【導(dǎo)讀】本煤層瓦斯抽采封孔器材研究報告?！侗久簩油咚钩椴煞饪灼鞑难芯俊疯b定材料之二。山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責(zé)任公司

　　

【正文】 f X D i s p l a c e m e n t M a g f a c = 1 . 0 0 0 e + 0 0 0 1 . 7 5 9 0 e 0 3 t o 1 . 7 5 0 0 e 0 0 3 1 . 5 0 0 0 e 0 3 t o 1 . 2 5 0 0 e 0 0 3 1 . 0 0 0 0 e 0 3 t o 7 . 5 0 0 0 e 0 0 4 5 . 0 0 0 0 e 0 4 t o 2 . 5 0 0 0 e 0 0 40 . 0 0 0 e + 0 0 0 t o 2 . 5 0 0 0 e 0 0 4 5 . 0 0 0 e 0 0 4 t o 7 . 5 0 0 0 e 0 0 4 1 . 0 0 0 0 e 0 0 3 t o 1 . 2 5 0 0 e 0 0 3 1 . 5 0 0 0 e 0 0 3 t o 1 . 7 5 0 0 e 0 0 3 1 . 7 5 0 0 e 0 0 3 t o 1 . 7 5 8 7 e 0 0 3 I n t e r v a l = 2 . 5 e 0 4 c 注漿壓力為 d 注漿壓力為 圖 38 X 方向位移 分布圖 由圖 38 可知，對于單個圖來看， X 方向的位移在鉆孔兩邊是基本對稱的，說明了在注漿過程中就給鉆孔周邊施加了一個均勻的支護力。從整個模擬過程來看，在一定的范圍內(nèi)所施加的 支護 力越大，則鉆孔周邊所受到的支護力就越大，同時鉆孔左右兩幫的變形量就越小，可以看到，當注漿壓力由 提高到 時，鉆孔兩幫的變形量由 減小到 ，由此，可以推斷：在一定的范圍內(nèi)提高 主動支護力 ，能使鉆孔兩幫的變形量繼續(xù)減小，可能不再產(chǎn)生塑性區(qū)。 由于鉆孔的開掘，煤體原有的應(yīng)力平衡被打破，煤體中的應(yīng)力重新分布，引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，當應(yīng)力值接近或超過圍巖的破壞強度時，鉆孔周圍煤體將破壞，隨著煤體破壞程度加劇，煤巖體應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。為了控制鉆孔周邊煤體的過大變形或失穩(wěn)破壞，不再產(chǎn)生新的漏氣通道，必須對鉆孔進行及時有效的支護或處本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報告 24 理，要取得較好的控制效果，應(yīng)該對圍巖提供適時的足夠大的支護力或者改變煤體的應(yīng)力狀態(tài)。 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報告 25 4 新型封孔方法配套封孔器材的研究 國內(nèi)本煤層瓦斯抽采封孔 ， 主要采用高分子發(fā)泡材料封孔法，前面已經(jīng)分析說明，這種封孔方法 是不可能取得良好效果的，也是國外放棄采用的原因。 考慮到國內(nèi)現(xiàn)行封孔技術(shù)的缺陷和國外封孔技術(shù)的經(jīng)驗。我們結(jié)合國內(nèi)情況提出了一種成本適中、抽放效果能夠得到顯著改善的封孔技術(shù)裝備和器材。 本項目在大量的前期研究的基礎(chǔ)上，提出“ 囊袋式注漿封孔法 ”，該方法改變了過去人們普遍認為的“瓦斯抽采鉆孔難以實現(xiàn)注漿封孔的問題”。 這種封孔方法， 一方面能使鉆孔周圍的裂隙得到充填，消除開孔時形成的漏氣通道（裂隙），即消除初期漏氣通道；另一方面能使 鉆孔得到可靠的支護，保證鉆孔的穩(wěn)定，使鉆孔周圍不再產(chǎn)生新的漏氣通道（裂隙），即避免后期漏氣通道的產(chǎn)生和發(fā)展。 囊袋式注漿封孔法的結(jié)構(gòu)原理 囊袋式注漿封孔法的關(guān)鍵技術(shù)是一個孔內(nèi)一次性囊袋注漿裝置。該裝置通過兩個囊袋封堵一段鉆孔，兩個囊袋之間有一段塑料管，塑料管上開設(shè)有鉆孔注漿口，通過鉆孔注漿口向兩個囊袋之間的鉆孔注漿，并形成注漿壓力使?jié){液向鉆孔壁滲透。 結(jié)構(gòu)原理如圖 41。 圖 41 囊袋式注漿封孔法原理圖 1復(fù)合囊袋 2塑料出漿管 3鉆孔注漿閥 4囊袋注漿閥 5注漿管 6塑料堵 頭件 7封孔抽采管 8漿液滲透區(qū) 下面結(jié)合圖 31 對囊袋注漿封孔法的原理加以說明： ⑴ 復(fù)合囊袋是由筒狀螺紋布與筒狀橡膠復(fù)合而成。筒狀螺紋布與筒狀橡膠一樣具有伸縮性，即筒狀體的直徑可以脹大。筒狀螺紋布為囊袋提供強度，筒狀本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報告 26 橡膠為囊袋提供密封性，兩者的性能得到合理匹配和互補。復(fù)合囊袋內(nèi)首先充滿漿液，漿液使囊袋膨脹，封堵兩段鉆孔。復(fù)合囊袋的加工制作是本項目的關(guān)鍵技術(shù)之一。我們制作的囊袋如圖 42. 圖 42 復(fù)合囊袋材料圖片 1筒狀橡膠套 2內(nèi)層筒狀螺紋布 3外層筒 狀螺紋布 ⑵ 塑料出漿管是一段安裝有鉆孔注漿閥的塑料管，其上可以安裝 一個或多個鉆孔注漿閥，鉆孔注漿閥的數(shù)量根據(jù)塑料出漿管的長度確定。增加封孔段長度的措施主要是增加塑料出漿管的長度，對封孔段長度沒有限制，一般情況下，封孔段長度越大，封孔效果越好。如圖 43 所示。 圖 43 漿管 ⑶ 鉆孔注漿閥是個具有控制閥壓力的單項閥，只有當囊袋充滿漿液并完全本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報告 27 膨脹后，鉆孔注漿閥才能打開，向鉆孔注漿，并且漿液一旦從塑料出漿管出來之后不能再返回囊袋之中。 鉆孔注漿閥開啟 壓力與膨脹囊袋壓力之間需要合理的匹配，是本項目關(guān)鍵技術(shù)之 一 。 如圖 44， 圖 44 鉆孔注漿閥 鉆孔注漿閥主要有塑料件和鋼珠彈簧組成，彈簧的選擇要考慮兩個因素：第一，保證囊袋的充分膨脹；第二，保證較小的壓力損失。 ⑷ 囊袋注漿閥是個單項閥，不具備壓力控制功能，其阻力越小越好，我們實際使用時采用的是活動鋼珠，打開時不需要壓力，注漿完畢之后，在囊袋內(nèi)漿液壓力的作用下鋼珠自動關(guān)閉注漿口。 ⑸ 注漿管采用普通的液壓膠管，其核心技術(shù)在于注漿管與塑料堵頭件 之間的聯(lián)接方法，我們采用可剪斷銷聯(lián)接，當注漿壓力達到規(guī)定的注漿壓力時，剪斷銷自動剪斷，注漿管與 塑料都頭件之間自動分離，個別情況下可人力輔助將注漿管拔出。 注漿管脫離技術(shù)是本項目的關(guān)鍵技術(shù)之一。 ⑹ 塑料 堵 頭件是個整體注塑件，要求有較高的強度，需要采用工程塑料，我們實際應(yīng)用中采用纖維增強尼龍塑料，其形狀要考慮囊袋與其聯(lián)接的要求。 實際應(yīng)用中我們采用錐面自鎖鋼環(huán)聯(lián)接，即在注漿壓力的作用下，囊袋與塑料堵頭件之間自動鎖緊 ，如圖 45。 囊袋與塑料堵頭件之間的聯(lián)接是關(guān)鍵技術(shù)之一 。 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報告 28 圖 45 塑料堵頭件圖片 ⑺ 封孔抽采管采用柔性塑料管，即封孔抽采管和注漿裝置連成一體的情況下能夠卷成一卷整體下井， 一方面運輸方便，另一方面避免多管聯(lián)接 接口的漏氣。實際應(yīng)用中我們采用的是外徑Φ 35 的聚乙烯管材。成卷后的注漿裝置如圖 46，商品塑料管如圖 47，前端注漿裝置如圖 48. 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報告 29 圖 46 整批盤繞在一起的封孔注漿裝置 圖 47 塑料管 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報告 30 圖 48 端 部 注漿裝置 圖 49 實物照片 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報告 31 囊袋式注漿封孔法的 封孔 機理 本 研究基于主動式封孔原理提出的新型封孔方法 ， 其具體封孔原理可表述為 ： ⑴ 實現(xiàn)鉆孔壁注漿 加固 ，封堵初期漏氣裂隙 。 先向囊袋注漿，通過囊袋膨脹后封堵封孔段鉆孔，然后囊袋內(nèi)的漿液再向鉆孔壁注漿，通過巧妙的裝置（注漿囊袋）實現(xiàn) 封孔段鉆孔的注漿 ，解決了多年來人們沒有解決的 任意角度注漿封孔 的難題。 根據(jù) 小節(jié)分析，對鉆孔壁注漿加固，可減小漏氣圈截面，降低煤體透氣性。 注漿時漿液在注漿壓力作用下 充填 鉆孔周圍的裂隙，起到封堵初期漏氣通道的作用 ，見圖 410。 圖 410 主動支護 式 封孔機理示意圖 1裂隙充填區(qū) 2膨脹支護力 3膨脹水泥柱 4封孔抽采管 ⑵ 附加二次封孔支護力，減小漏氣圈截面積。封孔支護力包括注漿壓力和注漿材料微膨脹產(chǎn)生的膨脹力。在封孔注漿封孔時，注漿壓力對鉆孔施加第一次封孔支護力支護作用。 注漿材料初凝后發(fā)生體積膨脹， 可產(chǎn)生 膨脹力 ，對鉆孔施加第二次封孔支護力。 ⑶ 改變封孔段鉆孔周圍的煤體強度。在注漿壓力作用下，部分注漿材料進入鉆孔周圍的裂隙，使封孔段鉆孔周圍的煤體強度得到提高，即提高 C 值和 ? 值。 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報告 32 5 新型封孔方法配套注漿材料的研究 新型封孔方法對配套注漿材料的滲透性、膨脹性、早強性有特殊要求。注漿材料選材與配比是否合理，直接影響封孔效果，因此研制注漿材料也是本研究的關(guān)鍵內(nèi)容。 注漿材料的要求 根據(jù) 新型封孔方法 的封孔原理、封孔機理和操作施工工藝，注漿材料只有達到如下要求時才能取得最佳封孔效果： ⑴ 封孔材料應(yīng)具有滲透性 為了消滅鉆孔周圍的成孔裂隙，即消滅初期漏氣通道，注漿材料應(yīng)具有進入鉆孔周圍裂隙的特性，一般普通水泥沒有這種特性，超細水泥的使用效果要好于普通水泥。 ⑵ 封孔材料應(yīng)具有膨脹性 封孔材料的膨脹性對封孔效果十分重要，如果材料沒有膨脹性而有收縮性，那么就去不能取得應(yīng)有封孔效果。封孔材料的膨脹可以對鉆孔形成主動支護力，不僅可以防止鉆孔的收斂變形，而且使鉆孔周圍形成高應(yīng)力區(qū)，使封孔段周圍煤體的透氣性降低，減少煤體的漏氣，這一點兒非常重要，因為煤體本身就是一個透氣體。 ⑶ 封孔材料的強度和硬度不能過高 封孔材料凝結(jié)后在煤體里留下一個長度數(shù)米的圓柱體，采煤工作面采煤機割煤時要切割這些圓柱體，如果封孔材料的強度和硬度 過高，采煤機割煤時可能引起切割火花，給采煤工作面帶來安全隱患。一般素水泥的強度可以達到 40MPa左右，砂漿水泥的強度更高，這樣的強度超出了支護鉆孔的實際需要，根據(jù)實驗室試驗，水泥強度達到 15MPa 左右即可，因為水泥圓柱體受的是徑向均布圍壓，處于三向應(yīng)力狀態(tài)，實際抗壓強度更高，受壓不會有大的變形或破壞。 ⑷ 注漿材料必須在一定時間內(nèi)有較好的流動性 雖然封孔注漿施工可以采用風(fēng)動或電動注漿設(shè)備，實現(xiàn)快速注漿施工，但在設(shè)計材料流動性時必須以手動施工的時間來考慮，因為正在注漿施工的過程中可 能出現(xiàn)停電或停高壓風(fēng)情況。不僅如此，我們在設(shè)計注漿機具時，機具應(yīng)當具本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報告 33 有機動和手動的雙重功能。 ⑸ 注漿材料必須有一定的早強性 鉆孔是個微型的全煤巷道，鉆孔在地應(yīng)力作用下將發(fā)生變形，若不及時支護，松動圈會不斷擴大，因此注漿施工之后，要求注漿材料在較短的時間內(nèi)凝固，并有一定的強度，盡早對鉆孔實現(xiàn)主動支護，防止鉆孔的變形。 注漿材料原料介紹 本研究使用 的原料有：普通硅酸鹽水泥，硫鋁酸鹽水泥，萘系高效減水劑，高效膨脹劑、緩凝劑等。 本 研究 采用硫鋁酸鹽水泥 作為注漿材料主要組分 的原因是 基于高強 、超早強、微膨脹、可注性好等技術(shù)要求 。 本 研究采用 了硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥復(fù)合，通過礦物組分的優(yōu)化，作為注漿水泥的主要組分，然后添加減水劑、膨脹劑等外加劑，配制出既具有早強、高強特性、又具有可注性好、微膨脹、凝結(jié)時間可調(diào)的注漿 材料 。試驗要求在封孔 7 小時后水泥漿體的強度能達到 4Mp 左右，并且能至少保持 30 分鐘較好的流動性，以滿足注漿時間。 硫鋁酸鹽水泥是由中國建筑材料科學(xué)研究院水泥所發(fā)明并投入工業(yè)化生產(chǎn)的，是我國特有的一種新品種水泥。硫鋁酸鹽水泥是以無水硫鋁酸鈣(3CaO3AL2O3CaS04)和β 型 硅酸二鈣 (β –2CaOSiO2)為主要礦物組成的熟料，通過外摻二水石膏粉磨而成的。它與傳統(tǒng)的水泥有很大的區(qū)別。硫鋁酸鹽水泥的特性主要有 ： ⑴ 早強高強性 不僅有較高的早期強度，而且有不斷增長的后期強度，同時具有滿足使用要求的凝結(jié)時間。 12h～ 1d 的抗壓強度可達 35～ 50MPa， 3d 抗壓強度可達 50～70M Pa。 ⑵ 高抗凍性能 具有極好的抗凍性。在 0℃ ～ 10℃低溫下使用，早期強度是硅酸鹽水泥的 5～8 倍。在 0℃ ～ 20℃負溫下使用，加入 少量防凍劑，混凝土入模溫度維持在 5℃以上，則可正常施工。 ⑶ 高抗?jié)B性能 本煤層瓦斯抽采封孔器材研究 報告 34 硬化后的水泥結(jié)構(gòu)較致密，配制的混凝土的抗?jié)B性是同標號硅酸鹽水泥混凝土的 23 倍。 ⑷ 抑制堿 — 集料反應(yīng)性能 張利俊、鄧敏、張量承擔(dān)的國家九五攻關(guān)項目《重點工程混凝土安全性的研究》的第三專題《抑制堿一集料反應(yīng)的材料的研究和生產(chǎn)應(yīng)用》研究成果表明，硫 (鐵 )鋁酸鹽系列水泥在 試驗期內(nèi)能夠有效地抑制高活性石英玻璃的堿 — 硅酸反應(yīng)膨脹及高活性白云巖的堿 — 碳酸鹽反應(yīng)膨脹。研究表明，在一定的水灰比下，硫鋁酸鹽水泥混凝土內(nèi)部可以產(chǎn)生一個“自干燥”的環(huán)境，并具有維持這一干燥環(huán)境的能力，使混凝土結(jié)構(gòu)獲得水的可能性大大減小。這是因為在硫鋁酸鹽水泥漿體 — 集料的界面區(qū)，無水硫鋁酸鈣水化程度提高，石膏存在富余，因此造成鈣礬石晶體的富集，使界面區(qū)局部形成了低堿、干燥的環(huán)境，再加上其本身具有較低的堿含量，其混凝土孔溶液的低 OH－ 離子濃度和漿體中缺少固相 Ca(OH)2，使得具有高堿活性的集料失去了發(fā)生堿集料 反應(yīng)的前提條件，這是硫鋁酸鹽水泥低堿混凝土得以抑制堿集料反應(yīng)最本質(zhì)的原因。維持這一干燥環(huán)境需要將使水灰比降低到一定的程度，這一程度與完全水化時的理論需水量有關(guān)。因此，采用硫鋁酸鹽水泥制備注漿水泥，不存在堿 — 集料反應(yīng)之慮，非常適合