阅读说明：本技术 水滑石激发粉煤灰早强型矿用封孔材料 (Hydrotalcite-excited coal ash early-strength mining hole sealing material ) 是由 吉小利 刘健 唐田甜 马梦晓 钱亮 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种水滑石激发粉煤灰早强型矿用封孔材料,该封孔材料以重量份计,包含以下组分：水滑石类早强组分10-50份、有机物类早强组分1-6份、减水组分1-8份、粉煤灰组分150-200份、水泥熟料700-1000份、水300-500份。所述的早强型矿用封孔材料的制备工艺为：按配比将各组分混合,搅拌均匀后即得到产品。本发明封孔材料早强效果突出,1天抗压强度16.71MPa,3天抗压强度25.10MPa,流动度大于200mm,凝结时间小于500min,在提高封孔材料早期强度的情况不影响其工作性能,完全满足矿井瓦斯抽采和深孔爆破的使用要求,对于深孔爆破技术能缩短等待时间,更能满足安全可靠的需求。且该封孔材料可以在井下现场配制应用,方便快捷,无毒无污染。(The invention discloses a hydrotalcite-excited coal ash early-strength mine hole sealing material which comprises the following components in parts by weight: 10-50 parts of hydrotalcite early strength component, 1-6 parts of organic matter early strength component, 1-8 parts of water reducing component, 150 parts of fly ash component, 1000 parts of cement clinker and 500 parts of water. The preparation process of the early-strength mining hole sealing material comprises the following steps: the components are mixed according to the proportion and stirred evenly to obtain the product. The hole sealing material has an outstanding early strength effect, the 1-day compressive strength is 16.71MPa, the 3-day compressive strength is 25.10MPa, the fluidity is greater than 200mm, the setting time is less than 500min, the working performance of the hole sealing material is not influenced under the condition of improving the early strength of the hole sealing material, the use requirements of mine gas extraction and deep hole blasting are completely met, the waiting time can be shortened for the deep hole blasting technology, and the requirements of safety and reliability can be better met. And the hole sealing material can be prepared and applied in the underground field, is convenient and quick, and is non-toxic and pollution-free.)

水滑石激发粉煤灰早强型矿用封孔材料

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯抽采钻孔封孔材料技术领域，尤其涉及一种水滑石激发粉煤灰早强型矿用封孔材料。

背景技术

煤炭是我国主要的能源，然而在开采的过程中常常伴随着各种灾害事故的发生，瓦斯突出是最突出的问题，严重制约着煤矿的安全开采。钻孔抽采是煤矿瓦斯治理的基础手段，这种技术打好钻孔后需要对钻孔进行密封，封孔材料的封孔效果尤为重要，严重影响瓦斯抽放效果。

目前煤层瓦斯压力的测定、抽采钻孔的直接封孔技术有采用有机材料或无机材料进行封堵，包括粘土人工封堵、机械注水砂浆封孔、发泡聚合材料封孔。其中粘土封孔方法封孔长度较短，且黄泥遇水会***，强度无法达到封孔的要求；机械注水砂浆封孔水泥凝结速度较慢、体积自收缩大、析水现象严重，且煤矿环境复杂，开采深度日益加深，水泥基封孔材料会因井下高温、高湿、高腐蚀性的环境而导致早期强度远不能达到煤层增透与瓦斯抽采所需的要求。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种水滑石激发粉煤灰早强型矿用封孔材料，使其能大幅提高封孔材料早期强度，以解决目前封孔材料早期强度无法达到使用要求、凝结时间长、封孔长度不易控制、成本高等的问题，提高封孔效率与成功率；由于配制工艺简洁，操作简单方便，本发明也解决了现场无法直接配料的问题；且选材价格低廉、无毒、环保、无污染。

根据本发明实施例的一种水滑石激发粉煤灰早强型矿用封孔材料，该封孔材料的组分包括水滑石类早强组分、有机物早强组分、减水组分、粉煤灰，其余组分为水泥。

优选的，以重量份计，包括以下组分：

水滑石类早强组分10-50份、有机物类早强组分1-6份、减水组分1-8份、粉煤灰组分150-200份、水泥熟料700-1000份、水300-500份。

优选的，所述有机物早强组分由三乙醇胺、三异丙醇胺、丙三醇中的一种或多种。

优选的，所述减水组分为萘磺酸系、聚羧酸系和三聚氰胺系高效减水剂的一种或多种。

优选的，所述水滑石为钙铝水滑石。

优选的，所述钙铝水滑石包括氯化铝、氯化钙、氢氧化钠。

优选地，所述氯化钙、氯化铝、氢氧化钠的物质的量比为2:1:7。

优选的，所述钙铝水滑石的制备方法为：

S1：将氯化钙、氯化铝溶解于乙醇-水溶液，得到溶液A；

S2：将氢氧化钠粉末溶解于乙醇-水溶液，得到溶液B；

S3：将所述溶液A和溶液B混合，并加入到以聚四氟乙烯为内衬的不锈钢高压釜中，在70℃-80℃环境下静置20-30h，过滤、洗涤、干燥、磨细制成。

优选地，所述乙醇水溶液中乙醇和水的体积比为1:4，所述溶液A中氯化钙、氯化铝和乙醇-水溶液的质量体积比为70-80mg:40-50mg:1ml，所述溶液B中氢氧化钠与乙醇-水溶液的质量体积比为90-95mg:1ml。

本发明提出的水滑石激发粉煤灰早强型矿用封孔材料，使用时将各组分按配比混合，搅拌分散均匀后即可得成品。

本发明提出的水滑石激发粉煤灰早强型矿用封孔材料，既可以用于煤矿瓦斯或深孔***中对钻孔进行密封，也可用于其他相关孔隙封堵。

作用机理：

粉煤灰大都呈封闭结实的球形，且内表面积和单分子吸附水小，使水泥的和易性好、干缩性小，具有抗拉强度高，抗裂性能好的特点；水滑石的碱性能够促进粉煤灰发生解聚释放出活性成分SiO₂和Al₂O₃，与Ca(OH)₂反应生成溶解度较小的水化硅酸钙，使Ca²⁺和OH^-更容易从由早期生成的水化产物形成的保护膜中释放到液体中，提高了熟料中硅酸二钙、硅酸三钙的分解速率，促进了钙矾石晶体的生长，加快了水化反应进程，极大程度的提高了水泥基注浆材料的早期强度；水滑石和粉煤灰能填充在水泥网状结构中的孔隙中，增加了水泥结构的密实度，也有利于提高水泥基注浆材料的早期强度；早期强度的提升有利于提高封孔材料对钻孔的支护效果；本发明材料的所有组成材料都来源于市售材料，来源广泛，价格低廉，环保无污染，降低生产成本，达到了本发明的目的。

有益效果

本发明采用钙铝水滑石由氯化铝、氯化钙、氢氧化钠按摩尔质量比2:1:7配合、混匀，在70℃-80℃环境下静置20-30小时，过滤、洗涤、干燥、磨细制成。其中采用氯化铝和氯化钙是由于其作为氯盐能够与粉煤灰发生反应形成水化氯铝酸盐，且其中氯化钙能够给粉煤灰补钙，提高粉煤灰中钙硅比；采用氢氧化钠是由于其为强碱，而粉煤灰主要化学成分是酸性氧化物，呈弱酸性，在碱性环境中(在OH^-的作用下)，粉煤灰颗粒表面的Si—O和Al—O键断裂，粉煤灰坚硬致密的玻璃体结构和表面被破坏，硅氧和硅氧铝网络结构被破坏，从而激发粉煤灰活性。

本发明早强效果突出，1天抗压强度16.71MPa，3天抗压强度25.10MPa，流动度大于200mm，凝结时间小于500min，较好地满足在提高封孔材料早期强度的情况不影响其工作性能的要求，完全满足矿井瓦斯抽采和深孔***的使用要求。

本发明材料具有良好的泵送性能，不延长凝结时间(凝结时间小于500min)，并且由于材料易得、运送方便、配制简单，可以在井下现场配置应用，方便快捷，无毒无污染。

附图说明

图1为本发明提出的Ca-Al-Cl LDHs XRD图谱；

图2为本发明提出的Ca-Al-Cl LDHs SEM图；

图3为本发明提出的水滑石激发粉煤灰水泥矿用封孔材料水化1天XRD图；

图4为本发明提出的水滑石激发粉煤灰水泥矿用封孔材料水化1天SEM图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

一种水滑石激发粉煤灰早强型矿用封孔材料，按质量分数计，包括钙铝水滑石1％、三异丙醇胺0.05％、三乙醇胺0.05％，萘磺酸系高效减水剂0.1％，粉煤灰15％，钙铝水滑石由氯化铝、氯化钙、氢氧化钠按物质的量比为2:1:7配合，其制备方法为：

S1：将氯化钙、氯化铝溶解于乙醇-水溶液，得到溶液A；

S2：将氢氧化钠粉末溶解于乙醇-水溶液，得到溶液B；

S3：将所述溶液A和溶液B混合，并加入到以聚四氟乙烯为内衬的不锈钢高压釜中，在75℃环境下静置25h，过滤、洗涤、干燥、磨细制成。

乙醇水溶液中乙醇和水的体积比为1:4，所述溶液A中氯化钙、氯化铝和乙醇-水溶液的质量体积比为72mg:43mg:1ml，所述溶液B中氢氧化钠与乙醇-水溶液的质量体积比为92mg:1ml。

将上述材料混合，搅拌均匀备用，使用时将制备好的材料与水泥搅拌成料浆。

对本实施例制备的水滑石进行测定，其中图1是本发明制备样品的X射线衍射图，可以观察到出现了晶面[002]、[004]、[020]的三个特征峰，与粉末衍射标准联合委员会的JCPDS78-1219中一致，从而表明本发明所合成的样品为Ca-Al-ClLDHs。图2为Ca-Al-ClLDHs的SEM图，从图中可以清晰观察到为独特的假六方板状、结构为双层，且有较大的比表面积和大量孔道，这些特性决定其可以用作催化剂的载体或催化剂的活性组分，激发物质活性。

此外，还针对本申请制备的复合材料的性能进行测定，由图3的封孔材料水化1天的XRD图可以看出，在18(2θ)附近出现了钙矾石的衍射峰最高峰；30(2θ)附近出现了CH的衍射峰最高峰，34(2θ)附近CH衍射峰强度下降明显；33(2θ)附近C2S、C3S衍射峰达到最高。

由图4的封孔材料水化1天的SEM图中可以看出，水滑石激发粉煤灰水泥矿用封孔材料微观结构排列紧密，几乎没有孔隙，其表面有很多细小的颗粒，这些为掺入的未反应的粉煤灰颗粒，且观察到少量的片状CH晶体的以及AFt晶体。

实施例2

一种水滑石激发粉煤灰早强型矿用封孔材料，按质量分数计，包括钙铝水滑石2％、丙三醇0.2％，萘磺酸系高效减水剂0.1％，聚羧酸系高效减水剂0.1％，粉煤灰16％，钙铝水滑石由氯化铝、氯化钙、氢氧化钠按物质的量比为2:1:7配合，其制备方法为：

S1：将氯化钙、氯化铝溶解于乙醇-水溶液，得到溶液A；

S2：将氢氧化钠粉末溶解于乙醇-水溶液，得到溶液B；

S3：将所述溶液A和溶液B混合，并加入到以聚四氟乙烯为内衬的不锈钢高压釜中，在70℃环境下静置20h，过滤、洗涤、干燥、磨细制成。

乙醇水溶液中乙醇和水的体积比为1:4，所述溶液A中氯化钙、氯化铝和乙醇-水溶液的质量体积比为70mg:40mg:1ml，所述溶液B中氢氧化钠与乙醇-水溶液的质量体积比为90mg:1ml。

将上述材料混合，搅拌均匀备用，使用时将制备好的材料与水泥搅拌成料浆。

实施例3

一种水滑石激发粉煤灰早强型矿用封孔材料，按质量分数计，包括钙铝水滑石3％、三乙醇胺0.3％，三聚氰胺系高效减水剂0.3％，粉煤灰17％，钙铝水滑石由氯化铝、氯化钙、氢氧化钠按物质的量比为2:1:7配合，其制备方法为：

S1：将氯化钙、氯化铝溶解于乙醇-水溶液，得到溶液A；

S2：将氢氧化钠粉末溶解于乙醇-水溶液，得到溶液B；

S3：将所述溶液A和溶液B混合，并加入到以聚四氟乙烯为内衬的不锈钢高压釜中，在80℃环境下静置30h，过滤、洗涤、干燥、磨细制成。

乙醇水溶液中乙醇和水的体积比为1:4，所述溶液A中氯化钙、氯化铝和乙醇-水溶液的质量体积比为80mg:50mg:1ml，所述溶液B中氢氧化钠与乙醇-水溶液的质量体积比为95mg:1ml。

将上述材料混合，搅拌均匀备用，使用时将制备好的材料与水泥搅拌成料浆。

实施例4

一种水滑石激发粉煤灰早强型矿用封孔材料，按质量分数计，包括钙铝水滑石4％、三异丙醇胺0.4％，三聚氰胺系高效减水剂0.5％，粉煤灰18％，钙铝水滑石由氯化铝、氯化钙、氢氧化钠按物质的量比为2:1:7配合，其制备方法为：

S1：将氯化钙、氯化铝溶解于乙醇-水溶液，得到溶液A；

S2：将氢氧化钠粉末溶解于乙醇-水溶液，得到溶液B；

S3：将所述溶液A和溶液B混合，并加入到以聚四氟乙烯为内衬的不锈钢高压釜中，在75℃环境下静置20h，过滤、洗涤、干燥、磨细制成。

乙醇水溶液中乙醇和水的体积比为1:4，所述溶液A中氯化钙、氯化铝和乙醇-水溶液的质量体积比为70mg:50mg:1ml，所述溶液B中氢氧化钠与乙醇-水溶液的质量体积比为90mg:1ml。

将上述材料混合，搅拌均匀备用，使用时将制备好的材料与水泥搅拌成料浆。

实施例5

一种水滑石激发粉煤灰早强型矿用封孔材料，按质量分数计，包括钙铝水滑石5％、三乙醇胺0.6％，聚羧酸系高效减水剂0.8％，粉煤灰20％，钙铝水滑石由氯化铝、氯化钙、氢氧化钠按物质的量比为2:1:7配合，其制备方法为：

S1：将氯化钙、氯化铝溶解于乙醇-水溶液，得到溶液A；

S2：将氢氧化钠粉末溶解于乙醇-水溶液，得到溶液B；

S3：将所述溶液A和溶液B混合，并加入到以聚四氟乙烯为内衬的不锈钢高压釜中，在80℃环境下静置20h，过滤、洗涤、干燥、磨细制成。

乙醇水溶液中乙醇和水的体积比为1:4，所述溶液A中氯化钙、氯化铝和乙醇-水溶液的质量体积比为78mg:46mg:1ml，所述溶液B中氢氧化钠与乙醇-水溶液的质量体积比为95mg:1ml。

将上述材料混合，搅拌均匀备用，使用时将制备好的材料与水泥搅拌成料浆。

对比例1

水：40％，其他各组分掺量如表1所示，且实验结果在表1中列出。

其中抗压强度按照《GB/T 50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测定。

表1封孔材料性能实验结果

由表1可知，随着早强组分与减水组分的加入，封孔材料的1d强度逐渐增加，早强剂发挥早强效果。

对比例2

基准组只含有40％的水，对照组为：水：40％，TEA:0.03％，NaCl:5％，实验组为：水:40％，粉煤灰：20％，三乙醇胺：0.04％，聚羧酸系高效：0.1％，水滑石：2％。将上述物质混合，搅拌均匀后即可使用，使用时，将制备好的材料与硅酸盐水泥搅拌成浆料。实验结果如表2所示。

其中：

抗压强度按照《GB/T 50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测定；

流动度按照《GB/T2419-2005水泥胶砂流动度测定方法》进行测定；

凝结时间按照《GB/T 50080-2016普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测定，具体方法为：

初凝时间的测定——此次使用的仪器为维卡仪。测定之前先将初凝试针安装在滑动杆的下方，试针不能弯曲且保持竖直。测定时将试针下降至水泥表面开始接触，在拧紧螺丝1-2s后放松让试针缓缓降落直至不能降低，同时记录下每次试针与底板之间的距离值。然后每间隔5min后重复之前操作一直进行到试针与底板的距离在3—5mm之间时，水泥开始***即初凝状态。从水泥加水的那一刻开始算起直到初凝状态经过的总时间为初凝时间。

终凝时间的测定——完成初凝时间测定后立即将试针换成终凝试针，在试针下方添加一个环形附件用来观察试针在水泥中的沉入状态。同时将模具立即将模具反方向放在养护箱中继续养护。测试间隔时间由5min延长到15min，当水泥开始完全***表现为环形附近在试块表面不能留下印记即表明达到终凝状态。从水泥加水那一刻直到终凝经过的总时间为终凝时间。

表2封孔材料性能实验结果

由表2可知，实验组的凝结时间比基准组有所缩短，能够较快凝结，流动度比基准组、对照组均有提高，1d的抗压强度较基准组、对照组分别提升了156.1％、131.2％；3d分别提升了26.6％、13.1％；7d提升比例为24.0％、14.2％。强度、流动度与凝结时间均能满足封孔材料的性能要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。