基于响应面法的煤矸石基柔性可流动封堵材料优化及多组分协同调控机制

《Process Safety and Environmental Protection》：Response surface-guided optimization of coal gangue-based flexible flowable sealing materials and multicomponent synergistic regulatory mechanism

　　

摘要 传统水泥基钻孔封孔材料在采动应力作用下容易产生水化收缩和脆性开裂，导致新裂隙不断形成，限制了矿井瓦斯的高效抽采。本研究通过固废资源化利用和多组分协同调控，开发了一种以煤矸石为基体的无机柔性流态封孔材料。建立了六因素Box-Behnken响应面模型，对浆体黏度和流动性进行优化，随后进行了流变学、力学、微观结构、环境性、耐久性、现场及经济性评估。二次模型显示出较高的预测能力，黏度和流动性的R2值分别为0.9808和0.9783。多目标优化得到的配合比为：固液比0.348，粉煤灰掺量21.353%，保水剂1.616%，硅烷偶联剂1.419%，NaOH 1.393%，CaSO? 2.802%。浆体平均黏度为1213.85 mPa·s，平均流动度为87.80 mm。验证试验中黏度和流动性的相对误差分别为2.74%和1.53%。优化后的浆体表现出剪切变稀行为，动态屈服应力为8.80 Pa，黏度恢复比率为75.37%；注浆煤样单轴抗压强度峰值达到17.56 MPa。微观结构分析表明，NaOH促进了煤矸石和粉煤灰中活性硅铝组分的溶解，而CaSO?诱导了钙矾石（AFt）的生成。水化产物包括C-S-H凝胶、AFt和Ca(OH)?，通过填充、包裹和桥接效应重建了孔隙结构。随着水化时间延长，Ca含量从7.02%增加到8.18%，微孔占比上升至41.5%，大孔占比下降至48.5%的百分点，表明形成了致密、稳定且低连通性的封孔结构。材料最大污染指数为0.008，其耐久性和抗降解性能均优于水泥。98天的现场监测表明，所开发的无机柔性封孔材料实现了73.4%的平均钻孔瓦斯抽采浓度，比传统水泥砂浆封孔高出13.7个百分点。研究成果为采动扰动条件下煤层瓦斯抽采钻孔的高效封孔提供了理论和技术支持。

引言 煤炭仍然是中国能源安全和经济社会发展的重要基石，在能源转型持续进行的背景下，煤炭继续支撑着供应稳定（Wang等，2022；Jia和Lin，2021；Lu等，2023；Li，2021）。然而，瓦斯灾害仍然是煤矿安全高效开采的主要障碍。在地应力、煤层瓦斯和煤体结构耦合效应驱动下，煤与瓦斯突出等动力灾害极易被诱发，对矿井安全构成持续威胁（Lu等，2025；Yang等，2024；Si等，2025）。因此，煤层瓦斯钻孔预抽采对于降低突出风险、防止瓦斯爆炸和实现瓦斯利用是必不可少的（Lin等，2022；Ren等，2017；Zheng等，2012；Chen等，2019）。然而，其有效性高度依赖于钻孔封孔质量，使得封孔材料的稳定性和长期适应性成为瓦斯持续高效抽采的关键。

煤矸石是煤炭开采和洗选过程中产生的主要固体废弃物之一。长期露天堆放不仅占用大量土地资源，还可能在风化、降水和氧化作用下引起扬尘、自燃和酸性气体排放，并促进潜在有害元素向周围土壤和水体迁移，从而在矿区造成持续的生态风险（Li等，2026；Zhang等，2025）。Li等（2024）报道，煤矸石中的潜在有害重金属在水力耦合条件下会发生持续浸出和迁移，表明长期存放或不当处置可能对周围土壤和地下水造成污染风险。Zhao等（2024）进一步研究表明，煤矸石堆积贡献了整体生态风险的36.4%。因此，煤矸石管理正逐渐从末端处置向源头减量和资源化利用转变。然而，原煤矸石通常具有相对稳定的晶体结构，本征反应活性有限。Snehasree等（2025）系统综述了原煤矸石和活化煤矸石的物理化学特性，表明其工程利用高度依赖于活化所引起矿物结构和反应活性的变化。适当的热激活和化学激发可以促进高岭土脱羟基化，破坏有序的Si-O-Al骨架，增加无序硅铝酸盐相的比例，从而增强碱性条件下活性Si和Al组分的溶解。此外，煅烧煤矸石与传统水泥和石灰稳定系统相比具有一定的环境优势（Snehasree等，2026）。在此基础上，煅烧煤矸石可以作为无机封孔体系的硅铝酸盐前驱体和颗粒骨架。通过粉煤灰、保水剂、硅烷偶联剂、碱激发剂和硫酸盐组分的协同调控，可以开发出一种无机柔性流态封孔材料，这不仅减少了传统胶凝原料的消耗，还为煤炭开采产生的固体废弃物高值化利用提供了一条可行途径。

目前，瓦斯抽采封孔主要采用水泥基、聚氨酯和高水材料（Dong等，2021）。虽然这些材料能够填充钻孔，但在封闭周围裂隙网络方面的有效性有限（Zare-Reisabadi等，2012）。后续的水化收缩与采动应力和多物理场耦合作用相结合，导致煤层内不断产生新裂隙。刚性凝固的封孔体无法适应或填充这些动态裂隙，导致漏风、钻孔瓦斯逸散和抽采浓度迅速下降。

为解决上述不足，相关研究在封孔材料中添加了特种功能试剂以提升性能。Li等（2023）研究了PC和SAC水泥的改性，分析了粉煤灰和纳米材料等添加剂对水泥基材料水化性能和强度的影响，实现了不同程度的改善。Zhai等（2011）通过在水泥中加入纤维和膨胀剂开发了一种新型水泥基孔封材料。Ni等（2024）研究了添加空心玻璃微珠的水泥材料的流动性和抗压强度，获得了一种具有优良力学性能轻质水泥基封孔材料。Xu等（2024）以普通硅酸盐水泥为基材，辅以粉煤灰、Na?SO?、Ca(OH)?和聚乙烯醇纤维，通过正交试验确定了改性材料的最优添加剂组成。Zhao等（2023）提出了常压注浆技术用于无机不凝固材料，所开发的无机堵漏材料在现场取得了优良的效果。Cheng等（2022）通过添加改性剂对传统配方进行改性，开发了一种新型无机不凝固堵漏材料，现场测试表明封孔性能显著提高。Hao等（2024）以羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素和羟乙基脲为基体，制备了一种新型柔性相变凝胶堵漏材料，具有初始黏度低和可调控交联时间等特点。Hong等（2023）开发了一种新型双组分瓦斯封孔材料，系统研究了其力学性能和微观水化机理。Xiang等（2015）提出了一种新型柔性凝胶堵漏材料和主动封孔方法，该方法涉及依次注入稀浆和浓浆，利用浆液补充装置实现压力下的连续渗透循环。Matsuzawa等（2019）研究了减水剂分子结构对水泥砂浆流动性能微观层面的影响，发现减水剂分子量越小，水泥分散效果越好，能有效提高砂浆流动性。Wang等（2018）考察了玻璃纤维含量对水泥浆流变特性的影响，发现水灰比变化对水泥浆流变性能影响不大，而流动性与玻璃纤维含量增加呈负相关趋势。Zhou等（2013）基于粘土复合浆（含粘土、水泥、添加剂和玻璃纤维）开发了一种聚合物孔隙封堵材料。He等（2016）通过在聚氨酯（PU）基体中添加硅烷偶联剂3-氯丙基三甲氧基硅烷，改善了水玻璃（WG）在PU基体中的分布，创建了一种新型PU/WG孔隙封堵材料。Zhang等（2018）制备了不同催化剂配比的聚氨酯/水玻璃注浆材料，发现添加催化剂显著提高了热稳定性。Jian等（2024）利用海藻酸钠、水淬高炉渣和市政固体废物焚烧底渣制造了低成本聚合物封孔材料，在凝结时间、流动性和抗压强度方面取得了显著改善。Li等（2018）、Zhang等（2019）利用普通硅酸盐水泥和石膏等固废材料开发了新型CF堵漏材料，其流动性和抗压强度等性能指标满足地下堵漏工程的材料要求。Wang等（2020）通过优化配合比和协同激发，以普通水泥/铝酸盐水泥、生石灰和生石膏为主要原料，开发了一种PC-CAS基堵漏材料，显著提高了堵漏质量。

尽管已有大量研究致力于通过添加改性剂来增强封孔材料的性能，但水泥基体系固有的脆性硬化、收缩和开裂问题依然存在。这些局限性使其无法适应和封闭煤层中动态产生的裂隙，导致钻孔瓦斯持续泄漏和甲烷浓度快速下降。基于上述理由，本研究以煅烧煤矸石和粉煤灰为主要原料，开发了一种煤矸石基无机柔性流态封孔材料。采用逐步单因素法结合六因素Box-Behnken响应面设计，以考虑各组成变量的主效应、非线性效应和交互效应，实现浆体黏度和流动性的多目标优化。进一步进行了动态流变和单轴压缩试验，以及SEM-EDS、XRD、低温N?吸附和热重分析，以表征材料的流变行为、变形响应和结构演化。随后通过浸出毒性、耐久性、现场瓦斯抽采和经济技术性评估评价了其环境安全性和工程适用性。本研究为采动扰动条件下瓦斯抽采钻孔的长期适应性封孔和煤矸石高值化利用提供了理论和工程基础。

章节片段

实验材料与制备 本研究开发的无机柔性流体封孔材料以煅烧煤矸石和粉煤灰为主要固体组分配制。煤矸石采自安徽省庐陵矿区，经破碎后在马弗炉中于800℃煅烧2小时，以去除残余碳并活化其火山灰活性。煅烧煤矸石的XRD图谱和宏观形貌如图1(a)所示。原煤矸石主要由……

单因素变化对材料性能的影响 不同固液比下材料的水析率和流动性如图3(a)所示。基于实验数据和工程标准，将泌水率1%定义为临界阈值。对于未经后续改性组分处理的煤矸石基参考浆体，随着固液比从0.1增加到0.8，泌水率和流动性均逐渐降低。在固液比为0.3时，泌水率低于……

瓦斯抽采钻孔的现场布置与操作程序 现场试验在安徽省苏州市某煤矿巷道内进行，以评估新型无机柔性流体封孔材料在封隔跨层抽采钻孔中的性能。试验布置如图16所示。钻设了两组钻孔：第一组（49-2#、49-4#、49-6#、49-8#、49-10#）作为对照组，采用传统水泥砂浆法封孔；第二组（49-1#、49-3#、49-5#、49-7#、49-9#）构成……

结论 （1）开发了一种以煤矸石和粉煤灰为主要原料的绿色环保无机柔性流态封孔材料体系。单因素试验首先确定了各组分的工程适用参考水平，包括固液比0.30、粉煤灰掺量20%、保水剂2%、硅烷偶联剂1.5%、NaOH 1.2%和CaSO? 3%。随后采用六因素Box-Behnken响应面模型进一步考虑了各组分的耦合和非线性……

CRediT作者贡献声明 孙秀伟：撰写-初稿、方法论、形式分析、数据整理。胡盛勇：撰写-审阅与编辑、可视化、验证、资源获取、资金筹措。贾国彪：撰写-初稿、监督、资源获取、项目管理、形式分析。张旭旭：方法论、调查研究、数据整理。卢佳琦：监督、方法论、调查研究、数据整理。

钱文学：资源、方法学、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所述工作的客观性。

致谢

本研究得到了山西省科技重大专项计划项目"领军人才专项"（202301080301005）的资助和支持。

孙秀伟|胡生勇|贾国彪|张旭旭|卢佳琪|钱文学