煤礦封閉火區滲透注漿過程中漿液擴散半徑的影響因素分析及應用

陳 琛 王孟飛 屈英杰 劉振乾

(中國礦業大學(北京) 資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083)

礦井火災是礦山五大災害之一，對礦工的健康和生態環境造成了嚴重的威脅。據統計資料顯示，我國正在開采的煤層中，有大約80%為容易自燃煤層。目前我國礦井的主要防滅火方法有灌漿防滅火技術、均壓防滅火技術等。其中，灌漿技術由于其成本低、工藝簡單等優勢，在我國得到了廣泛的應用。通過灌漿，不僅可以充填采空區和煤巖中的裂隙，還可以對煤體起到一定的降溫作用，使防滅火效果更好。但在以往的灌漿過程中，只突出了一個“灌”字，浪費了大量的灌漿材料和人力資源，同時也影響了礦井的安全生產。漿液擴散半徑表征的是以灌漿鉆孔為原點的漿液充填范圍的大小，決定著灌漿鉆孔的布置、漿液消耗量等其他參數。因此，良好的灌漿技術，依賴于對影響擴散半徑的因素進行深入研究。朱俞仿基于平板裂隙灌漿模型，考慮了裂隙傾角對漿液擴散半徑的影響；韓磊等進行了大壩灌漿過程模擬，得出滲透系數和孔隙度對擴散半徑均有影響。但是現有研究均是對影響擴散半徑的某一因素進行分析，與實際工程應用中多影響因素相互作用不相適應。因此，本文根據漿液擴散半徑計算的基礎理論，對多影響因素相互關聯下的擴散半徑進行了數值計算，以期獲得土水比、灌漿壓力、灌漿鉆孔半徑、裂隙度等對漿液擴散半徑的影響，并提出了具體的灌漿技術參數，為滅火實踐提供理論參考。

1 漿液擴散半徑計算的理論基礎

在灌漿過程中，漿液的擴散半徑在很大程度上受漿液粘度的影響。粘度不同，計算出的擴散半徑差別很大。在計算擴散半徑的過程中，可以分為在注漿過程中漿液粘度不變或者變化很小和漿液粘度顯著變化兩種情況。

1.1 注漿過程中漿液粘度不變或變化很小

根據平板注漿模擬試驗臺，并應用牛頓流體內摩擦阻力定律，在裂隙中注漿漿液擴散半徑計算公式為：

(1)

式中：R——漿液擴散半徑，cm；

t——注漿時間，s；

P2——注漿孔內壓力，Pa；

P1——受注裂縫內地下水壓力，Pa；

b——裂縫寬度，cm；

μ——漿液粘度，Pa·s；

r——注漿孔半徑，cm。

式(1)的計算基礎為注漿過程中漿液是牛頓流體，流動符合牛頓內摩擦定律。但事實上漿液在流動的過程中不止受到內摩擦力，還受到流體本身剪應力的影響，并且其粘度也會隨著時間發生變化。因此，由式(1)計算出的漿液擴散半徑略大于實際值。為了消除計算值偏大的影響，在式(1)的基礎上乘上一個修正系數σ(0<σ<1)；利用灌漿進行防滅火時，忽略存在地下水的影響，因此式(1)中的P1為0 Pa。綜合以上兩個假設，式(1)變為：

(2)

1.2 注漿過程中漿液粘度顯著變化

研究表明，在灌漿滅火工程中，對于漿液材料粘度變化大的液體而言，漿液粘度對時間變化的擬合方程為：

μ(t)=KeAt

(3)

式中：μ——漿液的動力粘度，Pa·s；

K，A——待定常數，由漿液性質決定。

結合式(1)和式(3)，可得出粘度顯著變化時漿液注漿的擴散半徑的理論計算公式：

(4)

2 不同因素對漿液擴散半徑的影響分析

為了分析灌漿過程中，擴散半徑與土水比、灌漿壓力、鉆孔半徑和裂隙度的關系，必須對不同條件下的漿液擴散半徑進行計算并分析結果。筆者以平板注漿模擬結果為模型，根據式(2)和式(4)編制鉆孔灌漿計算程序進行數值計算，并采取控制變量法對各因素對擴散半徑的影響進行逐一計算。

2.1 漿液土水比對漿液擴散半徑的影響

當灌漿鉆孔半徑為50 mm，裂隙度為50 mm，灌漿時間為10 min，灌漿壓力分別為0.5 MPa、1 MPa、2 MPa時，得到不同土水比下的漿液擴散半徑趨勢圖，如圖1所示。

圖1 不同土水比與擴散半徑對應關系圖

由圖1可以看出，當灌漿時間、裂隙度等參數固定不變時，不同的灌漿壓力下，擴散半徑和土水比的關系近似為一條直線，但是其斜率較小。以壓力為1 MPa時為例，土水比由1∶2減小到1∶4時，擴散半徑由56.8199 m增加到65.8121 m，土水比降低一半，擴散半徑僅增加0.16倍左右。這說明擴散半徑雖然隨著土水比的減小而呈增加趨勢，但是增加得較為緩慢。

一般情況下，水土比大，漿液稀，漿液粘度小，易于輸送，輸送距離長，漿液擴散半徑大，但容易造成水土分離和跑漿，不能有效地進行充填，漿液無法把碎煤塊包裹，達不到預防滅火目的；水土比小，漿液粘度大，流動性差，輸送距離短，容易造成管道的堵塞和過度磨損，漿液的擴散半徑小，增加灌漿成本。

2.2 灌漿壓力對漿液擴散半徑的影響

當灌漿鉆孔半徑為50 mm，裂隙度為50 mm，灌漿時間為10 min，土水比分別為1∶2、1∶3、1∶4、1∶5時，得到不同灌漿壓力的漿液擴散半徑趨勢圖，如圖2所示。由圖2可以看出，隨著灌漿壓力的增大，漿液擴散半徑也不斷增大。以土水比為1∶4時為例，灌漿壓力為1 MPa所對應的擴散半徑是灌漿壓力為0.5 MPa時的1.37倍，灌漿壓力為2 MPa所對應的擴散半徑是灌漿壓力為0.5 MPa時的1.87倍。很顯然，灌漿壓力對擴散半徑的影響較漿液土水比更顯著。

圖2 不同灌漿壓力與擴散半徑對應關系圖

隨著灌漿壓力的增大，擴散半徑也會增大，這樣鉆孔的數目便會減少，會大大地降低防滅火灌漿工程的工程量。但是，灌漿壓力也不宜過大，不然可能會出現跑漿等現象，并且摧毀一些隔離煤柱和密閉墻，嚴重影響礦井的安全生產。

2.3 鉆孔半徑對漿液擴散半徑的影響

當灌漿壓力為1 MPa，裂隙度為50 mm，灌漿時間為10 min，土水比為1∶2、1∶3、1∶4時，得到不同鉆孔半徑下的漿液擴散半徑趨勢圖，如圖3所示。

圖3 不同鉆孔半徑與擴散半徑對應關系圖

由圖3可以看出，當灌漿時間、裂隙度等灌漿參數不變時，擴散半徑和鉆孔半徑的關系近似為一條直線，斜率為正值且該條線斜率很小。這說明，擴散半徑隨著鉆孔半徑的增加而慢增加，并且增加得很緩慢。以土水比為1∶4時為例，鉆孔半徑由2 cm增加到8 cm，擴散半徑僅由60.728 m增加到了68.365 m，僅增加了原來的0.12倍。由此可見，鉆孔半徑對擴散半徑的影響甚小，在實際灌漿防滅火工程中不應該通過過大的鉆孔半徑來提高擴散半徑，這樣會大大地增加鉆孔的工程量，而取得的效果甚微。

2.4 裂隙度對漿液擴散半徑的影響

當灌漿壓力為2 MPa，鉆孔半徑為50 mm，灌漿時間為10 min，土水比分別為1∶3、1∶4時，得到不同裂隙度下的漿液擴散半徑，并繪制出不同土水比下不同裂隙度與漿液擴散半徑的關系圖，如圖4所示。

圖4 不同裂隙度與擴散半徑對應關系圖

由圖4可以看出，當灌漿時間、灌漿壓力、鉆孔半徑等參數不變時，擴散半徑和裂隙度的關系近似為一條直線，并且斜率很大。這說明，當裂隙度增大時，擴散半徑也會增大，且增大幅度較大，即裂隙度對擴散半徑的影響是很大的。以土水比為1∶4時為例，裂隙度由2 cm增加到8 cm時，擴散半徑便由原來的59.4939 m增加到111.3815 m，整整增加了0.87倍。很明顯，裂隙度對擴散半徑的影響要比鉆孔半徑對擴散半徑的影響大得多。但是，裂隙度主要取決于煤層頂板巖性、分層厚度、巖石強度以及冒矸壓實程度等，該值很難人為改變。

綜合圖1～圖4可以看出，土水比、灌漿壓力、鉆孔半徑、裂隙度均對漿液擴散半徑有一定的影響，但是影響程度大小不一。其中，灌漿壓力、鉆孔半徑和裂隙度都和漿液擴散半徑是正比關系，漿液擴散半徑隨著它們的增大而有不同程度的增大。漿液土水比和擴散半徑是反比關系，漿液擴散半徑隨著土水比的增大而減小，這主要是因為隨著土水比的增大，漿液中的水分逐漸減少，使得漿液粘度增加，從而使得擴散半徑有所減小。從圖中的斜率來看，裂隙度對漿液擴散半徑的影響最大，灌漿壓力次之，漿液土水比再次之，鉆孔半徑對擴散半徑的影響最小。

3 實踐應用

山西雁兒崖煤礦414盤區14-2#煤層厚度2.52～2.58 m，平均煤層厚度2.5 m。盤區全長1000 m，盤區內地質構造復雜，工作面走向長在200～1000 m之間，于1995—2000年采畢。該礦救護隊巡巷時發現414盤區51412、51414巷永久密閉附近溫度異常，最高溫度78℃。礦通風隊立即在51412、51414巷口重新構筑了兩道防火密閉。14-2#煤層因開采面積大，開采年限長，火區位置以及上覆11#煤層遭小窯破壞情況現已無法確定，故不能采用惰化和均壓滅火技術滅火。通過分析，認為采用灌漿系統滅火方法簡單，見效快，同時414盤區上覆山頭黃土覆蓋較厚，土源豐富，因此利用靜壓水方便的優點，便于灌漿滅火。

因此，決定采用前述理論與數值分析結論，應用地面灌漿防滅火成果對該區域進行灌漿滅火。根據對漿液擴散范圍的研究，頂板為砂質巖時泥漿的流動距離在70 m以上，因此本盤區設計的泥漿流動距離為70 m。414盤區全長1000 m，設計灌漿面積為S=1000×70=70000 m2；經計算灌漿所需土量為31500 m3；泥漿的水土比取3∶1，需水量為113400 m3；總灌漿量為164660 m3。灌漿120 d，灌漿量為1372.2 m3/d，每天灌注21 h，灌漿量為65.34 m3/h，每孔灌漿量為13722 m3。

該礦通過修建灌漿系統，并向采空區密閉灌漿孔進行堵漏隔離灌漿，灌漿順序由盤區兩側向盤區中央采空區處依次灌漿。在灌漿施工過程中及灌漿結束后，對14-2#煤層414盤區采空區火區每4 d進行溫度和有害氣體濃度監測，檢測結果表明，滅火工程結束兩個月后，孔內溫度己接近常溫，CO等氣體濃度已低于《煤礦安全規程》所規定的允許氣體濃度，達到了規定的火區熄滅標準。

4 結論

本文利用鉆孔灌漿計算程序進行數值計算，對影響漿液擴散半徑的因素進行了分析，得出影響漿液擴散半徑的因素主要有注漿壓力、鉆孔半徑、裂隙度和漿液土水比，并且裂隙度對漿液擴散半徑的影響最大，灌漿壓力次之，漿液土水比再次之，鉆孔半徑對擴散半徑的影響最小。通過現場應用，證實了理論和數值分析的效果。

參考文獻：

[1] 曹勝.煤礦井下封閉火區氣體生成及變化規律試驗研究[D].太原理工大學,2017

[2] 秦鵬飛.砂礫石土滲透注漿漿液擴散規律及擴散半徑影響因素試驗研究[J].中國水利水電科學研究院學報,2015(5)

[3] 張純波.鑫發煤礦灌漿防滅火技術[J].現代礦業,2014(5)

[4] 李振鋼.砂礫層滲透注漿機理研究與工程應用[D].中南大學,2009

[5] 朱俞仿.裂隙傾角對灌漿擴散半徑的影響分析[J].中國礦山工程,2014(2)

[6] 韓磊,陳建生,陳亮.帷幕灌漿擴散半徑及數值模擬的研究[J].巖土力學,2012(7)

[7] 劉嘉材.裂隙珠江擴散半徑的研究[A].水利水電科學院研究論文集[C].北京：水利出版社，1982

[8] 巖土注漿理論與工程實踐協作組.巖土注漿理論與工程實例[M].北京：科學出版社，2001