新型封孔材料在煤矿探放水中的应用.pdf

忌弟1 2 3 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 5 - 2 7 9 8 ．2 0 1 0 ．0 1 ．0 2 1 新型封孔材料在煤矿探放水中的应用 刘广北，李书田，张宏军 郑煤集团新密分公司，河南，新密4 5 2 3 7 0 摘要介绍了水泥砂浆、封孔器、充填海带、丘麻等目前封孔工艺和特点，经过膨胀性、速凝性、配比的试 验，寻找出一种新型的封孔材料膨胀水泥，其强度、膨胀性，凝固时间均符合封孑L 的要求，并在实践中 得到证实。 关键词膨胀水泥；封孔；应用 中图分类号T D 7 4文献标识码B文章编号1 0 0 5 2 7 9 8 2 0 1 0 0 1 - 0 0 5 0 - 0 3 煤矿安全探放水的效果，关键是钻孔参数的选 择及钻孔的合理布置。在保证钻探孔质量的基础 上，钻孑L f L 口管的密封质量是关键。尤其在煤层和 松软岩层，封孔不被破坏，孔口管壁外不渗水、不涌 水，孔口管不向外窜动，是杜绝透水事故，达到安全 探放水目的的关键。 1目前的封孔工艺及特点 根据封孔原理的不同，一般分为主动式和被动 式封孔方法。所谓主动式封孑L 法是指用液体为封孔 物质，解决固体物不能严密封闭孔口管周边裂隙孔 道的方法，主要有密封液封孔法和压力黏液封孔法。 被动式封孔法是指用固体物来充填管路与钻孑L 壁可 见的空间，以阻止老空水泄漏，主要有水泥砂浆封 孔、封孔器封孑L 、海带与丘麻封孔。 1 ．1 水泥砂浆封固 水泥砂浆封孔常规方法为水泥与砂的比例为 l 2 ，掺水量达到手握成团状不散、不渗水为准，其中 混合少量速凝剂和石膏，利用手工封孑L 或喷浆封孔， 孔内要打木楔将孔内浆体压实，完毕后隔2 4 ～3 6h 才能开钻打孔。采用水泥沙浆封孔管封孔成本低，对 封孔管段钻孔质量要求不高，允许钻孔有一定的变 形，钻孔局部塌孑L 时，只要将塌孔处的碎碴清理即可。 1 ．2 封孔器封孔 采用封孔器封孑L 具有封孔工艺简单、便捷、封孑L 器可以重复利用等优点，但是封孔器本身价格高；对 封孔段的钻孔质量要求高，要求钻孔孔壁光滑、规 则，钻孔无变形、无塌孔现象；封孔器利用率低。这 种封孔方法在实际应用中有局限性。 1 ．3 充填海带、丘麻封孔 采用充填海带、丘麻封孔具有封孔工艺简单、便 捷等优点，但都存在着充填物本身价格高；对封孔段 的钻孔质量要求高，要求钻孔孔壁光滑、规则，钻孔 无变形、无塌孔现象；需增加阻止孔口管外窜的设 施；一次性利用。这种封孔方法在实际应用中也有 局限性。 2 新型封孔材料膨胀水泥 膨胀水泥是一种新型特种水泥混合材料，分两 组成分组成，第一组由硫铝酸盐水泥熟料和悬浮剂 组成，第二组为添加剂，主要有膨胀剂、发泡剂、速凝 剂等。两种组分混合均匀后加水配制成浆液，经过 一定的物理化学反应，便能快速凝结、固化成固体材 料。通过对水泥的各种添加剂比较、各种添加剂配 比对比试验，找到适用于井下封孔的新材料。 2 ．1 选择封孔材料的要求 在选择封孔材料时应满足如下要求①封孔材 料要密实，并且要满足强度。②封孔工艺要简单，易 于施工。③成本要低。采用水泥沙浆封孔满足封孔 成本较低、封孔工艺简单的要求，但是，严密性不能 达到要求。分析原因主要是封孔材料与钻孔工艺不 合理，脱水凝固后该材料产生收缩变形，封孔材料与 钻f L 孑L 壁、封孔管间产生裂隙及钻孔壁内由于打钻 卸压产生微小裂隙，封孔材料难以挤压充填。 2 ．2 膨胀水泥的膨胀剂的选取 2 ．2 ．1 几种膨胀剂的概况 水泥掺加膨胀剂，使其膨胀变形来补偿其收缩 变形，抵消水泥结构在收缩过程中产生的拉应力，达 到整体不裂或把裂缝控制在无害范围内。 1 生石灰。生石灰的作用在于在水化早期 降低钙矾石的形成量。在水泥浆处于缩性阶段时， 钙矾石的形成并不伴随着膨胀。石灰添加剂不但在 收稿日期2 0 0 9 1 0 - 0 6 作者简介刘广北 1 9 6 2 一 ，男，河南兰考人。助理工程师，从事生产技术管理工作。 万方数据 2 0 1 0 年1 月 刘广北等新型封孔材料在煤矿探放水中的应用第1 9 畚第1 期 早期，而且在过程终了时的体积变化较大，出现好的 膨胀特性。经过大量实验研究发现生石灰作为膨胀 剂制取膨胀水泥浆，但后期强度较高。 2 铝粉。铝粉做膨胀剂，膨胀性好，膨胀效 果显著，通过改变铝粉添加量的变化可以得到不同 的膨胀率。在凝结过程中没有刺激性气体产生。膨 胀过程中产生大量热，混合液面不断上升。 2 ．2 ．2 几种膨胀剂的对比 先取定量的水泥灰和水置于烧杯中混合均匀， 然后分别在不同的样本中加入称好的氧化钙、铝粉 和固体速凝剂，不断搅拌。膨胀剂对比试验情况，见 表1 。 表1 膨胀剂试验情况对比 序号 水／g 水泥／g 铝粉／g 生石灰／g 固体速凝剂／g 凝固时间／m i n 混合时长度／m m 凝固后长度／n u n 根据对各种膨胀剂的对比可以看出 1 选用生石灰作为膨胀剂，凝固过程中有一 定的膨胀，水泥浆凝固过程中产生的温差收缩町以 得到一定程度的补偿。同时生石灰作为膨胀剂制成 的水泥浆，膨胀性不很好，但后期强度较高。 2 选用铝粉做发泡剂，膨胀性能好，膨胀效 果显著，通过改变铝粉添加量，可以得到不同的膨胀 率。铝粉添加过大，凝固体裂隙发达，严密性不很 好，强度不大。 3 选用生石灰和铝粉一起做膨胀剂，克服了 只用生石灰时膨胀率小和只用铝粉时膨胀率大，产 热量高，结构松散，强度不高，严密性不好的缺点，达 到很好的封孔效果。 2 ．3 速凝剂的选取 通过研究发现，液体速凝剂凝结时间较快，对添 加量少量差异的敏感程度大，对封孔不利。固体速 凝剂效果较好，对添加量少量差异的敏感程度不大， 可改变添加量，达到不同的凝固时间。 2 ．4 最佳配比 通过分析，选用生石灰、铝粉做膨胀剂，速凝剂 选用固体的，水泥采用3 2 5 。，膨胀水泥最佳配比实 验数据，见表2 。 根据以上数据及实验现象得知 1 后期凝固产生热量大，终结时间差距大。 2 以便于封孔人员操作，初凝时间控制在 1 6m i n 左右，凝固终结时间控制在6 0m i n 以内，符 合井下封固要求。根据井下现场情况，选取相应的 配比方案。 3 生石灰和铝粉两种膨胀剂得到了互补，克 服了只用生石灰时膨胀率小和只用铝粉时膨胀率 大，产热量高，结构松散，强度不高，严密性不好的缺 点。 表2 膨胀水泥最佳配比试验数据 序号 7 1 C ／g 水渺g 铝粉／g 生石灰／g 固体速凝剂／g 凝固时R n ／m i n 混合时长度／m m 凝【占I 后长度／m m 3 膨胀水泥性能 3 ．1 凝固体的强度 孔口管封孔时，所采用的封孔材料要有一定的 强度，不至于在打钻时因封孔强度小而使其破坏，导 致透水事故发生。为了考察其强度，根据不同的配 比做了四组尺寸均为4m m 4m m 2 0m m 长方体 试块，在标准室内养护，检测不同龄期凝固体的抗 折、抗压强度，膨胀水泥抗折、抗压强度试验数据对 比，见表3 。 表3 膨胀剂试验情况对比 序号I 234 水灰比 抗折强度／M P a 抗压强度／M P a 1 l 30 ．5 2 7O ．7 6 2 8O ．7 5 30 ．7 2 8 70 ．9 7 2 81 ．7 3 8 1 ．4 1 O ．2 0 O ．3 7 0 ．3 5 0 ．1 6 3 O ．3 5 0 ．5 9 l 1 ．4 O ．7 0 0 ．8 2 1 ．2 0 0 ．9 9 2 1 ．4 9 2 2 ．6 1 8 1 1 ．4 1 ．0 4 1 ．2 l 1 ．6 0 1 ．8 1 5 2 ．4 1 8 4 。0 9 4 根据实验可知，膨胀水泥在各种配比情况下，抗 折、抗压强度差距很大。4 。配比采用的水泥为4 2 5 。， 其抗折和抗压强度、密封效果较好，达到封孔材料 的要求。也可以加大水灰比以达到不同的抗压 强度。 3 ．2 膨胀水泥固化过程中的体积膨胀 在实验过程中，发现膨胀水泥固化过程中膨胀 性能较好，各项配比的膨胀率保持在4 5 ％一5 0 ％使 得封孔材料固化体与孔壁的接触更强，提高了密封 性，优于传统的水泥砂浆、封孔器、充填海带、丘麻等 封孔。 5 】 o一∞∞m撕的m m 晰。一瑚瑚圳加∞如加％，一∞∞∞m撕弭蛞豫，一瑚啪圳狮加弘铂弛6一∞∞_Ⅺ舱幻m吣6一瑚瑚如加∞加帅，一∞∞■撕撕蝤％M，一赋蛾∞∞盯铂M4一∞∞o砷M∞粥陀4一埘溅加M∞铂记 ，一啪啪枷H M ∞铂佻 一啪瑚暑H M 钳铂弭。一m啪M船弱鹋 。一螂啪枷加H乱舛拍 。一啪啪枷M M 船舛记6～啪啪加。加们钳佗 5 一∞∞4 o Ⅺ钉舛加，一㈣城川。加甜弭为4一啪啪o加鲐M酌，一啪啪o∞H柏∞砸一啪啪。勰M稻钳∞ 。一啪啪o M H “ 钳弱 万方数据 2 0 1 0 年1 月刘广北等新型封孔材料在煤矿探放水中的应用第1 9 卷第1 期 3 ．3 凝固时间 凝同时间决定工期和工作效率。封孔材料的凝 固时间太长则会延长工期，降低工作效率，初凝时间 太短，强度小，对工人操作的要求较高，均不利于封 孔。一般将封固材料的初凝时间控制在1 5 3 0m i n ，终凝时间控制在6 0r a i n 内。通过实验发现 表2 中配比1 、4 终结时间分别为5 3m i n 和5 0r a i n ， 很好的达到了孔口管封孔的要求，既弥补了水泥砂 浆凝固时间短不好操作、强度小，也克服了凝固时间 长、效率低的的问题。 4 现场应用 4 ．1 现场概况 某矿2 2 1 0 1 采煤工作面布置在2 2 采区西翼下 部，该面上副巷位于2 2 0 8 1 采空区下方，设计长度 2 4 0m ，煤层平均厚度5m ，巷道掘进断面7m 2 ，u 型 钢支护。根据有关资料分析，2 2 0 8 1 采空区内存在 一定的积水。在2 2 1 0 1 上副巷掘进工作面布置探放 水钻孔7 个，共4 2 6 ．2m 。 4 ．2 封孔工艺 稳好钻机后，先用D 1 5 0m m 钻头开钻，下人长 6m 、D 1 2 7m m 的无缝钢管作孔口管，清理孔内碴 煤。用封孔注射器、注浆泵将配置好的膨胀水泥浆 送人孔口管外的钻孑L 内。孑L 内有水封孔注浆时，首 先要在孔口埋设D 1 6m m 注浆小管，采用掺有速千 剂水泥孔口密封，采取“外返浆”用注浆泵注膨胀水 泥浆封孔，固定孔口管。注浆前先注水冲岩煤粉，使 两管畅通。孔口管支撑架要保证孔口管稳定，不滑 动，要维持到水泥浆凝固后方可撤去，期间不准随意 移动。工作结束时要用水把泵内浆清洗干净。孔口 管封孔，见图1 。 4 ．3 孔口管稳定程度 孔口管稳定程度测试情况，见表4 。 孔口管聚氨酯封孔材料煤体 图1钻U 孑L 口管固定示意 表4 孔口管稳定程度测试 5 结语 1 通过对现行孔口管各种封孔方法的优缺 点进行比较分析，提出了膨胀水泥封孔。 2 通过对各种膨胀剂进行试验研究，得出了 铝粉和生石灰一同作为膨胀剂更符合实际应用需 要。 3 经过各种添加剂的配比试验，获得最佳配 比方法。 4 膨胀水泥新材料是一种价格低、流动性 强、膨胀性好、凝结速度快、抗压强度的早期固化材 料。 5 使用研制新材料在探放水过程中进行了 试验得到了较好的效果。 参考文献 [ 1 ]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 ． [ 责任编辑王玉梅] 蓝i 誓芝整 。墨；蓝盔g i 基虿蓝簧蛙j 蓝叠i 蛙i 鲎{ 蓝i 茁j 蓝；蛙罨呸{ 蛙籀蓝≤骘喾蛙≤蕴蠢蔓盘 蓦蕴轰鲨滥耋鲨基鲨≤鳖≤鬟蠢基≤篮毒篮篷哎i 瘟≤墨女。盏 。篮≤篮≤茁i 。蕴；鬟≤垃‘垂螫萎 上接第4 4 页 3 结语 通过使用粗煤泥单独分选工艺，很好地解决了 脱泥、脱水跑水、浮选跑粗等问题，精煤回收率提高、 介耗降低；同时增加了一个系统，投资相应增加，但 产率增加，系统稳定，操作费用低，投资回报高。对 5 2 于以上三种粗煤泥分选设备，在生产中需根据本厂 的煤质特点及产品质量要求来合理选择粗煤泥的分 选工艺及分选设备，使其达到最大的经济效益及社 会效益。 [ 责任编辑王玉梅】 万方数据