超高水材料在注浆封孔技术中的应用.pdf

煤炭与化工 Coal and Chemical Industry 第42卷第4期 2019年4月 Vol.42 No.4 Apr. 2019 采矿与井巷工程 超高水材料在注浆封孔技术中的应用 董小娟 （1.河北充填采矿技术有限公司，河北邢台054000 ； 2.国家能源充填采煤技术重点实验室，河匕邢台054000） 摘 要摘 要在对土城煤矿13171底抽巷封堵瓦斯抽采钻孔时，通过对比水泥浆液和超高水材料 两种封孔材料，在11组钻孔中进行不同水固比超高水材料封堵的实验。在水中添加超高水材 料，将水固比定为9 1,作为最佳的材料配比，同时根据综合钻屑法，将封孔长度定为14 mo结果表明，超高水材料用于封堵瓦斯抽采钻孔使流入施工区域的混合浆体在可控时间内胶 结、凝聚，达到设计强度，并且注浆时间仅为水泥注浆的50,注浆成本可降低63,具有 广阔的推广前景。 关键词关键词超高水材料；水固比；注浆封孔；钻屑量法 中图分类号中图分类号TD712.6 文献标识码文献标识码B 文章编号文章编号2095-5979（2019）04-0038-04 Applicatio n o f super h igh water material in gro uting and sealing tech no lo gy Dong Xiaojuan 1. Hebei Filling and Mining Technology Corporation Ltd, Xingtcd 054000, China; 2. National Key Laboratory of Energy Filling Technology, Xingtai 054000, China Abst rac t In the gas drainage drilling of the 13171 bottom pumping road in Tucheng Mine, different water-solid ratio super high water materials were used in 11 groups of boreholes by comparing two kinds of sealing materials, cement slurry and super high water material. Add ultra-high water material in water, the water-solid ratio was set to 9 1 as the best material ratio, and the sealing length was set to 14 m according to the integrated cuttings . The results showed that the ultra-high water material was used to block the gas drainage hole, so that the mixed slurry flowing into the construction area can be cemented and agglomerated in a controlled time to reach the design strength, and the grouting time was only 50 of the cement grouting. The cost of grouting could be reduced by 63, with broad prospects for promotion. Key w o rds ultrahigh water materials; water-solid ratio; grouting and sealing 量为7.57 m3/min,相对瓦斯涌出量为39.92 m3/min, 认定土城煤矿为高瓦斯突出矿井。 瓦斯抽放率按30.6计算。煤层瓦斯压力1.8 MPa,煤层透气性系0.215 m1 2/（MPa2-d）o 1 概 况概 况 土城煤矿隶属于贵州盘江精煤股份有限公司， 位于四川省古蔺县城，生产规模设置为15万t/a, 开采深度为1 025 940 m,保有储量157.83万t。 煤质为中灰、低硫、中热值1/3焦煤。主采煤 层为17号煤，煤层平均厚度2.4 m,根据紂井瓦 斯涌出量涌出方法（AQ1018-2006）中矿山统计 法对矿井瓦斯涌出量进行预测，矿井绝对瓦斯涌出 13171底抽巷位于17号煤层底板11.3 m处， 向上施工穿层钻孔预抽煤层瓦斯作为工作面防突措 施。13171底面抽巷每隔6m打11个钻孔，为1 组瓦斯抽采钻孔，钻孔位置如图1所示，参数见 表lo 责任编辑任伟 DOI 10.19286/ki.cci.2019.04.011 作者简介董小娟（1987-）,女，河北邢台人，助理工程师。 引用格式董小娟.超高水材料在注浆封孔技术中的应用[ J].煤炭与化工，2019 , 42（4） 38-41. 38 董小娟超高水材料在注浆封孔技术中的应用 2019年第4期 图1 13171底抽巷钻孔位置示意 Fig. 1 13171 drilling position of bottom suction roadway 表1钻孔参数 Table 1 Drilling parameters 编号方位/ （。）倾角/ （。） 孔深/m 11571174 21572160 31573150 41574540 51576235 61578035 73378438 83377248 93375262 103374182 1133735106 2封孔材料封孔材料 普通水泥浆液凝固后，固结体的脆性较大，经 过长时间的负压和外力作用，内部极易产生裂隙, 形成新的导气通道，封孔严密性较差。而且普通水 泥浆液与钻孔周围煤壁粘合性不是很好，与钻孔周 边煤壁间会产生空隙。超高水材料韧性较好，在长 期负压和外力作用下，不会产生裂隙，只会能产生 弹性变形，内部不会形成导气通道，封孔的严密性 更加良好。此次选用超高水材料对钻孔进行封堵。 超高水材料由A、B两种主料和AA、BB两种 辅料共4种组分组成。A料主要以铝矶土、石灰石 和少量其他矿物烧制研磨制成；B料主要由生石 膏、生石灰和少量其他矿物研磨制成。AA料是A 料的辅料，是由缓凝剂、悬浮分散剂等成分组成的 复合缓凝剂；BB料是B料的辅料，是由促凝剂、 悬浮分散剂等成分组成的复合促凝剂。使用时，通 过浆体制备系统分别将A及AA, B及BB料与水 混合分别制成A、B两种料浆。AA料和BB料分 别是A料和B料的活性催化剂，为计量准确并获 得稳定的效果，使用时先将AA料和BB料加水制 成浆体进行激活，再添加到A、B料浆的制备中。 超高水材料A、B浆体按1 1比例配合使用，两 种浆体充分混合后，快速凝结，并形成具有一定强 度的固结体。固结体主要成分是钙矶石，其次含有 少量的胶凝物质和极少量游离水。固结体的强度可 据需要进行调整，满足井下充填要求，材料水体积 最高可达到97。 3超高水材料水固比的确定超高水材料水固比的确定 在13171底抽巷施工的11组钻孔中进行不同 水固比超高水材料封堵的实验，选择最佳的配比。 对所有实验钻孔用100光学瓦检仪进行3个月的 孔口瓦斯浓度观测，每班观测1次，进行记录，取 每天3次观测数据的平均值作为当天的结果。观测 结果如图2所示。 图2单孔瓦斯浓度衰减变化趋势 Fig. 2 Variation o gas concentration attenuation in a single hole 可知，随着抽放孔瓦斯抽采时间的增加，单孔 瓦斯浓度逐渐减小；而且水固比改变，减小的程度 也随着变化。水固比在6 1至9 1时，变化的幅 度较小；当水固比大于91时，瓦斯浓度变化较 大，瓦斯浓度不断减弱。当水固比为10 1时，高 水材料水体积所占含量达到97,凝结后所形成 的固结体强度较小，钻孔周边固结体的强度抵抗不 了外力的作用，在注浆内部出现新的裂隙，造成注 浆空间密闭不严，形成漏气通道，所以单孔瓦斯浓 度随时间增加衰减较快。 综合分析后，将水固比定为9 1,作为最佳的 材料配比，注浆效果较好，且不易造成浆液的浪费。 4用钻屑量法确定密封深度用钻屑量法确定密封深度 抽采钻孔与采样钻孔位于水平500 m,采样 钻孔位于相邻的2个抽采钻孔中间位置。在抽采钻 孔试验区域内平均安插5个采样钻孔，1至5个编 号。选用（/42 mm的羊角钻头，垂直于煤壁打钻 孔，每个钻孔长度为18 mo 施工过程中，要求记录各钻孔钻屑量，钻孔钻 进过程中出现孔壁发生变形甚至出现塌孔现象，且 产生大量钻屑，并造成钻杆跳动、顶钻、卡钻等现 39 2019年第4期 煤炭与化工 第42卷 象。钻孔钻屑量沿着孔深方向的变化规律如图3所示。 .55 .54 .53 .52 .5 .55 .54 .53 .52 .5 5. 4. 3.2 5. 4. 3.2 L L 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 钻屑量/kg/m 图3钻孔钻屑量的变化规律 Fig. 3 Variation rule of drilling cuttings （1）根据钻屑量沿孔深的变化规律可以推断 出，7m以内为无压区，此范围内钻屑量变化较 小，8 14 m为应力升高区，在15.5 m左右达到顶 峰，之后逐渐降低。 （2 ）在孔深为1 7 m段时钻屑量增加缓慢, 813m段时钻屑量增加迅速，14 15.5 m时钻屑 量出现峰值，15.5 m以后钻屑量逐渐减少。 （3）钻孔密封深度一定要大于钻孔无压区的 范围，但一定要小于煤壁应力峰值点的深度。钻孔 的最佳密封深度在14 m左右。 根据综合钻屑法的结果，将封孔长度定为14m。 5施工工艺施工工艺 采用直径3232 mm的PVC管进行全程下管, 距钻孔口约20 m处使用实管，其余部分均用筛管, 用2袋聚氨酯发泡材料作为封堵材料，分别堵在所 下套管的实管两端，间距250 mm,靠近钻孔底部 的聚氨酯材料应放在实管顶端］m处，外端聚氨酯 发泡材料放在距孔口 lm处，同时留出1根长2m 的4分注浆管，保证注浆长度不小于15 mo钻孔 实行单孔单抽，通过1.5英寸埋丝管与分流器相 连，主管路负压17 kPa,每隔150 m划分1个注浆 区域，在每个注浆区域内分别注入不同配比的材 料，进行效果对比。 工艺流程如图4所示。 图4超高水材料封孔示意 Fig. 4 Sealing hole of ultra-high water material （1） 准备工作，配置注浆浆液，配置浆液的 时候另一边检查注浆管路、注浆泵、压力表等是否 完好，如有问题及时维修。 （2） 将钻孔注浆管与输液管进行连接，将A、 B两种料浆分别倒入A、B搅拌桶中搅拌均匀。 （3） 开启注浆阀门，将A、B两种料浆浆液 送入钻孔内进行注浆。 （4） 注浆到一定时间后，如果巷道表面开始 出现返浆或者注浆表上显示压力不变，不再升高 时，停止注浆。然后把注浆阀门关闭，准备第二个 钻孔的注浆。 6封孔质量的检测封孔质量的检测 评价封孔材料优劣的指标是单孔抽采浓度、单 孔抽采负压。选定9 9组钻孔进行检测，检测周期3 个月，要求每日3班，每班1次，并记录数据，取 Id的平均值作为当天的检测结果。检测同时用 100光学瓦检仪和真空负压表每天测量孔口瓦斯 浓度和孔口抽采负压。孔口瓦斯浓度随时间变化曲 线如图5所示。单孔抽采负压随时间变化曲线如图 6所示。 8080 o o o o o O o o o o o O 7 6 5 4 3 2 7 6 5 4 3 2 _水泥---■超高水材料 4040 20 0000 1 1 1 1 时间/d 图5孔口瓦斯浓度随时间变化曲线 Fig. 5 Change of gas concentration at the orifice with time ---水泥浆一超高水材料 图6单孔抽采负压随时间变化曲线 Fig. 6 Curve of negative pressure of single-holt extraction change with time 40 董小娟超高水材料在注浆封孔技术中的应用 2019年第4期 由图5和图6可以看出，钻孔中瓦斯压力及浓 度都随着抽采时间的增加而减小。使用水泥注浆封 孔时，钻孔抽采浓度下降明显，达到40。抽采 负压下降幅度达20.1;使用超高水材料封孔，抽 采浓度下降幅度仅为5.7,抽采负压基本保持稳 定，封孔效果理想。 7效益分析效益分析 在注浆过程中，对注浆时间及注浆结果进行统 计，结果见表2。 表2不同材料注浆时间与成本统计 Table 2 Grouting time and cost statistics of different materials 材料名称水固比单孔用量/kg单孔成本/元 注浆时间/min 1131.59.526 水泥浆液 3 126.47.921 7 14.56.313 超高水材料 9 12.53.511 由表可以看出，随着水固比的增加，浆液的流 动性增强，注浆时间变短，材料成本下降。超高水 材料的注浆时间为水泥材料的50,注浆成本最 高可降低63O 8结论结论 （1） 综合单孔瓦斯浓度衰减程度及注浆成本 考虑，水固比9 1是最佳的材料配比。 （2） 土城矿13171底抽巷的现场实践表明， 超高水材料用于封堵瓦斯抽采钻孔不仅效果好，工 艺简单，减轻工人的劳动强度，成本低，注浆成本 最高可降低63,具有广阔的推广应用前景。 参考文献 [ 1] 孙春东.超高水材料充填采煤技术[ M].北京科学出版社, 2017. 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