本發(fā)明涉及一種礦用封孔材料，特別涉及一種適用于頁巖氣和煤礦瓦斯抽采鉆孔封孔的硫鋁酸鈣礦物（3CaO·3Al2O3·CaSO4）改性水泥基早強(qiáng)耐久膨脹延遲型封孔材料及其應(yīng)用方法，屬于礦山開采技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)外在采礦封孔方面主要采用的密封材料有聚氨酯類發(fā)泡材料和普通水泥沙漿兩大類。聚氨酯材料屬于化學(xué)類灌漿材料，其操作流程簡單，封孔速度快，膨脹倍率高，對煤體裂隙有一定的封堵作用而受到歡迎。但聚氨酯產(chǎn)品的膨脹效果易受溫度、水分、配合比例等一系列的原因的影響，封孔長度達(dá)不到理想的密封狀態(tài)，造成密封成本高。且該類材料易燃，有一定毒性，存在安全隱患。采用水泥砂漿封孔，材料成本低、操作方便、速度快、封孔深度較長，而且注漿對孔周圍巖體的裂隙也有一定的封堵作用，封孔嚴(yán)密，效果較好?，F(xiàn)在普遍應(yīng)用的水泥砂漿雖然加入了水泥膨脹劑，但在水泥水化凝結(jié)過程中仍有一定程度的收縮，特別是當(dāng)鉆孔角度較小時易在孔內(nèi)上部形成‘月牙’型空隙，從而降低封孔質(zhì)量和對對周圍巖體裂隙的封堵作用。膨脹劑使用不當(dāng)還會造成水泥凝結(jié)快，灌漿困難，漿體在膨脹過程中開裂等問題。
近年來，關(guān)于水泥膨脹劑的選取與應(yīng)用有較多研究。諸如，向硅酸鹽水泥中摻加一定比例的硫鋁酸鹽水泥，根據(jù)目前的研究成果，這種復(fù)合水泥中硫鋁酸鹽水泥的含量一般不宜超過10%，否則凝結(jié)時間太短，水泥水化后期漿體會發(fā)生開裂或強(qiáng)度降低；向硅酸鹽水泥中摻加一定比例的生石灰和石膏，水化過程發(fā)熱導(dǎo)致水泥水化加速，凝結(jié)時間縮短，使水泥漿體硬化與發(fā)氣不協(xié)調(diào)；制備鋁粉微膠囊以延緩鋁粉發(fā)氣，使水泥達(dá)到一定強(qiáng)度后發(fā)生膨脹，希望材料強(qiáng)度與膨脹協(xié)調(diào)發(fā)展。為了保證水泥材料的強(qiáng)度需要加入約10%的水性環(huán)氧樹脂，使該材料的成本大幅度提高。且鋁粉發(fā)氣滯后，與水泥的凝結(jié)時間不易匹配，給實際施工帶來困難。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明利用硫鋁酸鈣礦物的高膠凝性能，將該單礦物按一定比例摻入硅酸鹽水泥中，達(dá)到提高水泥的早期強(qiáng)度且補(bǔ)償漿體水化收縮性能的目的。本發(fā)明提供一種包覆技術(shù)延緩并控制硫鋁酸鈣的水化，以獲得凝結(jié)時間可控，易施工，早期強(qiáng)度高，膨脹持續(xù)時間長且耐久的封孔材料。
本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
一種硫鋁酸鈣礦物改性水泥基封孔材料組成體系的基本配比為：硫鋁酸鈣礦物3-30%，硅酸鹽水泥30-80%，石膏4-10%，礦渣5-30%，石灰石3-15%，膨潤土2-10%，工業(yè)鋁粉或鋁膏0.02-2.00%，高效減水劑0.5-2.0%，兩種或兩種以上樹脂類高分子材料2-20%。
其制備步驟如下：
（1）將石膏，礦渣，石灰石，所選用的樹脂以及硫鋁酸鈣單礦物分別粉磨至0.08mm方孔篩篩余小于10%且分別單倉貯存，硅酸鹽水泥單獨(dú)貯存；
（2）將硫鋁酸鈣與2-20%的所選樹脂混合粉磨20~60min，制得包覆硫鋁酸鈣單礦物；
（3）將3-30%的樹脂包覆硫鋁酸鈣單礦物與硅酸鹽水泥30-80%，石膏4-10%，礦渣5-30%，石灰石3-15%，膨潤土2-10%，工業(yè)鋁粉或鋁膏0.02-2.00%，萘系減水劑或三聚氰胺減水劑0.5-2.0%混合粉磨15~40min，裝袋密封，制得硫鋁酸鈣礦物改性水泥基封孔材料（所選用減水劑若為液體，可在施工前按0.5-2.0%比例加入水中）。
所述的高效減水劑為：聚羧酸鹽減水劑，氨基磺酸鹽減水劑，萘系減水劑，三聚氰胺減水劑。
所述的樹脂類高分子材料為：酚醛樹脂，丙烯酸樹脂，乳膠粉，羧甲基纖維素，聚丙烯酰胺，糊精。
一種硫鋁酸鈣礦物改性水泥基封孔材料，其應(yīng)用方法如下：
將所述封孔材料，采用水/灰比0.5-0.7，攪拌3-10min后即可泵送注入所要密封的孔中，漿體的初凝時間30-90min，終凝時間70-150min；膨脹倍率10-30%，3天抗壓強(qiáng)度15-30MPa，28天30-45 MPa。鋁粉發(fā)氣完成后，隨著硫鋁酸鹽礦物的水化，硬化漿體中可繼續(xù)形成較多的AFt和鋁膠，賦予材料較高的早期強(qiáng)度，補(bǔ)償硅酸鹽相的水化收縮并可達(dá)到微膨脹。
本發(fā)明采用分別粉磨技術(shù)，在硫鋁酸鈣礦物與樹脂共同粉磨的過程中，微細(xì)的樹脂顆粒通過吸附作用附著在硫鋁酸鈣顆粒表面，起到一定包覆作用。由于采用的是單礦物包覆，可有效降低樹脂用量并提高包覆效率。施工過程密封料與水接觸后，包裹在硫鋁酸鈣顆粒表面的樹脂與水作用形成交織狀包覆膜。由于包覆膜對硫鋁酸鈣顆粒的隔離作用，延緩了該礦物的水化，針狀礦物AFt的形成量得到有效緩釋控制，在提高水泥早期強(qiáng)度的同時賦予密封材料在封孔中持續(xù)微膨脹。一般的密封材料，鋁粉發(fā)氣完成后膨脹即基本結(jié)束。該硫鋁酸鈣礦物改性水泥基封孔材料，隨著水泥水化過程的延續(xù)，包覆膜被緩慢破壞，硫鋁酸鈣礦物得以緩釋水化，硬化漿體中形成的AFt和鋁膠持續(xù)增加，為材料提供了較高的早期強(qiáng)度并補(bǔ)償了硅酸鹽相的水化收縮，使得該封孔材料能夠持續(xù)耐久使用。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例來說明本發(fā)明的實質(zhì)。有必要在此指出的是：這些實施例僅用于證實本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。
實施例1
（1）一種硫鋁酸鈣礦物改性水泥基封孔材料的制備
①將石膏，礦渣，石灰石，所選用的樹脂以及硫鋁酸鈣分別粉磨至0.08mm方孔篩篩余小于10%且分別單倉貯存，硅酸鹽水泥單獨(dú)貯存；
②將磨細(xì)的硫鋁酸鈣與兩種或兩種以上的樹脂類高分子材料（酚醛樹脂，丙烯酸樹脂，乳膠粉，羧甲基纖維素，聚丙烯酰胺，糊精）共8%混合粉磨30min，制得包覆硫鋁酸鈣單礦物；
③將15%的樹脂包覆硫鋁酸鈣單礦物與55%硅酸鹽水泥，7%石膏，13.8%礦渣，5%石灰石，3%膨潤土，0.2%工業(yè)鋁粉，1.0%萘系減水劑混合25min，裝袋密封，制得硫鋁酸鈣礦物改性水泥基封孔材料。
（2）一種硫鋁酸鈣礦物改性水泥基封孔材料的應(yīng)用方法
將上述（1）制得的封孔料與60%水混合，攪拌均勻（即可泵送注入所要密封的孔中），標(biāo)準(zhǔn)條件下測試漿體的初凝時間(h:min)：1:10；終凝時間(h:min)：1:28；膨脹倍率24%；標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)，3天和28天齡期強(qiáng)度分別為：19.2MPa和43.3 MPa。
（3）山西某煤礦對“一種硫鋁酸鈣礦物改性水泥基封孔材料”的井下應(yīng)用試驗
選擇井下長8m孔徑94mm的鉆孔一組（3個），計算出所需漿體量。將上述（1）制得的封孔料與60%水在混料桶中混合并攪拌均勻，用注漿泵注入鉆孔中（孔兩端用聚氨酯材料封堵）并保壓至2 MPa，停止注漿，定時觀察測量瓦斯抽采濃度。結(jié)果顯示，該密封材料密封效果良好，15d的平均抽采濃度為78.1%；30d為74.7%；60d為64.6%。說明該密封材料不僅密封效果好，而且具有良好的穩(wěn)定性與持續(xù)性。
實施例2
（1）一種硫鋁酸鈣礦物改性水泥基封孔材料的制備
①將磨細(xì)的硫鋁酸鈣與兩種或兩種以上的樹脂類高分子材料（酚醛樹脂，丙烯酸樹脂，乳膠粉，羧甲基纖維素，聚丙烯酰胺，糊精）共7%混合粉磨30min，制得包覆硫鋁酸鈣單礦物；
②將18%的樹脂包覆硫鋁酸鈣單礦物與55%硅酸鹽水泥，8%石膏，9.7%礦渣，5%石灰石，3%膨潤土，0.3%工業(yè)鋁粉，1.0%三聚氰胺減水劑混合25min，裝袋密封，制得硫鋁酸鈣礦物改性水泥基封孔材料。
（2）一種硫鋁酸鈣礦物改性水泥基封孔材料的應(yīng)用方法
上述（1）制得的封孔料與60%水混合，攪拌均勻，標(biāo)準(zhǔn)條件下測試漿體的初凝時間(h:min)：1:03；終凝時間(h:min)：1:35；膨脹倍率26%；標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)，3天和28天齡期強(qiáng)度分別為：21.6MPa和45.9 MPa。
（3）山西某煤礦對“一種硫鋁酸鈣礦物改性水泥基封孔材料”的井下應(yīng)用試驗
選擇井下長8m孔徑94mm的鉆孔一組（3個），計算出所需漿體量。將上述（1）制得的封孔料與60%水在混料桶中混合并攪拌均勻，用注漿泵注入鉆孔中（孔兩端用聚氨酯材料封堵）并保壓至2 MPa，停止注漿，定時觀察測量瓦斯抽采濃度。結(jié)果顯示，該密封材料密封效果良好，15d的平均抽采濃度為79.2%；30d為76.1%；60d為65.5%。說明該密封材料不僅密封效果好，而且具有良好的穩(wěn)定性與持續(xù)性。