新式綠色環保加固鉆孔注漿材料的研發與應用

2022-04-08 05:53:34牛肖肖

煤炭與化工 2022年3期

牛肖肖

（冀中能源峰峰集團有限公司大淑村礦，河北邯鄲 056300）

1 概況

冀中能源峰峰集團大淑村礦作為高瓦斯突出礦井，通過對軟煤層打鉆工藝的研究，解決了軟煤層深孔打鉆難題。同時，進一步研究各種封孔工藝，形成“兩堵一注”帶壓注漿方法，取得了良好的抽采效果，但也提高鉆孔封孔成本，如何進一步研究出新型低廉的注漿材料成為了重點工作。采取預抽煤層瓦斯和開采保護層區域綜合防突措施對井下煤層消突，施工鉆孔類型以順層鉆孔、穿層鉆孔為主，在鉆孔施工工藝和施工深度達標的情況下，如何能夠保證最佳封孔效果，是研究的主要問題。預抽煤層瓦斯的關鍵環節是瓦斯抽采，大淑村礦作為高瓦斯突出礦井，每個采掘工作面瓦斯抽采量和抽采率決定這個工作面在采掘過程中的安全性和可靠性。穿層預抽抽采大煤瓦斯是野青工作面開采過程中的一個重要環節，既能保證保護層回采過程中的安全生產，又能及時抽采大煤瓦斯，消除大煤工作面突出危險性，為大煤掘進與回采打下良好基礎。

2 用途及工作原理

粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細灰，也是燃煤電廠排出的主要固定廢物。外觀類似水泥，顏色在乳白色到灰黑色之間變化，顆粒呈多孔型蜂窩狀組織，具有較高的吸附活性，顆粒的粒徑范圍為0.5～300μm，珠壁具有多孔結構，孔隙率高達50%～80%，有較強吸水性。粉煤灰排放也給生態環境造成巨大壓力，亟待解決。粉煤灰目前在我國建工、建材、水利等各部門得到廣泛的應用，但在煤礦行業中未曾使用。

把如何能在保證封孔質量的基礎上進一步降低注漿成本當做課題進行研究，對“普通水泥、普通水泥加膨脹劑、普通水泥加粉煤灰”3種注漿材料進行對比試驗，最終確定“普通水泥加粉煤灰”，凝固效果顯著，成本較低。

考慮到粉煤灰有較高的吸附活性，也有較高的吸水性。將“普通水泥、普通水泥加膨脹劑、普通水泥加粉煤灰”3種注漿材料進行對比試驗。

3 試驗的過程與結果

3.1 試驗前準備

試驗所需工具：塑料杯（內高7.8 cm，內直徑5.7 cm）3個同等規格，天平秤1臺。

3.2 試驗所需材料

試驗所需的材料：普通水泥、粉煤灰、膨脹劑、水。

4 試驗過程

（1）首先對3個塑料杯和3個玻璃杯分別對等編號為1、2、3。

（2）從1號塑料杯量取100 g普通水泥倒入1號玻璃杯中。用直尺測量1號玻璃杯中普通水泥的高度為5.3 cm（體積V1前d=135 g/cm）。

（3）從2號塑料杯量取100 g普通水泥倒入2號玻璃杯中，再量取10 g膨脹劑加入2號杯中，攪拌均勻。用直尺測量2號玻璃杯中普通水泥的高度為5.5 cm（體積V2前d=140 g/cm）。

（4）用3號塑料杯量取100 g水泥倒入3號玻璃杯中。再100 g粉煤灰混合后再加入3號杯中，攪拌均勻。用直尺測量3號玻璃杯中的高度為7.1 cm（體積V3前d=180 g/cm）。

（5）分別對3個玻璃杯加入足量水分，進行攪拌，等待反應。

（6）12 h后觀察。1號杯中凝固水泥高度為4.8 cm（體積V1后d=122 g/cm）。2號杯中因膨脹明顯高于1號杯中，對杯中補滿水，倒出杯中水，量出后補滿的水質量為3.6 g，計算出水的體積為3.6 g/cm，杯的總體積減去水的體積V2后等于195.3 g/cm，為水泥膨脹后的體積。3號杯中膨脹明顯高于1號，也略高于2號杯中，對杯中補滿水，倒出杯中水，量出后補滿的水質量為3.3 g，計算出水的體積為3.3 g/cm，杯的總體積減去水的體積V3后等于206.6 g/cm，為水泥膨脹后的體積。

5 試驗結果及分析

5.1 試驗結果

（1）V1前=135 g/cm；V2前=140 g/cm；V3前=180 g/cm。

（2）V1后=122 g/cm；V2后=195.3 g/cm；V3后=206.6 g/cm。

5.2 對比分析

（1）加水前體積對比：V3前＞V2前＞V1前

（2）加水前后各杯體積對比：V1前＞V1后；V2后＞V2前；V3后＞V3前

（3）加水后各杯體積比：V3后＞V2后＞V1后

5.3 凝固時間分析

1號杯中水泥凝固時間為8 h，2號杯中水泥凝固時間為5.5 h，3號杯中水泥凝固時間為4 h。

5.4 凝固強度分析

1號杯中水泥凝固性較松軟，2號杯中水泥凝固性松軟，3號杯中水泥凝固性堅硬。

5.5 總結分析

通過以上對比，可以確定3號杯中的普通水泥兌上一定比例的粉煤灰加水（1∶1∶1）膨脹后的效果明顯優于其他2種，并且凝固性最強。雖然普通水泥和膨脹劑加水膨脹的效果也明顯優于第一種，但第三種比第二種效果更好，可以確定“普通水泥加粉煤灰”為最佳新型注漿材料。“普通水泥加粉煤灰”凝固效果如圖1所示。

圖1 “普通水泥加粉煤灰”凝固效果Fig.1 Setting effect of"ordinary cement plus fly ash"

6 取得的主要成果

該礦已在172405工作面外段預抽鉆場進行現場試驗。采用“普通水泥加粉煤灰”注漿材料進行封孔注漿，接抽后實測孔口濃度達到70%～90%，與之前注漿材料使用后的抽采濃度相比，上升30%左右，有效提高了抽采濃度，增強了抽采質量。172404上順槽外段預抽7號鉆場抽采瓦斯濃

7 結語

大淑村礦施工穿層鉆孔封堵對比試驗，通過觀測抽采效果，可以確定普通水泥加粉煤灰與普通水泥加膨脹劑在實際應用中可起到相同效果，甚至更度最大達到53%，比以往預抽鉆場抽采濃度提高一倍以上（表1、表2）。好的效果。進一步分析成本，可發現普通水泥加粉煤灰封孔材料成本低于普通水泥加膨脹劑的使用成本，由此可以確定普通水泥加粉煤灰所組成的新型注漿材料不僅封堵效果良好，而且降低了成本，同時也保護了環境，可廣泛推廣使用。