方法对吸水树脂的吸水速率进行实验，不同液体介质中吸水树脂吸水速率测试统计结果见表2。

表2 不同液体介质中吸水树脂吸水速率测试统计结果Table 2 Statistical results of water absorption rate of absorbent resin in different liquid media

以每次测定的吸水树脂的质量为纵坐标，与其对应的时间为横坐标画图，将各测点连接，得到累计吸水质量变化曲线，其各点的斜率为该点的吸水速率。还有一种表示方式是按照在规定时间点上吸水倍率与极限吸水倍率的比值的大小来衡量吸水树脂的吸水速率的。吸水树脂吸水速率曲线图如图1。

图1 吸水树脂吸水速率曲线图Fig.1 Water absorption rate curves of absorbent resin

由图1 可知，吸水树脂吸水5 min 时，蒸馏水吸水倍率为670 g/g，达到了极限膨胀率的68.3%；自来水吸水倍率为660 g/g，达到了极限膨胀率的56.09%；生理盐水吸水倍率为57，达到了极限膨胀率的73.08%；普通水泥浆滤液吸水倍率为46 g/g，达到了极限膨胀率的70.77%；膨胀水泥浆滤液吸水倍率为42 g/g，达到了极限膨胀率的68.85%，按照树脂达到自身极限膨胀率的速度比较，生理盐水基液中在前5 min 中内吸水速率最快，吸水5 min 后，各种浆液中的吸收倍率均已达到其极限吸水倍率的50%以上。

吸水树脂吸水10 min 时，蒸馏水基液中树脂吸水倍率为930 g/g，达到了极限膨胀率的94.80%；自来水基液中树脂吸水倍率为410 g/g，达到了极限膨胀率的90.29%；生理盐水基液中树脂吸水倍率为67 g/g，达到了极限膨胀率的85.9%；普通水泥浆滤液基液中树脂吸水倍率为52 g/g，达到了极限膨胀率的80.00%；膨胀水泥浆滤液基液中树脂吸水倍率为49 g/g，达到了极限膨胀率的80.33%，按照达到浆液自身极限膨胀率的速度比较，蒸馏水在前10 min 中内吸水速率最快，吸水10 min 后，各种浆液的吸收倍率均已达到其极限吸水倍率的80%以上。

3.3 保水能力测定

将装有充分吸水后的吸水树脂放入玻璃杯中，使其在室温下失水每隔一段时间称重1 次,记为Wt，用失水率R 作为衡量保水能力的指标[12]。R 计算公式如下：

准确称取0.5 g 树脂置于1 000 mL 烧杯中，加入1 000 mL 待测液体，待树脂吸水饱和后，用60 目网筛将游离的水滤去，并在筛网上静置10 min，然后称取凝胶500 g，置于常温常压下，于不同时间称重，实验选用自来水和水泥浆2 种浆液进行对比，吸水树脂的保水率曲线如图2，保水率实验进行13 d后，自来水保水率为77%，水泥浆保水率为74%，自来水略高于水泥浆，2 种浆液在前5 d 失水均较快，保水率分别为85%、83%。

由实验可以看出，吸水树脂随着时间的推移，将不断丢失水分，其不能像其他止浆塞一样一直保持密封状态，其只能起到临时密封水泥浆的作用。为了尽可能的保障止浆塞的密封性，应加大止浆塞中吸水树脂的用量，使得吸水树脂处于欠饱和状态，吸水树脂的吸水饱和度应在80%以下，此时树脂的失水速率将会相应减缓。

图2 吸水树脂的保水率曲线Fig.2 Curves of water holding capacity of absorbent resin

4 吸水树脂对水泥浆凝结效果及抗压强度的影响

4.1 吸水树脂对水泥浆凝结效果的影响

为测试在吸水树脂影响下的水泥浆性能的改变，调配不同水灰比的水泥浆进行吸水实验，水灰比为1∶1、1∶1.2、1∶1.5 3 种比例，水泥浆装在1 个直径为90 mm 的塑料管中，水泥管高1 000 mm，将搅拌好的水泥浆倒入管内，水泥浆的高度为900 mm，将装有吸水树脂的布袋置于水泥浆上进行接触，在5、10、20 min 3 个时间节点，观测与吸水树脂接触的水泥浆变化情况，观察发现吸水树脂与水泥浆接触面上泥浆迅速失水，形成1 层干水泥隔层，阻止水泥中的水分继续向吸水树脂移动，使得吸水速率变慢。

水灰比1∶1 浆液中，吸水2 min 后，干水泥隔层厚2 mm，吸水5 min 后，干水泥隔层厚4.5 mm，吸水10 min 后，干水泥隔层厚度为7 mm，吸水20 min后，干水泥隔层厚度为10 mm，吸水30 min 后，干水泥隔层厚度为12 mm。

水灰比1∶1.2 浆液中，吸水2 min 后，干水泥隔层厚度为4.5 mm，吸水5 min 后，干水泥隔层厚度为6.5 mm，吸水10 min 后，干水泥隔层厚8 mm，吸水20 min 后，干水泥隔层厚11 mm，吸水30 min后，干水泥隔层厚度为13 mm。

水灰比1∶1.5 浆液中，吸水2 min 后，干水泥隔层厚度为6 mm，吸水5 min 后，干水泥隔层厚度为8 mm，吸水10 min 后，干水泥隔层厚度为10 mm，吸水20 min 后，干水泥隔层厚13 mm，吸水30 min后，干水泥隔层厚度为15 mm。

由实验可知，水泥浆的水灰比越大，与吸水树脂接触的干水泥隔层形成速度越慢，但干水泥隔层的厚度在12～15 mm 之间，干水泥隔层的存在，阻碍了水分向吸水树脂的转移。

4.2 吸水树脂对水泥抗压强度的影响

为验证吸水树脂对水泥强度的影响，设计了不同水灰比情况下与吸水树脂接触的水泥试件的3 d抗压强度实验，由于干水泥隔层厚度较小，单独制成标准的干水泥隔层压力试件较为困难，因此将自然条件下与吸水树脂接触的水泥柱分割成5 份，根据距离吸水树脂的远近，试件依次命名为：试件1～试件5，水泥试件直径为90 mm，长度为100 mm，利用水泥压力实验机，以（2 400±200）N/s 的速度，匀速的加载直至试件破坏。观测距吸水树脂不同距离的水泥试件的3 d 抗压强度变化情况，因为测试所采用的试件尺寸并非标准尺寸，因此只做相对强度的对比分析，水泥试件3 d 抗压强度统计见表3。

表3 水泥试件3 d 抗压强度统计Table 3 Compressive strength of cement specimens in 3 days MPa

由表3 可以看出，无论水灰比为多少，试件1 的抗压强度均小于其他试件，而试件2～试件5 的抗压强度变化不大，因此说明无论水泥的水灰比为多少，其抗压强度受吸水树脂的影响强度均较大，但影响范围有限，远离吸水树脂段的水泥抗压强度不受影响。因此吸水树脂作为钻孔注浆的堵头会降低与其接触的水泥强度，但影响范围在100 mm 左右。

5 结 论

1）吸水树脂在不同液体介质中的吸水倍率依次为：蒸馏水＞自来水＞生理盐水＞普通水泥浆滤液＞膨胀水泥浆滤液。

2）在前5 min 内生理盐水的吸水速率最快，吸水5 min 后各种浆液的吸收倍率均已达到其极限吸水倍率的50%以上，在前10 min 内蒸馏水吸水速率最快，吸水10 min 后，各种浆液的吸收倍率均已达到其极限吸水倍率的80%以上。

3）失水13 d 后，自来水保水率为77%，水泥浆保水率为74%。

4）水泥浆的水灰比越大，与吸水树脂接触的干水泥隔层形成速度越慢，干水泥隔层的厚度为12～15 mm 左右，干水泥隔层的存在，阻碍了水分向吸水树脂的进一步转移。

5）吸水树脂作为钻孔注浆的堵头会大幅降低与其接触的水泥抗压强度，影响范围在100 mm 左右。