封孔处理论文（精选7篇）
封孔处理论文 篇1
摘要：微弧氧化膜表面的微孔对氧化膜性能有较大的影响。采用硅酸钠、沸水和常温封孔剂对ZL108铸铝微弧氧化膜进行了封孔处理,研究了封孔处理对微弧氧化膜性能的影响。结果表明:封孔处理后,微弧氧化膜表面形貌发生了变化,膜厚略有增加,表面硬度显著下降,耐蚀性提高。3种封孔工艺中,硅酸钠封孔后微弧氧化膜表面硬度最高,耐蚀性最好。
关键词：微弧氧化膜,封孔,铸铝,厚度,硬度,耐蚀性
0前言
微弧氧化是阳极氧化技术的多样化、双阶段氧化、脉冲阳极氧化等发展和应用的结果[1]。微弧氧化膜层具有良好的耐腐蚀、耐磨和耐热性能,其氧化机理、氧化过程、氧化工艺、氧化膜性能和应用等已有大量的研究[1,2,3,4,5,6]。微弧氧化膜表面存在的大量微孔是腐蚀液到达基体的通道,会使氧化膜的腐蚀性有大大降低,甚至会使氧化膜龟裂、脱落。对微弧氧化膜进行封孔处理可以防止以上缺陷。目前采用SiO2溶胶[7]、钛酸四丁酯和Na2SiO3[8]、有机物[9]、碳酸盐[10]、阴极电泳[11]等对镁、钛合金微弧氧化膜进行封孔处理。本工作采用硅酸钠、沸水和常温封孔3种工艺简单、操作方便的封孔工艺对ZL108铸铝微弧氧化膜进行了封孔处理,探讨了封孔后微弧氧化膜的表面形貌和耐腐蚀性能,首次研究了3种封孔工艺对ZL108微弧氧化膜硬度和厚度的影响,并对其机理进行了初步分析。
1 试验
1.1 微弧氧化膜制备
基材为ZL108铝合金,尺寸为20 mm×20 mm×5mm,化学成分(质量分数):8.0%～13.0%Si,0.5%～1.5%Cu,0.8%～1.3%Mg,0.8%～1.5%Ni,Al为余量。将其置于15%NaOH溶液中50℃清洗2 min,然后用蒸馏水冲洗。
采用功率为5 kW的恒流-脉冲微弧氧化装置进行微弧氧化;电解液成分:20 g/L硅酸钠,5 g/L氢氧化钠,1 g/L偏铝酸钠;氧化工艺参数:脉冲电流,占空比30%,频率100 Hz,电流密度10 A/dm2,温度30℃,氧化时间15 min,电压490 V。
1.2 封孔处理
(1)硅酸钠封孔将微弧氧化件置于以蒸馏水配制成的15 g/L硅酸钠封孔液中,90～95℃,20 min后,取出冲洗,晾干。
(2)沸水封孔将微弧氧化件置于蒸馏水中,90～95℃,20 min后,取出冲洗,晾干。
(3)常温封孔将微弧氧化件置于蒸馏水配制的15 g/L常温封孔液(5 g/L氟化镍,5 g/L醋酸镍,3 g/L硼酸,2 g/L硫脲)中20℃,20 min后,取出晾干。
1.3 封孔后膜层性能检测
采用TT230型测厚仪测量膜层厚度,HVS-1000型显微硬度仪测量膜层硬度,Hitachi S-3400N扫描电镜分析表面形貌,IM6电化学工作站测试膜层的极化曲线,溶液为3.5%NaCl。
2 结果与讨论
2.1 封孔对微弧氧化膜表面形貌的影响
用不同方法封孔后氧化膜的表面形貌见图1。未封孔处理的微弧氧化膜表面光滑,具有火山状的熔融氧化膜和大的孔隙,局部有裂纹(图1a)。沸水封孔的微弧氧化膜表面形貌与未封孔处理的差别不明显,只是相对平滑一些,局部地方有一些细小吸附物,这是由于蒸馏水中杂质含量少,不能封闭10μm左右的微孔,但是沸水封孔时的水合反应使氧化铝转变成勃姆体结构的水合氧化铝,使孔壁膨胀从而使微孔的底部被封闭起来[12],这也是其氧化膜表面裂纹比未封孔的明显的原因。
硅酸钠封孔处理的微弧氧化膜表面明显变粗糙,有团絮的物质附着和火山坑状孔隙(见图1c)。其微孔的大小相对于前两种明显变小,这是因为硅酸钠吸附在微弧氧化膜的表面和孔隙里。
常温封孔的微弧氧化膜表面孔隙和低凹处全部被封孔剂所填充,只有局部地区露出一些氧化膜,典型的火山坑状的熔融氧化膜和孔隙已经全部消失。
由此可知,常温封孔微弧氧化膜表观效果最好。
2.2 封孔对微弧氧化膜厚度的影响
图2显示,封孔处理后氧化膜的厚度略有增加,不同的方法增加程度不一样,与未封孔相比:沸水封孔膜厚基本没有变化;硅酸钠封孔后膜厚平均增加1.6μm,增幅最大;常温封孔后平均膜厚只增加了0.4μm。这与表面形貌的结果不同,原因可能是制备微弧氧化膜时采用的是硅酸钠溶液,封孔也采用硅酸钠,硅酸钠与氧化膜表面结合较好。
2.3 封孔对微弧氧化膜表面硬度的影响
图3显示封孔处理后微弧氧化膜表面显微硬度明显下降:沸水封孔下降最明显,原因是沸水封孔时水合反应使氧化铝转变成勃姆体结构的水合氧化铝,使孔壁膨胀,氧化膜表面微裂纹增多;硅酸钠和常温封孔后膜层表面都有一层附着物,虽然厚度很小,但影响到了氧化膜的表面真实硬度,导致其表面硬度下降;20℃常温封孔,膜表面微孔吸附的是一层以氟化镍为主成分的附着物,附着力较低,一旦将其除去,氧化膜的表面硬度就会达到未封孔时的硬度。因此,硅酸钠和常温封孔导致的表面硬度下降不会影响微弧氧化膜在活塞表面作为热障涂层的使用性能。
2.4 封孔对微弧氧化膜耐蚀性的影响
采用3.5%的NaCl溶液测试的膜层的极化曲线见图4,极化参数见表1。
表1显示,封孔处理后的微弧氧化膜的自腐蚀电位高于未封孔处理的,且腐蚀电流密度都要比未封孔处理的小。这说明微弧氧化膜封孔处理后耐蚀性能有了提高,这与文献[11]极化曲线法研究封孔处理对镁合金微弧氧化膜耐蚀性影响的结果一致。封孔处理使膜耐蚀性提高的原因:由于孔隙的吸附作用,使封孔剂吸附和填充在微弧氧化膜的微孔内和膜表面,使原本疏松的外层氧化膜逐渐变得致密,最终使整个氧化膜表面吸附了一层封孔剂;封孔后Cl-较难直接渗入基体诱发反应,自腐蚀电位提高,其中硅酸钠封孔对Cl-的扩散有较好的阻挡作用,常温封孔次之,沸水封孔微弧氧化膜耐蚀性提高最少。
3 结论
(1)沸水封孔处理对微弧氧化膜的表面形貌影响很小,硅酸钠和常温封孔处理后氧化膜表面形貌发生改变。
(2)封孔处理对氧化膜的厚度影响较小。
(3)封孔处理后微弧氧化膜表面硬度下降明显,其中沸水封孔氧化膜表面硬度下降最多,常温封孔处理次之,硅酸钠封孔下降最少。
(4)封孔处理能够提高微弧氧化膜的耐蚀性,其中,硅酸钠封孔耐蚀性最好,常温封孔次之,沸水封孔效果最差。
参考文献
[1]蒋百灵,白力静,蒋永锋,等.铝合金微弧氧化技术[J].西安理工大学学报,2000,16(2):138-142.
[2]薛文斌,邓志威,来永春,等.有色金属表面微弧氧化技术评述[J].金属热处理,2000,25(1):1-3.
[3]刘耀辉,李颂.微弧氧化技术国内外研究进展[J].材料保护,2005,38(6):36-38.
[4]蒋百灵,张先锋,朱静.铝、镁合金微弧氧化技术研究现状和产业化前景[J].金属热处理,2004,29(1):23-28.
[5]李建中,邵忠财,田彦文.微弧氧化技术在Al、Mg、Ti及其合金中的应用[J].腐蚀科学与防护技术,2004,16(4): 218-221.
[6]刘杰.低能耗铝合金微弧氧化技术研究[D].大连:大连海事大学,2008:2-13.
[7]蔡启舟,王栋,骆海贺,等.镁合金微弧氧化膜的SiO_2溶胶封孔处理研究[J].特种铸造及有色合金,2006,26 (10):612-614.
[8]郝国栋,郭永良,王超宇.微弧氧化陶瓷膜封孔后处理及抗高温氧化性能的研究[J].人工晶体学报,2009,38(增刊):339-341.
[9]王天石,何劼,夏乐洋,等.镁合金微弧氧化膜有机封孔耐腐蚀性能的研究[J].表面技术,2006,35(6):8-10.
[10]李勇,牛丽媛,高光亮,等.微弧氧化工艺及封孔处理对镁合金耐蚀性能的影响[J].表面技术,2008,37(6): 14-17.
[11]李新波,孙长涛,郝建民,等.镁合金微弧氧化及后续涂装耐蚀性电化学分析[J].热加工工艺,2009,38(18): 104-106.
[12]朱祖芳.铝阳极氧化膜封孔技术之进展[J].电镀与涂饰,2000,19(3):33.
封孔处理论文 篇2
1 顺层钻孔封孔及抽采浓度现状
目前, 十二矿顺层瓦斯抽采钻孔采用的是聚氨酯+水泥封孔方法。
下行孔封孔: (1) 将聚氨酯子母袋混合在一起, 迅速用胶带将其与瓦斯抽采管里端固定在一起; (2) 将瓦斯抽采管插入钻孔内20~30 m; (3) 24 h后使用注浆泵向孔内注浆 (图1) [3,4,5]。
上行孔封孔: (1) 将瓦斯抽采管与专用注浆管用胶带固定在一起; (2) 将瓦斯抽采管 (及专用注浆管) 插入钻孔内20 m; (3) 在孔口处使用聚氨酯子母袋封堵; (4) 24 h后使用注浆泵通过专用注浆管向孔内注浆, 待水泥浆液从瓦斯抽采管中溢出时, 停止注浆 (图2) 。
抽采浓度低的主要原因: (1) 一般水泥在凝固过程中体积缩小, 在钻孔内形成漏气通道; (2) 在注浆过程中, 注浆压力较小, 且一般水泥的颗粒较大, 水泥浆液无法挤入封孔段钻孔的裂隙中封堵初期裂隙, 造成漏气量增加; (3) 封上行孔时, 当水泥浆液从瓦斯抽采管中溢出时, 说明水泥浆液已注满, 则停止注浆, 这个过程中水泥浆液可能将筛管堵塞, 影响抽采; (4) 注浆时间滞后24 h甚至更多, 煤体已发生变形, 后期裂隙已经形成, 漏气通道增多。
2 顺层钻孔的合理封孔深度确定
确定瓦斯抽采钻孔的合理封孔深度对提高封孔效果具有重要意义。若封孔深度较浅, 封孔段处于松动区内 (漏气带) , 外界空气将沿着煤层裂隙吸入抽采管路, 造成风流短路, 这样就会导致瓦斯抽采浓度大幅降低, 从而达不到抽采效果。若封孔深度较深, 不仅会造成封孔材料的浪费, 而且会导致松动区边界至封孔段末端一带煤体内的瓦斯抽不出, 为日后的生产留下安全隐患。若封孔深度超出巷帮应力集中峰值点的深度, 就会在峰值点区域形成一道应力屏障, 阻隔该区域两侧煤体内的瓦斯流动, 从而不利于瓦斯抽采和煤体卸压。因此, 合理封孔深度确定的原则就是要最大限度抽出煤体中赋存的瓦斯, 提高抽采浓度, 避免封孔材料的浪费, 同时也有利于煤体的卸压[6]。
2.1 钻屑法分析巷帮煤体内的应力分布
钻屑量法是用气动手持式钻机 (或风锚头) 垂直煤壁打42 mm的钻孔, 根据钻孔中排出的钻屑量变化规律及其伴随的动力现象来分析煤体内的应力分布状态。
(1) 钻屑量与煤体内的应力分布有一定的函数变化关系。随着应力的升高, 煤体的弹塑性变形量随之增加, 钻屑量也会随之增加。
(2) 钻进过程中的动力现象反映出了煤体内的应力集中程度。当钻头钻到应力升高区时, 钻孔周围的煤体发生变形较大, 甚至破碎, 从而导致塌孔、卡钻等孔内事故, 并伴随有煤炮声, 同时钻屑量异常增多, 钻屑粒度明显增大。
当钻进过程中开始出现以上现象时, 说明此时已进入应力集中带。这些动力现象越剧烈, 说明煤体内的应力越大, 应力集中程度越高。出现钻屑量最大的位置就是应力集中峰值点的位置。
钻屑量与煤体应力之间存在函数关系。把钻孔前煤体作为均质、各向同性的弹性体的平面应变问题来解决, 钻孔后出现非弹性变形的屈服准则为库仑—莫尔准则, 荷载简化为静水压力状态下的轴对称问题, 并未考虑煤在非弹性区所出现的应变软化性质。为了更接近实际情况, 把煤的应变软化性质和非弹性变形的扩容考虑在内, 建立钻屑量与煤体应力之间的关系:
式中, r为煤的容重;a为成孔后半径;R为非弹性半径;UR为扩容在内的孔内壁径位移;p为考虑扩容产生的影响, 一般取1.1~1.2;μ为泊松比;σc为煤的单轴抗压强度;q为系数, (φ为内摩擦角) 。
2.2 钻屑法的钻孔布置
己15-17200运输巷总长850 m, 钻屑钻孔地点布置在己15-17200运输巷距离入口400~450 m的靠近采面一帮的区域, 施工时己15-17200工作面两巷已完成贯通。该区域内瓦斯抽采钻孔为顺层钻孔, 钻孔直径89 mm, 成孔标准120 m, 孔间距为2 m, 钻孔成孔使用囊袋式注浆封孔后联入抽采管路。
采样钻孔位于相邻两抽采钻孔连线的中点。在该区域共布置采样钻孔5个, 钻孔编号为1#、2#、3#、4#、5#。采样过程中使用ZUST-30/2.5气动手持式钻机 (风锚头) , 配备42 mm钻头和长2 m的螺纹连接式麻花钻杆垂直煤壁打钻孔, 采样钻孔距底板的距离1.5 m, 孔间距2.0 m, 孔深15 m, 角度+16°。
对1#—5#钻孔钻屑量随孔深的变化规律进行分析 (图3) : (1) 在孔深1~8 m段钻屑量缓慢增加, 9~12 m段钻屑量迅速增加, 在12~13 m钻屑量出现峰值, 13~14 m钻屑量逐渐减少; (2) 根据沿钻孔方向的煤体应力的变化趋势推导得出0~8 m为巷道的松动区范围, 8~14 m为应力升高区, 在12 m左右达到应力峰值, 12~14 m应力逐渐降低; (3) 合理封孔深度应该超出松动区的范围并且要小于应力峰值距煤壁的深度。封孔深度应在8~12 m (图3) 。
3 两堵一注式新型封孔工艺
基于主动式封孔原理提出新型封孔方法, 即两堵一注式封孔, 其工艺如图4所示。
两堵一注式封孔基本原理: (1) 实现钻孔壁注浆加固, 封堵初期漏气裂隙。先向囊袋注浆, 通过囊袋膨胀后封堵封孔段钻孔, 然后囊袋内的浆液再向钻孔壁注浆, 通过单向阀实现封孔段钻孔的注浆。对钻孔壁注浆加固, 可减小漏气圈截面, 降低煤体透气性。注浆时注浆液在注浆泵压力作用下填充钻孔周围裂隙, 起到封堵初期漏气通道作用。 (2) 附加二次封孔支护力, 减少漏气圈截面积。封孔支护力包括注浆压力和注浆材料微膨胀产生的膨胀力。在注浆封孔时, 注浆压力对钻孔施加第1次封孔支护作用。注浆材料采用膨胀材料, 膨胀力可接近地应力, 使封孔段钻孔周围形成高应力区。膨胀力可以压密未曾充填裂隙、减少漏气, 同时可降低封孔段煤体透气性。 (3) 改变封孔段钻孔周围的煤体强度。在注浆压力作用下, 部分注浆材料进入钻孔周围的裂隙, 使封孔段钻孔周围的煤体强度得到提高。
4 结论
采用钻屑法确定合理封孔深度, 为两堵一注式封孔方法效果奠定理论基础。采用两堵一注式封孔在抽采3个月内平均浓度在30%, 6个月后平均浓度仍在25%左右。采用两堵一注式封孔工艺, 大幅提高了瓦斯的抽放浓度, 延长了抽放钻孔的抽放时间, 提高了整个矿井的抽放浓度和抽放量, 为煤层瓦斯长时间预抽提供了技术支撑。
摘要：平煤股份十二矿为煤与瓦斯突出矿井, 煤层瓦斯压力和含量高。受封孔技术影响, 顺层钻孔封闭效果差, 漏气严重, 抽采浓度低, 抽采效果不理想。为改善封孔效果, 结合该矿实际, 对封孔过程中的各个环节进行分析、探讨, 决定利用钻屑法确定封孔深度和两堵一注式注浆封孔工艺。该工艺有效改善了钻孔的封孔效果, 提高了瓦斯抽放浓度, 保证了回采工作面消突和瓦斯抽放的有效时间。
关键词：封孔深度,钻屑量,变化规律,两堵一注
参考文献
[1]俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1992.
[2]于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术[M].北京:煤炭工业出版社, 2006.
[3]赵正均, 郭胜均.KFB型矿用水泥稠浆封孔泵的研制[J].矿业安全与环保, 1999 (2) :19-20.
[4]王永安, 赵耀江.瓦斯抽放钻孔封孔方法的改进[J].山西煤炭, 2006, 26 (3) :24-25.
[5]高振勇, 张志刚, 尹斌.提高聚氨酯封孔质量的研究[J].矿业安全与环保, 2009 (S1) :37-38.
注浆封孔材料的研究进展 篇3
1注浆封孔材料的分类
目前注浆封孔材料按其化学成分可大致分为粘土材料、水泥基材料、高水材料、高分子材料四大类。
粘土 (黄泥) 浆封孔是最早使用的封孔法, 封孔材料为质地细密、富有可塑性的半干粘土、黄泥或黄泥-水泥混合物等[7]。由于粘土密度较大, 充填于钻孔后, 除能起到隔离水量较小的含水层与其他地层互相串通外, 还可以保持孔壁压力平衡而防止钻孔坍塌, 并且粘土颗粒水化后产生粘结力, 使其具有一定的抗剪强度[8]。
水泥基材料是目前应用最为广泛的封孔材料, 它对钻孔围岩的地质条件适应性强, 流动度、凝结时间可调, 封孔长度得以保证, 而且材料凝固之后遇水不会软化, 在一定程度上克服了粘土封孔的不足, 并且水泥浆也可掺加工业副产品 (如粉煤灰、矿渣等) 构成复合水泥基材料, 大幅降低封孔的成本[9]。
高水材料是一种新型特种水泥混合材料, 水灰比高达3∶1, 其甲组分由铝酸盐、硫铝酸盐或铁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。甲乙两组分在分别加水搅拌时, 24h内不沉淀、不凝固, 两种浆液混合均匀后, 经一定的物理化学反应, 30min内便可快速凝结、固化成固体材料[10]。
聚氨酯泡沫材料简称聚氨酯, 是一种性能优良的高分子合成材料, 具有密度小、强度高、隔音、热导率低、防水和施工方便等特点, 主要由黑料 (多异氰酸酯R-NCO) 和白料 (聚醚多元醇R-OH和助剂) 混合发泡而成。近年来, 随着聚氨酯应用面的逐渐拓展, 该材料在煤矿封孔、充填和密闭等方面也得到了很好的推广应用[11]。在封孔、充填和密闭的过程中, 聚氨酯具有膨胀性大、密封性好、粘结力强及不延燃等特点, 封孔时操作简单, 省时省力, 适合快速密封不同深度、孔径和角度的瓦斯孔和注水孔, 是性能较好的封孔材料[12,13]。
2注浆封孔材料的研究进展
2.1粘土材料
粘土浆封孔具有成本低、方法简单、易操作的优点, 只要钻孔围岩致密, 有一定的封孔深度, 就可以达到较好的封孔效果, 因此粘土封孔在某些现场仍有使用[14]。
自1802年法国土木工程师Charles Berigny在港口城市戴佩将悬浮的粘土浆和石灰浆用于修复被海浪损坏的砌筑墙基以来, 粘土浆作为一种优质廉价的注浆材料被广泛应用于其他领域, 至今已有200多年的历史。国内由煤炭科学研究总院建井研究分院于20世纪90年代, 经过课题攻关研究成功综合注浆法的成套技术, 以粘土-水泥浆为主要材料的综合注浆法得以广泛应用于煤田建设中[15]。冯向东[16]研究了粘土-水泥浆液的凝结过程及其主要化学反应, 根据实际施工中对浆液的要求, 提出了选择粘土的8项技术标准。徐润[17]对粘土-水泥浆液在裂隙中结石体的性能进行了研究, 测试结果表明粘土-水泥具有良好的渗透性, 可以满足对裂隙带的充填要求。陈晓明等[18]则探讨了改性粘土浆加促进剂前后的流变性能和固结机理。容玲聪[19]针对传统粘土制浆过程复杂的不足, 介绍了一种高速高效制备改性粘土浆的工艺, 为粘土浆的推广使用提供了技术条件。K.Masumoto等[20]将粘土注浆技术运用到解决地下采掘损伤区花岗质围岩水渗透的问题中, 结果表明钻孔在粘土注浆以后, 溢水率明显降低, 取得了较好的效果, 他们的研究还表明低浓度的膨润土浆液可以起到封闭微细裂纹的作用, 这为今后改善粘土浆封孔效果起到了启示性作用。
2.2水泥基材料
自1842年英国人Joseph Aspdin获得首个波特兰水泥专利以来, 水泥被广泛应用于生产建设的各个方面, 发展至今形成了庞大的硅酸盐水泥系列。然而水泥基材料存在一个明显的不足———后期易收缩干裂, 造成钻孔漏气漏水。借鉴前人的理论和实践成果, 可采取两种方式改善该材料的收缩干裂:一是减少水泥浆硬化过程中因水化放热过快产生的热膨胀;二是使材料具有缓慢发展的微膨胀性, 弥补材料后期的收缩干裂。
在水泥基材料中掺加一定量的粉煤灰有助于降低材料水化热、改善材料收缩干裂、提高材料的综合性能。M.Ahmaruzzaman[21]综述了粉煤灰的利用状况, 详细介绍了粉煤灰的诸多优点, 并对粉煤灰在煤田建设方面的应用做了相应介绍。我国学者刘建忠等[22]指出掺加30%~50%的粉煤灰可以显著降低水化放热速率和水化放热峰值, 并且能延缓峰值出现的时间, 且粉煤灰对水化的延缓作用要优于同等掺量的矿粉渣。Pipat和Atis等[23,24]研究表明当粉煤灰掺量大于50%时, 其抗收缩性能得到极大改善。粉煤灰对水泥浆的影响并不是单一的, 过量粉煤灰的掺加也会带来负面影响, 实际使用过程中应综合考虑总体性能。P.Nath和Chindaprasirt[25,26]从强度、干缩性、氯离子吸附及渗透性能等方面全面考察了粉煤灰-水泥浆的耐久性能, 发现适量粉煤灰的掺加有助于水泥浆耐久性能的改善。Siong等[27]认为砂子的级配也对水泥浆性能有着重要的影响, 高水灰比条件下细砂水泥浆固化体的强度和耐久性均好于粗砂水泥浆。此外, 刘广北等[28]选用生石灰-铝粉复合膨胀剂和固体速凝剂与P·O32.5水泥配比, 制得一种成本低、流动性好、微膨胀、凝结速度快、早期强度高的膨胀水泥封孔材料, 在现场应用中取得了良好的封孔效果。孙文标等[29]介绍了一种以高铝水泥、石灰、石膏等为主要材料的速凝高强膨胀型封孔材料, 并对该材料的凝结时间、膨胀率和强度等特性进行了测试分析, 认为该材料的膨胀与水化产物钙矾石具有较小的晶体尺寸并呈放射状分布有关。Cheng等[30]以水泥为基材, 配合高分子聚合物、膨胀组分、外加剂、纤维及偶联剂制得一种综合性能较好的新型封孔材料, 其封孔初始阶段瓦斯抽采率可高达80%。这些研究在改善水泥基封孔材料的性能方面均有着宝贵的参考价值。
2.3高水材料
高水材料综合性能优异, 能在较高的水灰比下迅速凝结固化, 抗压强度发展较快, 混合2h即可达到1.0~2.5MPa, 并且具有微膨胀性, 能满足大多数苛刻的施工要求。鉴于以上诸多优点, 高水材料被沿用到钻孔封孔施工中, 专家学者对高水材料的性质及其封孔性能也做了系统研究。
张英华等[31]对高水材料性质进行了研究并介绍了其封孔工艺, 试验表明高水材料是一种具有流动性好、凝结快、强度高、结晶微膨胀等特点的早强固化材料, 采用注浆式可直接实现良好封孔。彭美勋等[32]研究了包括悬浮剂、缓凝剂及速凝剂在内的高水材料各组分对材料性能与微观结构的影响。陈洪令等[33]研究认为掺入熟料用量10%的膨润土既可以满足固化体强度要求又可以消除材料在凝结时的泌水现象。尹艳玲和高清雯[34,35]将高水材料用于油井堵水和“三软”煤层注水防尘中均取得了良好的封孔效果。孙文德等[36]将膨胀水泥与高水材料配方有机结合并加入各种外加剂, 制得新型矿用封孔材料PD, 并采用微胶囊化技术, 使材料在缓慢凝固过程中逐渐膨胀, 以抵消材料后期的干缩, 取得了较好的封孔效果:瓦斯抽采体积分数从22.6%提高到36.8%, 平均抽采负压从2.8kPa提高到9.1kPa, 平均单孔瓦斯纯流量从9.42L/min提高到44.53L/min。郑春山等[37]运用环境扫描电子显微镜, 针对封孔材料的密封性能、材料与钻孔煤壁的结合特征、材料向钻孔周边的渗透情况对比研究了PD系列材料与聚氨酯材料, 发现PD系列材料内部结构严实, 可以有效提高抽采负压, 增大抽采瓦斯浓度值和纯瓦斯流量均值。中国矿业大学在高水材料的基础上研制出超高水材料, 其水固比高达11∶1, 流动性优异, 且具有材料凝结时间和强度可调、固结体不收缩等特点[38,39]。冯光明等[40]研究了复合外加剂和水固比对超高水材料凝结时间和强度的影响, 对胶体水化的机理进行了分析, 并用表面双电层理论对超高水胶凝体系的稳定性做了理论解释。丁玉等[41]进一步研究了不同水体积下超高水材料的体积应变、流变性、显微结构、稳定性等性质, 认为超高水材料综合性能优异, 具有较好的应用前景。
2.4高分子材料
无机材料注浆封孔时由于其水化颗粒粒径较大, 难以对钻孔围岩的微细裂纹进行封闭, 后期收缩干裂致使钻孔漏气漏水。针对以上传统封孔材料的不足, 人们开始寻求某些高分子材料替代无机材料, 其中聚氨酯泡沫材料即为一个典型代表。
1848年德国首先开始研究聚氨酯, 我国于1958年前后才开始研究和生产聚氨酯。真正开始将聚氨酯用于注浆封孔的国家是美国和日本, 此后各国先后开展对这一领域的试验研究, 发展至今取得了丰硕的成果[42,43,44]。王大庆等[45]采用聚氨酯注浆封孔解决了松软煤层瓦斯抽采效果不佳的问题, 瓦斯抽采浓度达到90%以上。高振勇等[46]对聚氨酯的膨胀性及透气性做了介绍, 并指出聚氨酯在钻孔环形空间内的膨胀倍数与环形空间长度呈指数关系。周林峰[47]将聚氨酯应用于大湾煤矿的瓦斯抽采封孔施工中, 通过与水泥封孔对比发现, 聚氨酯封孔具有用量少、封孔长度短、施工时间短、封孔效果优异的特点。钻孔封孔质量的好坏取决于两个重要的因素:一是封孔材料的性能, 即材料的渗透性、粘结性;二是封孔长度。针对这个问题, 李季等[48]对聚氨酯封孔材料的渗透性、粘结性及其合理的封孔长度做了试验分析, 得出聚氨酯渗透系数较小, 仅为1.00546×10-6cm/s, 与煤的粘结强度的几何平均值为387.95kPa, 聚氨酯材料可作为瓦斯抽放和煤层注水的钻孔封孔材料, 并且其封孔长度大于0.976m即可。徐卫东等[49]采用新型合成树脂进行定位封孔, 也克服了以上不足, 取得了良好的封孔效果:钻孔平均抽放浓度提高了15%, 平均瓦斯抽放流量提高了0.007 m3/min。马灵军等[50,51]针对现有瓦斯抽采钻孔封孔技术的封孔长度短、深度小、对钻孔周围裂隙带封堵较差等不足, 在详细介绍化学注浆原理的基础上, 引入了一种化学注浆封孔技术, 即使用赛瑞封孔材料, 通过手动注浆泵加压注浆, 完成封孔操作, 注浆量计算公式为:
式中:W为注浆量;D为封孔直径;d为瓦斯抽采管直径;L为注浆管长度。
3目前注浆封孔材料存在的主要问题
(1) 以水泥为主要成分的无机封孔材料, 由于水化颗粒粒径较大, 难以封闭微细裂纹, 导致漏水漏气。单一组分封孔材料的性能, 将越来越不能满足对封孔性能的要求, 如粘土封孔遇水软化、水泥封孔易干缩以及不易封闭微细裂纹、化学注浆封孔成本高以及易污染等。
(2) 封孔材料的微膨胀性用于封堵微裂纹以及弥补材料后期干缩, 然而目前在控制封孔材料膨胀速度方面的研究还不足。在封孔材料中添加膨胀药剂, 可以实现材料的微膨胀性, 但不加以控制的话, 膨胀药剂在封孔初期就会消耗完全, 对材料后期的收缩将起不到弥补作用, 如何控制特殊外加剂缓慢发挥效用亟需进一步研究。
(3) 化学注浆封孔材料对环境和人体有一定的潜在威胁, 例如异氰酸酯是聚氨酯的基本原料, 对人体有严重危害。并且封孔材料多为一次性, 一次封孔失败便会造成废孔, 需重新钻孔封孔, 封孔成本较高, 材料的可操作性和可回收利用性差。
4结语
我国政府一贯高度重视煤矿生产安全, 并把瓦斯治理作为煤矿生产安全工作的重中之重, 着力遏制重、特大瓦斯事故的发生。封孔材料在预防瓦斯事故方面扮演着重要的角色, 随着研究的深入进展和人们安全生产意识的提高, 对封孔材料的性能势必会提出更高的要求, 可以从以下几个方面展开研究:
(1) 尽管封孔材料经过多年研究取得了较大的进展, 在预防煤矿瓦斯事故方面作出了很大的贡献, 但是目前封孔材料的性能仍存在诸多的不足, 单一组分封孔材料的性能将不能满足安全高效生产的要求。通过多组分复合的封孔材料的性能将更加全面, 其抗渗性好、注浆性能优异、不收缩、凝结时间易于控制、适于运输和存储, 封孔材料多组分间的复合技术将会成为今后研究的方向和重点。
(2) 微胶囊化技术是使用天然或合成的固体将气体、液体和固体包覆与封装, 但这种技术目前尚不成熟, 存在包覆率低、工艺复杂、成本偏高等不足, 仍有待进一步研究改进。国内已有学者初步尝试应用此技术处理膨胀剂, 用于控制药剂缓慢发挥效用。可以预见, 随着微胶囊化机理、工艺等研究的不断深入, 这种技术在外加剂处理方面将有重要的应用。
瓦斯压力测定钻孔封孔工艺优化 篇4
1 影响测压成功的因素
(1) 测压地点选择[1]:测压地点地质情况对测定结果有很大影响, 根据行业规范《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》 (AQ/T1047—2007) 规定, 应优先选择在石门或岩巷中岩性致密且无构造、裂隙等地质构造的地点。
(2) 测压钻孔必须有足够的封孔深度, 穿层测压钻孔的见煤点或顺层测压钻孔的测压气室应位于巷道的卸压圈之外。
(3) 采用注浆封孔时, 应防止水泥浆凝固后因收缩产生裂隙。根据封孔深度, 在水泥浆中加入一定比例的膨胀剂, 膨胀剂 (膨胀率不小于0.02%) 的掺量为水泥的12%。
2 瓦斯测压钻孔封孔工艺研究
根据现场地质情况, 封孔工艺可以归纳为5类:孔口岩石破碎型、注浆段煤层松软型、小倾角或近水平型、封孔段长度过长型、和俯孔型。
2.1 孔口岩石破碎型
实际工作中, 在运用穿层孔测压时经常遇到孔口段岩石较破碎情况, 加之矿井在加固巷道时施工的大量锚杆、锚索等, 封孔时容易造成漏浆现象, 甚至导致钻孔报废。经过现场实际工作中观察, 漏浆段岩层厚度往往不超过3 m (即小于巷道卸压圈的裂隙带高度) , 如果能避开这段再向上就进入了岩层致密段。针对这种情况, 提出“聚氨酯+水泥浆”的封孔方法。即按照水泥浆封孔方法连接好注浆管和测压管后, 首先用聚氨酯封堵孔口的2～3 m较为破碎岩层段, 然后再用水泥浆注浆密封剩余段。封孔情况如图1所示。注浆封孔设备为:额定压力4 MPa的注浆泵;高精度气体压力表 (额定压力4 MPa、最小刻度0.1 MPa) ;内径25 mm、额定压力32 MPa的高压胶管;Ø22 mm白铁管作为测压管。
2.2 注浆段煤层松软型
目前, 绝大多数地方煤矿采掘巷道越来越多地选择在煤层中布置, 多数情况下矿井测定煤层压力时不具备从底板或顶板岩石巷向待测煤层打穿层测压钻孔的条件, 而当煤层倾角较小, 并且煤层较松软时封孔较为困难。按照传统的注浆封孔方法, 经常造成注浆管堵塞、钻孔塌孔, 后果是封孔长度不能准确估计或者封孔失败。因此有必要研究针对上述特殊情况下的注浆封孔工艺。经过分析, 造成封孔困难的原因主要是当煤层较松软时, 遇到水泥浆时往往会形成糊状沉淀物使钻孔中某一段堵塞, 进而造成后续注浆过程中压力过大、高压管损坏等情况。因此提出改变注浆管的安装方式, 将传统的从下向上注浆改为从上向下注浆, 使钻孔中形成的糊状物随着后续注入水泥浆的冲击下沉至孔口, 经实践检验效果较好。封孔效果如图2所示。
2.3 小倾角或近水平型
根据目前测压规范[2], 测压孔的最小倾角必须大于5°, 并且封孔深度不小于L封=L1+Dcot θ。其中, L封为钻孔实际封孔深度, m;D为钻孔直径, m;θ为钻孔的倾角, (°) 。
如果按照上述公式, 较小倾角的测压钻孔封孔深度将非常大, 并且按照通常的封孔方法, 钻孔封孔后孔上部将形成较大的三角空体积。为减小小倾角下钻孔中的三角空体积, 经分析, 决定采用“加堵浆板”的封孔方法。即在按照正常注浆法封孔前, 首先在筛孔管尾部添加堵浆板, 然后在堵浆板周围用破布条或棉纱捆扎一圈形成倒扫帚形, 将改装后的测压管安装到位后使堵浆板和棉纱相互作用与孔壁间密封, 保证后续注入的水泥浆不会充满整个钻孔木塞与堵浆板之间的空间。这种方法经过现场试验, 取得了良好效果。普通的注浆封孔和加堵浆板后的注浆封孔效果对比如图3所示。
2.4 封孔长度过长型
当遇到矿井开采煤层群时, 巷道布置在下部煤层中, 需要测定上部煤层瓦斯压力, 而层间距较大, 此时一个测压钻孔深度往往达到60 m以上甚至更长。在采用注浆封孔时普通功率的注浆泵难以满足现场要求, 因此, 如何能利用普通的设备密封较长的测压孔, 成为困扰现场施工人员的难题。经过分析研究, 在注浆封孔时所需要的压力为注浆管口到孔底间所形成的高差的水泥浆产生的压力, 在钻孔长度不能改变的前提下, 通过增加注浆管的长度也能达到降低注浆泵输出压力的要求。如图4所示, 该法经现场测验, 是可行的。
2.5 俯斜且长度较大型
在以往测压过程中, 经常遇到新建矿井的主要巷道均布置在待测煤层上方, 要想准确测定煤层瓦斯压力, 下向孔的封孔质量显得尤为重要。但是, 下向孔封孔因为排渣困难, 存在瓦斯气、煤层水等多种因素影响, 一直是被动法测压的难点。通过对下向孔封孔技术难点的分析, 探索了适用于穿松软煤层、易垮孔、涌水的下向钻孔测压工艺技术, 并在现场测试过程中取得了成功。
下向孔施工时要注意, 首先应优先选择大直径钻孔;其次在从煤层顶板钻进后, 不需钻进到煤层底板, 因为在钻进过程中钻屑从钻进位置运移到孔口需要一定时间。因此, 在钻头进入煤层底板之前应停钻进行封孔。
封孔之前, 首先用压风将钻孔内的水和残渣排出孔外, 然后同步下放测压管、注浆管, 根据煤层厚度在测压管端部一根以上位置安装堵漏塞, 然后交替下放测压管和注浆管直到孔口。安装测压管结束后, 堵住孔口并安装排水管和阀门。在注浆过程中观察排水管排水情况, 直到排水管排出的全为水泥浆为止。管路安装方式如图5所示。
3 现场试验验证
3.1 孔口岩石破碎型测压钻孔
同鑫煤矿位于贵州省桐梓县楚米镇, 为测定C3煤层的原始瓦斯压力, 施工穿层测压钻孔, 钻孔参数及测定结果见表1[3]。由表1可知, 3-6号孔由于封孔过程中出现漏气而影响测定结果。
3.2 松软煤层中顺煤层测压钻孔
林华二矿位于贵州省金沙县, 由于矿井无底板巷道, 因此为测定9#煤层瓦斯压力的测压钻孔均为顺层钻孔, 钻孔参数及测定结果见表2[4]。
3.3 小倾角或近水平测压孔
玖园煤矿位于贵州省沙土镇, 测定5#煤层原始瓦斯压力的测压钻孔均为顺层测压钻孔, 钻孔参数及测定结果见表3[5]。
3.4 封孔长度过长测压孔
中岭煤矿位于贵州省六盘水市, 测定1#煤层的原始瓦斯压力的穿层测压钻孔总孔长超过了55 m, 钻孔参数及测定结果见表4[6]。
3.5 俯斜且长度较大测压孔
那罗寨煤矿位于贵州省六盘水市, 由于井下巷道条件限制, 为了测定13#煤层的原始瓦斯压力, 需要采用俯斜穿层测压钻孔, 钻孔参数及测定结果见表5[7]。
4 结论
根据实际情况, 可将测压钻孔分为:孔口岩石破碎型、注浆段煤层松软型、小倾角或近水平型、封孔段长度过长型、俯孔型5类情况。对于不同类型的封孔条件提出了有针对性的解决方案。通过实践验证, 上述方法效果较好。
摘要：煤层瓦斯压力是瓦斯基本参数中关键的参数之一。通过总结不同条件下的封孔工艺及方法, 针对不同条件选用合理的封孔方法, 解决了复杂地质条件下测压钻孔因漏浆、垮孔等原因导致测压钻孔报废的问题, 提高了封孔成功率。
关键词：测压,地质条件,封孔工艺
参考文献
[1]何书建, 张仁贵, 王凯, 等.新型封孔技术在煤层瓦斯压力测定中的应用[J].煤炭科学技术, 2003 (10) :33-35.
[2]国家安全生产监督管理总局.AQ/T 1024—2007煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法[S].北京:煤炭工业出版社, 2007.
[3]肖文江, 冯康武, 刘志伟, 等.贵州同鑫煤矿C3、C4、C5、C6煤层瓦斯基本参数测定及煤层区域突出危险性鉴定报告[R].重庆:重庆煤科院, 2010.
[4]冯康武, 张淑同, 李秋林, 等.林华二矿4号、5号、9号煤层瓦斯基本参数测定及煤层区域突出危险性鉴定报告[R].重庆:重庆煤科院, 2006
[5]万振亚, 冯康武, 霍永明, 等.贵州玖园煤矿5号、8号煤层瓦斯基本参数测定及煤层区域突出危险性鉴定报告[R].重庆:重庆煤科院, 2008.
[6]田景岗, 杜昌华, 冯康武, 等.贵州中岭矿业有限公司一井、二井煤层瓦斯基本参数测定及煤层区域突出危险性鉴定报告[R].重庆:重庆煤科院, 2006.
加压注浆封孔技术的研究与应用 篇5
1加压封孔基本原理
在煤层中掘进巷道,巷道周围产生了松动圈,根据岩石力学可知,松动圈的宽度为巷道半径的3～5倍。松动圈内裂隙增多,直接影响封孔效果,为了避免抽采钻孔漏气,抽采浓度低,利用封孔管两端的聚氨酯作为堵头、中间加压注瓦斯封堵材料的方式来达到改变瓦斯抽采钻孔周围煤体特性和密闭微孔裂隙的目的,以一定的压力将瓦斯封堵材料注入一个相对密闭的封孔空间及钻孔孔壁裂隙内,瓦斯封堵材料在压力的作用下,可以劈裂、扩展孔壁内煤体裂隙[4],充填封孔段及孔壁的裂隙。瓦斯封堵材料不仅沿钻孔横向产生加压效应,在纵向上也会产生加压效应,前者可以增加瓦斯封孔封堵材料的致密性,后者可以充分进入钻孔周围的裂隙中,提高了钻孔的密封性,该技术对各种要求封孔深度均可以使用[3]。具体工艺为:抽采钻孔施工完成后,用压风将孔内的残余煤屑吹干净,然后将帆布袋套在抽采管上(帆布袋内预留注聚氨酯管)两端用管卡固定,抽采管下至预定的封孔深度后,将聚氨酯通过预留注浆管送至预定的封孔位置。利用聚氨酯的膨胀特性,在封孔段内形成一个相对密闭的注浆空间。待聚氨酯完全固化后,再通过孔口预留的注浆管,用双液注浆泵将瓦斯封堵材料注进封孔段内相对密闭的空间内,待瓦斯封堵材料凝固后方可连接抽采系统。在实验室内针对聚氨酯发泡后不同时间固化后的抗压强度及承压强度,做了大量的分析试验,试验表明聚氨酯在发泡30 min后,可以承受0.5～1.2 MPa的压力,为开展加压注浆封孔试验奠定了基础。帆布袋聚氨酯+瓦斯封堵材料封孔如图1所示。
加压注浆封孔工艺流程:利用压风将钻孔内残余煤屑吹干净→帆布袋套在抽采管上→里段帆布袋两端用喉箍固定牢(帆布袋里预埋注聚氨酯管)→预埋注浆管→外段帆布袋两端用喉箍固定牢(帆布袋里预埋注聚氨酯管)→注里段帆布袋聚氨酯→注外段帆布袋聚氨酯→聚氨酯完全固化→注瓦斯封堵材料→瓦斯封堵材料凝固后连接抽采系统。
2封孔设备及材料
(1)封孔注浆泵选用2ZBQ-9/3型双液注浆泵,额定流量0～24 L/min,注浆压力0～6 MPa,可同时输送2种介质也可单独输送1种介质,具有性能稳定、结构紧凑、质量轻、移动操作维护方便的优点。
(2)注浆管选用市场上常见的铝塑管。
(3)选用散装聚氨酯,其发泡时间为2～3 min,发泡倍数8～15倍。
(4)选用瓦斯封堵材料封孔,其主要性能为:①水灰比大。使用时水灰比按1.0∶1.0～2.0∶1.0控制。②凝结硬化快。凝结时间30～60 min,并可根据不同的使用要求调整。③细度细。比表面积大于600 cm2/g,具有较好的流动性和填缝效果。④固化体微膨胀,膨胀率≥0.02%,堵漏抗渗性好。⑤满足抽采需要快。1∶1水灰比时2 h强度可达1 MPa以上,24 h强度可达3 MPa以上,后期强度持续增长,2 h即可接管实施瓦斯抽采。⑥具有“裂隙修复”功能,该封孔材料固化体在水中长期浸泡强度不会降低,反而会继续升高,在受压后出现的微细裂隙能够“自修复”。
3工业性试验
3.1试验地点概况
演马庄矿27131运输巷工作面上部为27111工作面(正在回采),下部为未采区,工作面左侧为F147断层,走向N69°E—N79°E,倾向南,落差16 m,右侧为F204-1断层,走向N116°E,倾向北,落差10 m左右,2条断层均为正断层。煤层厚度平均4.07 m,煤层倾角最小为7°,最大为13°,瓦斯含量为13.88～16.45 m3/t,煤层透气性系数为0.300～0.457m2/(MPa2·d),煤层硬度f值为0.5～1.5。该工作面属煤与瓦斯突出危险工作面,煤尘无爆炸性,煤层不自燃,煤层层理节理较发育,绝对瓦斯涌出量为2 m3/min。
九里山矿16031运输巷煤层平均厚5.07 m,瓦斯含量为15.15～33.19 m3/t,煤层透气性系数为0.200～0.457 m2/(MPa2·d)。该地区上部临近马坊泉断层,上部工作面顶板相对破碎。另外,受马坊泉断层牵引,很可能会伴生一些小的断裂构造。此次试验所封抽采孔开口位于巷道下帮煤壁中部,距煤层顶板1.2 m左右,距巷道底板0.8 m左右,巷道顶板有淋水。
3.2封孔试验
演马庄矿27131运输巷自2011年12月16日至2012年1月12日共封35个抽采孔,两端1.5 m帆布袋聚氨酯中间注瓦斯封堵材料的封孔12个,合成树脂封孔10个,封孔段注15 m波雷因封孔13个。根据地测科探煤记录,该试验段处于薄煤带,煤厚约3 m。试验钻孔基本参数为:215#、217#、218#、219#、221#、223#、224#、226#、228#钻孔深70 m,216#孔深50 m,225#孔深60 m;钻孔倾角-11°;封孔深度15 m。
九里山矿16031运输巷2012年1月16—19日共封抽采孔12个,均采用里段3 m帆布袋,外段1 m帆布袋,中间注瓦斯封堵材料。该试验段顶板淋水,压力大,其中有4个试验孔跨在钻场两帮,封孔期间多数钻孔变形及孔内有水,试验钻孔基本参数为:39#、40#、43#、44#钻孔深101 m,41#钻孔深99 m,45#钻孔深93 m,46#钻孔深104 m,47#钻孔深103 m,49#钻孔深100 m,51#钻孔深80 m,52#钻孔深104 m;钻孔倾角-14°,封孔深度15 m。
3.2.1加压注浆封孔
采用两端各1.5 m帆布袋中间注瓦斯封堵材料封孔工艺,里封孔管全长18 m(1.5 m花管),在15 m处用喉箍把帆布袋两端固定牢靠(帆布袋里预留注聚氨酯管),5～6 m处固定注浆管,孔口以里1.5 m处用喉箍把帆布袋两端固定牢靠(帆布袋里预留注聚氨酯管),里段注聚氨酯2 kg(主要考虑注浆泵及注浆管内的损耗),外段注聚氨酯1 kg,待聚氨酯完全固化后注瓦斯封堵材料,瓦斯封堵材料凝固后,连接主抽采管,连抽后所测钻孔抽采参数见表1。
从表1可以看出,用两端1.5 m帆布袋里注聚氨酯中间注瓦斯封堵材料后,抽采浓度均在90%以上,只有216#钻孔浓度稍低,为94.1%,平均浓度为97.6%。平均纯量为138 m3/d。
采用里段3 m帆布袋、外段1 m帆布袋中间注瓦斯封堵材料的封孔方法,与两端各1.5 m帆布袋的封孔方法基本相同。聚氨酯完全固化后,连接主抽采管,待浓度大幅度降低时,再对抽采钻孔加压注浆,注浆前、后测定抽采浓度见表2。
由表2看出,采取加压注浆封孔后,平均抽采浓度由39.9%提高到82.2%,最大单孔抽采浓度提高了65.7倍,平均抽采浓度提高了2.1倍;采用加压注浆后可使88.9%钻孔瓦斯抽采浓度超过50%,使55.5%钻孔瓦斯抽采浓度超过90%,大幅度提高了瓦斯抽采浓度。
3.2.2合成树脂封孔
采用合成树脂封孔方法,在封孔管15 m处绑1组合成树脂后,依次间隔1.0～1.5 m绑1组合成树脂,绑至孔口以里1 m处为止,15 m封孔段一共用合成树脂20袋,连抽后测试瓦斯抽采参数见表3。
从表3可以看出,用合成树脂封孔后,70%的钻孔抽采浓度在90%以上,仅有2个抽采钻孔浓度稍低(50%～60%),平均浓度为87.9%,平均纯量为55 m3/d。
3.2.3波雷因封孔
采用波雷因封孔方法,在封孔管15 m处绑1组合成树脂作为堵头,将铝塑管下至15 m处,使用气动注浆泵(2ZBQ-9/3型)注波雷音材料,注波雷因时,边注边退注液管,待注液管退至孔口1 m时,停止注液,实现15 m全段封孔。待波雷因固化后连接主抽采管,连抽后测试瓦斯抽采参数见表4。
从表4可以看出,用波雷因封孔后,77%的钻孔抽采浓度在90%以上,平均浓度为89.7%,平均纯量为83 m3/d。
4效果分析
对同一地区3种不同封孔工艺的钻孔抽采钻孔进行了长期的数据测定,绘制的3种封孔工艺的抽采浓度及瓦斯纯量变化趋势如图2、图3所示。
由图2可以看出,经过4个多月的钻孔瓦斯抽采,加压注浆封孔钻孔的平均抽采浓度均在85%以上,衰减速度较慢;波雷因封孔钻孔的平均抽采浓度均在80%以上,平均抽采浓度稍微比加压注浆封孔低些,衰减速度和加压注浆封孔相近;合成树脂封孔的钻孔,初期平均抽采浓度在85%以上,但抽采1个月后降至55%,衰减较快,抽采浓度不及加压注浆封孔和波雷因封孔。
从图3可以看出,0～40 d的平均抽采负压为20.4 kPa时,3种封孔工艺的抽采瓦斯纯量均呈递次衰减;40～80 d平均负压为26.9 kPa时,3种封孔工艺的抽采纯量也随抽采负压的增大而趋于稳定;80～120 d平均负压为48.5 kPa时,随抽采负压大幅度提升,加压注浆和波雷因封孔的钻孔抽采纯量均呈上升趋势,而合成树脂封孔的钻孔则呈现下降趋势,分析认为:合成树脂所封的抽采钻孔,在高负压的连续抽采下,致使钻孔周围的裂隙相互沟通,造成串气漏气,抽采纯量降低,而使用加压注浆和波雷因封孔工艺则是把整个封孔段加压注实,避免了钻孔周围的裂隙沟通。由对比可知,加压注浆封孔钻孔的平均抽采瓦斯纯量为63 m3/d,高于波雷因封孔钻孔平均纯量(56 m3/d)及合成树脂封孔钻孔平均纯量(36 m3/d)。封孔连抽4个多月,加压注浆封孔抽采瓦斯纯量分别是波雷因封孔和合成树脂封孔的1.13,1.75倍,反映出加压注浆封孔效果优于其他2种封孔方式。
5封孔成本
采用合成树脂封孔,每孔20袋,材料费为500元/孔;用波雷因封孔,每孔约18 kg,材料费600～700元/孔;用加压注浆封孔,材料费为350～450元/孔。通过4个多月的试验分析认为,单纯使用合成树脂封孔,初始抽采浓度大多在80%～90%,抽采1个月后衰减较快,封孔成本也高于加压注浆封孔。波雷因封孔与加压注浆封孔的抽采效果接近,但是封孔费用较高。综合3种封孔方法,加压注浆封孔在抽采效果和封孔成本上均优于其他2种方法,不但降低了封孔成本,而且提高了抽采效果,值得推广应用。
6结论
(1)加压注浆封孔技术较其他方法使瓦斯抽采浓度提高了20%～40%,抽采纯量提高了1.13～1.75倍,有效提高了抽采钻孔的封孔质量,保证了瓦斯抽采效果,缩短了抽采周期,同时降低了封孔成本,确保了矿井持续发展,取得了显著的经济效益。
(2)采用预留注浆管,在抽采浓度大幅度降低时加压注浆封孔的方式,使钻孔平均抽采浓度提高了2.1倍,钻孔抽采时间相对延长,有效提高了钻孔利用率。且该方式操作较简单,适合较大范围的推广使用。
参考文献
[1]黄鑫业,蒋承林.本煤层瓦斯抽采钻孔带压封孔技术研究[J].煤炭科学技术,2011,39(10):45-48.
[2]王兆丰.我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨[J].焦作工学院学报:自然科学版,2003,22(4):241-246.
[3]王圣程,庞叶青,张云峰,等.抽采钻孔带压注浆封孔技术的研究与应用[J].煤矿安全,2011,42(6):4-6.
浅淡封孔钻孔充水情况分析 篇6
张辰煤矿井田位于鸡西聚煤盆地南部条带中部的主背斜的南翼。其地理位置为鸡西市南方约12公里, 坐标东经131°01′、北纬45°12′。井田东西走向长8公里, 南北倾斜长4公里, 面积为32平方公里。
张辰井田一九五八年十二月开始建井, 一九六四年七月正式投产。原设计能力为60万吨/年, 开采实见地质构造复杂, 达不到矿井生产能力, 一九六八年修改为45万吨/年, 一九九五年再次从新核定为45吨/年, 实际生产能力45万吨/年。一九八三年进行二水平生产, 二水平由±0至-300标高、现已开采至-470标高。
2 历次勘探工作简介
一九五三年以前, 鸡西矿务局曾做了少许地面调查工作, 施工六个钻机孔。一九五八年施工了五十二个钻机孔, 一九六八年至一九六九年鸡西矿务局在井田内进行了补充勘探, 共施工了17个钻机孔。此前钻机孔均为一水平范围内, 一水平由露头至±0标高, 不对现生产水平构成任何突水威胁。
特别要提到的是一九七七年十月至一九七九年十二月, 一零八地质队在井田内进行了深部详查勘探, 完成钻机孔60个, 此60个钻机孔封孔及充水情况, 直接关系到煤矿是否安全生产有无突水危险性至关重要。
3 深部钻机孔充水原因分析
张辰矿现已全面进入深部开采经采掘工程实际揭示、钻机孔为9个虽已封孔, 但充水钻机孔为5个经统计充水钻机孔占实际揭示钻机孔数的55%。具体见钻孔封孔、充水情况一览表。
封孔钻孔充水主要原因有以下几方面:
(1) 钻孔围岩性质。
煤系地层主要为沉积岩, 钻孔主要钻探也是沉积岩, 沉积岩具有一定的透气性, 钻孔封孔后在封孔处下部钻孔为中空状态有一定大充压力。由于沉积岩的透气性, 导致大气压力的缓慢的释放, 承压水和含水层水直接渗入钻孔内使钻孔充水。
(2) 地质构造影响。
钻孔位置处在断层、裂隙附近或直接穿过断层及构造裂隙带, 断层带构造裂隙带都有一定的导气性、导水性, 岩层水直接渗入钻孔内, 使钻孔充水有一定补给水源, 在实际工作中, 井下实见钻孔水释放后, 钻孔仍有淋、趟水现象。
(3) 封孔不良造成的影响。
由在封孔过程中水泥、沙子比例不合格, 封孔厚度不够、施工质量不合格、人为因素等等原因, 造成封孔质量不好, 导致封孔处上、下段有水力联系, 使钻孔充水。
4采取的安全技术措施
虽然80年钻孔有突水危险性, 但采取有效的防治安全措施。完全可避免突水危险。煤矿必须建立建全矿井水文地质资料, 掌握全矿井含水层的数量、厚度、含水性能, 采空区积水及钻孔封孔好坏等情况。为采区巷道布置, 预防钻孔突水事故发生提供可靠资料和有效措施。
掘进工作面采取超前钻探, 合理确定留设探水线, 我矿业集团公司采用钻孔见煤点为中心外推60米为探水线, 但在实际工作中可考虑外推30米为探水线较为合理。 (孔斜计算见煤点坐标、标高较为准确的)
采煤工作面钻孔与上部采空区或含水层有水力联系的, 采用经计算合理留设保护煤柱或超前钻探放水方法。
结语
瓦斯抽放钻孔封孔方法技术革新 篇7
针对松软突出煤层顺层钻孔预抽瓦斯中存在的由于封孔质量问题而引起的瓦斯抽放浓度偏低等问题, 在提高封孔质量方面采用新装备、新工艺和新方法, 通过选择合适钻孔封孔技术、工艺, 提高了抽放钻孔封孔质量, 提高了单孔抽放量;通过改进顺层抽放孔封孔工艺, 提高了封孔质量和瓦斯抽放浓度。通过解决钻孔施工和封孔质量问题, 提高了单孔瓦斯抽放浓度。
2 创新的思路
采用封孔段封孔的方法 (在编织袋内倒入聚氨酯缠绕封孔管) , 并在孔内预留注料管和排气管, 然后用注浆泵向孔内注入聚氨酯封孔剂, 使单孔抽放浓度和流量数倍提高。
3 实施的方法
3.1 钻场及钻孔布置
(1) 试验地点:23082下顺槽9号钻场下帮。 (2) 钻场情况:钻场为2.4×2.4m工字钢支护, 高2.1m, 长4.5m。 (3) 钻孔布置: (1) 在钻场下帮共布置6个试验钻孔, 钻孔倾角-14° (顺煤层倾向布置) , 孔口间距为0.5m, 终孔间距为4m。 (2) 1、3、4、6号钻孔采用新封孔工艺封孔, 2、5号钻孔仍采用封孔段封孔的方法 (在编织袋内倒入聚氨酯缠绕封孔管) 进行封孔, 以利于比较。
3.2 封孔方法
(1) 封孔设备:镇江煤安设备有限公司2ZBO-1012型注浆泵一台。 (2) 封孔材料: (1) PVC封孔管 (2寸) 36根 (每根2m) 。 (2) 直径:12mm注浆管40m。 (3) 聚氨酯封孔剂:80kg。 (4) 黄泥20kg。
3.3 封孔工艺
(1) 封孔段封堵及给料管 (排气) 管穿入方法。
设计封孔深度10m, 每个钻孔在施工完毕后, 封孔采用PVC封孔管 (6根/12m) , 在第二根 (3m处) 封孔管上用棉纱配聚氨酯封孔剂封1m长封孔段, 同时用胶带缠绕1根直径12mm的注浆管与封孔管同时穿入钻孔内, 在封孔管穿入钻孔剩余距离1m时, 用棉纱配聚氨酯封孔剂封1m长封孔段, 同时用胶带缠绕1根直径12mm的注浆排气管与封孔管同时穿入钻孔内。
(2) 注入聚氨酯封孔剂。
上述工作完毕后, 开始向孔内注聚氨酯, 注聚氨酯期间注浆泵风压控制在 (2～3) MPa之间, 剂量:每个钻孔10kg (A、B料各5kg) 。然后用黄泥封堵孔口, 二次固孔。
4 效果评价
4.1 瓦斯浓度及流量提高
封孔完毕后, 采用郑州光力综合参数测定仪测定1～6号钻孔综合参数 (见表1) 。
(1) 根据上表可以看出采用新封孔方法的1、3、4、6号孔瓦平均斯浓度均达到99.9%, 平均瓦斯纯流量0.106m3/min。 (2) 而采用传统封孔方法的2、5号孔平均瓦斯浓度均低于1、3、4、6号孔, 平均瓦斯浓度和瓦斯纯流量分别是23.25%和0.041m3/min。 (3) 综上所述, 1、3、4、6号孔平均瓦斯浓度和抽放纯流量分别是2、5号孔的4.3倍数和2.6倍。
4.2 封孔材料消耗对比
根据实际封孔情况, 材料消耗 (见表2) 。
根据上表可知, 采用新封孔方法封孔的1、3、4、6号钻孔封孔在材料消耗上比传统封孔方法封孔的2、5号孔材料消耗量多。其中聚氨酯单价40元/千克, 单孔平均消耗量为10∶1.5;编织袋0.5元/个, 消耗量1∶1;封孔管10元/m, 消耗量1∶1;注浆管8元/m消耗量10∶0。
5 结论
5.1 提高了抽放瓦斯浓度
实践证明, 采用新封孔方法封孔, 不仅封孔质量明显提高, 而且还提高了一次封孔成功率, 提高了抽放浓度及封孔效果。
5.2 单孔抽放量得到大幅度提高