高水材料在煤层注水封孔技术中的应用研究.pdf

第 1 8卷第 8 期 2 0 0 9年 8月 中 国 矿 业 CHI NA M I NI NG M AGAZI NE Vo1 ． 1 8．No ．8 Au gus t 20 09 高水材料在煤层 注水封孔技 术 中的应 用研 究 高清雯 中国矿产有限责任公司，北京 1 0 0 0 4 4 摘要 为了克服传统封孔方法封孔难 的问题 ，研 发 了高水 材料封孔技 术 ，为 “ 三软”煤层 实施煤 层注水 防尘提供 了一种很好 的封孔方法 。高水材料 是一种 流动性强 、凝结速 度快 、抗压强度 大 、结晶微 膨胀 的早强 固化材料 ，采用灌入式可直 接实现封 孔 。该技 术在邢 台矿务局 显德 旺矿 1 7 2 3工作 面进 行试 验 ，取得 了良好效果 ，达到 了封孔工艺简单 、封孔深度大 、密封性能好 、成本低的 目的 。 关键词 煤层 注水 ；高水材料 ；封孔方法 中图分类号 T D 7 1 3 ． 3 3 文献标 识码 B 文章编号 1 0 0 4 4 0 5 1 2 0 0 9 0 8 0 1 0 3 0 3 Ap p l i e d r e s e a r c h o n t h e s e a l i n g t e c h n o l o g y o f i n j e c t i o n i n c o a l s e a m f o r d u s t c o nt r o l wi t h hi g h wa t e r r a pi d 。 s o l i d i f y i ng ma t e r i a l GAo Qi n g we n Ch i n a Na t i o n a l Mi n e r a l s Co ． ，Lt d ． ，B e i j i n g 1 0 0 0 4 4，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s ol ve s e a l i n g di f f i c ul t y of t r a d i t i on a l me t ho ds ，a n e w t e c hn ol o gy o f s e a l i n g wi t h h i g h wa t e r r a p i d s o l i d i f y i n g ma t e r i a l wa s d e v e l o p e d，wh i c h p r o v i d e d a g o o d s e a l i n g me t h o d f o r i n j e c t i o n t o “ we ak s e a m ．r o of a nd f l oo r ” c o a l s e a m i n or de r t o du s t c on t r o 1 ． Hi gh wat e r r a p i d s ol i di f yi ng mat e r i a l i s a k i n d o f p r i me v a l i nt e ns i t y ma t er i a l wi t h c ha r a c t e r s o f g oo d mo bi l i t y， c oa g ul a t i o n s pe e d f a s t ，c o m p r es s i v e s t r e n gt h g r e a t l y，c r y s t a l di s t e ns i o n s l i ght l y．I t c a n be di r e c t l y u s e d t o s e a l by pou r i n g．Th e t e c hn ol o gy wa s a p p l i e d i n t h e No ． 1 7 2 3 wo r k i n g f a c e i n Xi a n d e wa n g Co a l M i n e o f Xi n g t a i M i n i n g Gr o u p C o ． ，Lt d ． ，a n d t h e ap pl i c a t i o n h as a c h i e ve d t o r e a l i z e t he a i ms o f pr o c e s s e a s i l y，l en gt h de e pl y，s e a l f i ne l y a n d c os t c he a pl y ． Ke y wo r d s c o a l s e a m i n j e c t i n g ；h i g h - wa t e r r a p i d s o l i d i f y i n g ma t e r i a l ；s e a l i n g me t h o d 煤层 注水 是通 过密封 在钻 孔 内 的注 水管 ，将 水 注入钻孔并渗入煤体 。封孔就是把注水管封在钻孔 内 ，使 注入水无 法从 钻孔 内泄 出 ，只能 沿煤 层裂 隙 向深部渗透 ] 。但是 ，对 于 “ 三软”难封孔煤层 ， 达到上 述 要求就 比较 困难 。水 泥砂浆 封孔 在煤 层 注 水 中应 用较 多 ，因此工 人施 工操 作 比较熟 练 ；但该 技术在 “ 三 软 ” 煤 层 中 使 用 ，存 在 封 孑 L 不 严 、漏 水 、窜 孔 、出现 “ 月牙 ”离 层等 一些 问题 。封 孔器 封孑 L 工艺简单 ，但对钻孔质量、注水设备等要求较 高，在 “ 三软”煤层 中使 用，存 在塌孔压死 封孔 器 ，造 成封 孑 L 器 不能复 用 等一些 问题 。邢 台矿 务局 显德旺矿 2 煤 层是 “ 三软”煤层 ，工作面粉尘很 大 ，长 期 以来 没 有 很 好 地 解 决 煤 层 注水 封 孔 的 问 题，严重制约着煤层注水的实施 。使用了高水材料 封孑 L 后 ，封 孔工 艺取得 了突破进 展 。 收稿 日期 2 0 0 9 0 5 1 4 1 “ 三软” 煤层 的一 般特征 “ 三软”煤层是指顶板不稳定 ，易冒落 ，煤层 松软 ，坚 固系 数 1 ． 0 ，易 片 帮 和底 板 抗 压 强 度 低 ，即顶软、煤软 、底软，称 “ 三软” 。“ 三软”煤 层 就 其对煤 层 注水 的影 响而 言 ，具 有如 下特 征 。 1 软煤层 开采 时产 尘 量 大 。 “ 三 软 ”厚 煤 层 在我国有数 以百亿吨计的储量 ] ，“ 三软”厚煤层 的开采 ，由于其 产尘 量大 而使得 机 械化开 采在煤 矿 生产中没有发挥其应有的作用。在综放工作面中， 防尘更是显得尤其重要 ，有资料表明[ 3 ] ，松软煤层 1 ． 0 综放工作 面粉尘浓度最 大达 2 0 0 0 mg ／ m。 ， 坚硬煤层 3 ． 0 的相应值 为 2 0 0 mg ／ m。 ，所 以， 软煤的产尘率要 比硬煤大的多 。 2 软煤层注水 时难封孑 L 。软煤层成孔率低， 塌孔 、卡 钻现象 严重 ，钻 孔形状 规则 性差 ，孑 L 内的 浮煤较多 ，不管是封孔器封孔还是水 泥砂浆封孔 ， 都 是不 容易 的 。 1 0 4 中 国 矿 业 第1 8 卷 3 大多数软煤层变质程度低 ，挥发分高 ，水 煤 接 触 角 大 ，润 湿 性 差 ，所 以 ，一 般 为 难 注 水 煤 层 。注水压力高 ，润湿半径小 ，都对煤层注水提 出 了更高的要求 。 2 显 德旺矿 1 7 2 3工作 面试验 区情 况 本工作面位于七采区上部，倾斜上方为 1 7 2 1 工作面采空 区，倾斜下方为 1 7 2 5工作面。工作面 东 以八 采二煤 下 山为界 与 1 8 2 3工作 面采 空 区相 邻 ， 西为 1 7 2 1 工作面及 1 7 2 5工作面采空区。地面标高 2 6 9 3 1 8 ，工作面标高一5 5 ～一1 4 8 。煤层呈黑色， 碎块状，落煤呈粉末状 ，开采粉尘很大。煤层顶板 为粉 砂岩 ，深灰 色 ，质 软 ；底 板 为粉砂质 泥岩 ，深 灰色 ，质 软 。属 “ 三 软 ” 煤 层 。试 验 区 位 于 1 7 2 3 里风 巷距七 采二煤 下 山 4 0 0 m 处 作 为 0号孔 ，依 次 向外 每 l O m 一个孑 L ，至 2 0 0 m 处共 打孑 L 2 1 个 。 3高水材 料性 能实验 高水材料是一种新型特种水泥混合材料 ，水灰 比高 达 31 ，它 的 甲组 分 由硫 铝 酸盐 水 泥熟 料 和 悬浮 剂组成 ，乙组分 由石膏 、生 石灰 、悬浮剂 、速 凝剂 等组成 。甲 、乙两 种组 分 的粉状物 料分别 加水 配制 成浆 液 ，然 后混合 均匀 ，经 一定 的物理 化学反 应 ，便能快速凝结固化成固体材料[ 3 ] 。 为 了使用此 材料 进行封 孔 ，选郑 州水泥 厂生产 的高水材料 和普通 4 2 5 水泥做 了如 下对 比实验 ， 其 目的是考察该材料与封孔有关的性能。 3 ． 1 混合 浆液 的流 动性 浆液的流动性是决定封孔深度的关键因素，流 动性 差 ，浆液难 以送 到预 定 位 置 ，封 孔 深 度 不够 ， 注水时就会在煤壁破碎带渗水 ，因此 ，必须对材料 进行流动性试验。实验采用 Ma r s h漏斗进行浆液 流 动性试 验 ，将 该 试 验 结果 与普 通 4 2 5 硅 酸 盐水 泥试验结果对 比，发现高水材料流动性好 ，放置一 定时间后 ，其流动性稍微降低 ，而硅酸盐水泥浆液 在 放置相 同 时间 ，其流动 性 明显减少 ，并且 拌有 析 水 和沉淀 物产 生 。高水材 料浆 液流动 性变 化具有 突 变 性 ，在 胶 结 前 混 合 浆 液 的组 分 之 间就 开 始 反应 了 ，但 流动性 变化 不大 ，待 到凝结 开始后 ，流 动性 突然变差 ，很快形成凝固体。这一特点对封孔 、注 浆加固、堵漏防渗极为有利 ，而普通水泥浆液的流 动性则呈渐变性 ，这对封孔是一个很大的弱点 。数 据 见表 1 。 表 1 高水材料与 4 2 5 水泥的流动性对比实验 2 O ． 1 1 8 ． 0 1 7 ． 6 2 O ． 3 1 8 ． 0 1 7 ． 9 2 1 ．0 2 O ．6 1 9 ． 8 2 5 ． o 2 3 ． 5 2 2 ． 5 2 9 ． 3 2 7 ． 0 2 6 ． 3 3 ． 2 凝 固时间 在 “ 三 软”煤 层 中注水 ，长 时间保 留钻孔很 困 难 ，极 易塌 孔 ，所 以要 求打孑 L 、封 孔 、注 水各 环节 尽量衔接紧凑。这就要求考察封 孔材料的凝 固时 间。不 同水灰比的高水材料浆液凝 固时间也不 同。 但无论初凝还是终凝 ，其随水灰比增加 ，凝固时间 也增加 ，而且影响比较明显 ，曲线陡立 。 3 ． 3 凝 固体 的强度 高水材料作为封孔材料要具备足够的强度。为 了考察其强度 ，在实验室分别就高水材料和 4 2 5 水 泥各制 备 3组 不 同水 灰 比的 1 5 0 mm2 0 0 mm l O O mm长方体试块 ，在标准室 内养护，检测不同 龄期凝固体的强度 ，并 与 4 2 5 水泥试块对 比，其 数据见表 2 。 表 2 高水材料与 4 2 5 水泥抗压强度对 比 2 h l d 2 d 3 d 7 d o ． 2 6 1 ． 6 O 1 ． 7 8 2 ． 9 O 1 ． 0 3 1 ． 6 8 2 ． 3 4 2 ． 7 6 3 ． 8 6 0 ． 21 1 ． O1 1 ． 3 1 2 ． 2 1 ； O O O 1 Z 3 第 8期 高清雯 高水材料在煤层注水封孔技术 中的应用研究 1 O 5 通过 对 比可 以看 出 ，高水 材料 强度 比相 同水 灰 比的 4 2 5 * 普 通水 泥凝 固体 强 度要 高很 多 ，尤其 在 水灰 比 1 ． 0 1时，养护 l d时 的强度 比水泥高 2 1 倍 ，养护 2 d时高 5倍 ，养护 3 d时高 5倍 ，养 护 7 d时 高 3 倍 。因此 ，高 水 材料 在 封 孔 时 ， 比 4 2 5 普通 水泥 具有一 定 的优越 性 。 3 ． 4 高水 材料 固化 过程 中 的体 积微 膨胀 实验 过程 中 ，发 现高 水材 料 固化过 程 中具有微 膨胀的特点，使得封孔材料固化体与孔壁的接触更 强 ，提高 了密封 性 ，因此 ，这 一特 点对封 孔具 有积 极意 义 。普 通水 泥在水 灰 比较 大时 ，凝 固后会 出现 析水现象 ，使 得封孑 L 不严 ，出现渗水 、漏水等现 象 ；水 灰 比比较 小 时 ，其 稠度 大 ，流动性 差 ，而且 凝 固后 出现收缩 现象 ，使 孔 的顶 部 出现 “ 月牙 ”空 隙 ，对 封孔 质量 影响很 大 。 从 上述 实验 结果 可 以看 出 ，高水 材料 是很 好 的 封孔材 料 ，它完 全能满 足 注水封 孔 的需要 。 4 高 水材 料封孔 工艺 方法 高水 材 料 封 孔 时 ， 采 用 的 注 水 管 外 径 为 2 0 mm、壁厚 为 2 mm 的 塑料 管 。管 长 可选 2 m，管 与管之 间通 过用 同类材 料制 成 的接头 用粘合 材料 连 接起来 。最后 一根 注水 管 ，应采 用相 同直径 、长为 0 ． 8 m的钢管。为确保塑料注水管能被 高水材料浆 液均匀 地包裹 起来 ，使 其具 有可靠 的耐压性 ，可在 管的一端，距端头 2 0 0 ram处开始在圆周上焊上塑 料 板 条 或 粘 上 木 条 以 扶 正 。木 条 长 7 0 mm、 宽 1 0 ram，与管接触的一面呈 凹弧形 ，曲率半径与管 的曲率 半径相 同 。三个 木 条 在 管 圆周 上 互 成 1 2 0 。 ， 在 轴线方 向上 首尾 相距 3 0 mm。粘 木条 后 的分 布 圆 直径 应 比钻孔 直径小 3 ～4 mm。高水 材 料 层厚 度不 应小 于 1 3 ram。在注水 管上距 前 端管 口 1 5 0 ram 处 ， 将 布条 或绵 纱 均 匀 分 布在 管 圆周 上 做 一 个 浆 液 堵 头 ，用钢 丝捆 紧 ，捆 有布 条处 的直 径要 比封孔 直径 小些 ，以保 证能 顺利 送进 孔 内 。将 捆有 布条 的注水 管蘸上 高水 材料 再 送 进 钻 孔 ，随 后 逐 根送 入 孔 内。 管接头要严密连接。送完注水管后 ，将注水管轻轻 向后拉一下 ，使布条在孔内固紧。这时就可用手摇 泵将液体灌人钻孔 。邢 台矿务局显德旺矿 1 7 2 3工 作面进行的试验得出的数据见表 3 。 从 注水 结果 看 ，只要 封 孔 长 度 大 于 6 ． 0 m，就 可收到较好的注水效果 ，但注到 2 0 m。 水 以后 ，逐 渐在巷帮出现渗水现象 ，封孑 L 长度达到 1 1 ． 0 m 的 注水孑 L 没有出现上述现象 ，但封孔成本略高。 表 3 1 7 2 3工作面高水材料封孑 L 注水试验 序号 倾角／ o 孔深／ m 封孔深度 ／ m 注水量／ m。 5 结 论 高水材料封孔是解决 “ 三软”煤层注水封孑 L 难 的好方法 ，在显德旺煤矿 1 7 2 3工作面封孔试验取 得 了成 功 ，所 封 的 2 1 个 孔 中 ，孔 内没有 出现 漏水 、 窜孔 现 象 。从 注水 量可 看 出封孔 效果 ，达 到 了预期 注水量 ，取得了煤层注水防尘 的目的。问题是养护 时 间长 ，封孔 后不 能在 短时 间达 到最大 强度 。为 了 取得 更好 效果 ，高水 材料 改性 提 高强度还 有进 一步 研究 的必 要 。 一 参考文献 1 ] 张英 华． 综放 工作 面煤 层注 水 防尘理 论 与工艺 技术 研究 I- D] ． [ 硕 士论 文] ．北 京 中国矿业 大学北 京研 究生 部， 1 9 9 8 ． [ 2] 肖普朝．浅 谈煤巷 掘进工作 面 注水 防突 的封孔 问题 [ J ] ． 煤矿技术 ，1 9 9 4 ， 3 ． [ 3] 孙恒虎 ，刘文永．高水固结 充填采矿 [ M] ．北京．机械工 业 出版社 ，1 9 9 8 ． 4] 傅贵．煤体预湿机理 与注水防尘技术 研究 [ D] ． [ 博士 论文] ．北京 中国矿、 啦大学北京研究生部 ，1 9 9 5 ． 6 3 2 1 2 6 8 6 O 1 O 2 8 1 7 4 9 5 5 9 7 a ； 。 ； L L “ 3 2 3 4 2 1 4 3 3 3 3 3 2 4 3 3 1 3 3 3 2 O O 0 O O 5 O 0 O 0 0 O 0 O 0 0 O 0 O O 0 加 如 n u n 口 ； 。 ； 窨 8 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