CN106018687B - 防治矿井巷道底臌的化学方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防治矿井巷道底臌的化学方法,包括以下步骤:(1)、对软岩巷道内的岩样进行采集,至少采集三个矿井的典型水敏性岩石作为岩样;(2)、对软岩巷道内岩样的岩性进行分析;(3)、以室内实验为基础,分析黏土稳定剂对岩样膨胀变形的控制规律,确定黏土稳定剂的配方;(4)、采用黏土稳定剂在底臌的软岩巷道现场施工作业;(5)、对施工效果进行考察。本发明通过价格低廉的黏土稳定剂直接作用于软岩岩石,改变软岩岩石的膨胀性能,同时辅以抽采卸压孔,卸压孔一方面引导黏土稳定剂的渗流,一方面为后期巷道底板的变形提供变形空间,进而达到防治巷道底臌的作用。
Description
技术领域
本发明属于煤矿巷道底臌的预防技术领域,尤其是涉及一种防治矿井巷道底臌的化学方法。
背景技术
近年来,随着煤炭开采深度不断壮大,软岩支护的大变形、难支护的工程问题日趋严重, 矿井底臌是影响矿井巷道掘进及维护的重要因素,尤其是巷道岩石为泥化弱胶结软岩时,其强度低、胶结程度差、遇水泥化软化,软岩中含有的伊利石、蒙脱石等黏土矿物浸水后会发生泥化膨胀。我国中东部矿区的龙口含油泥岩、唐山泥化砂岩、潘集3#井泥岩浸水12h后膨胀率可达70%左右,而泥化弱胶结软岩在西部煤矿的基岩层中普遍发育。泥化弱胶结软岩巷道底板变形速度快、持续时间长、总变形量大且不收敛,是以流变和膨胀变形为主的非线性大变形,底臌现象严重,巷道需要不断地返修和维护,这不仅影响煤矿的正常生产,而且浪费了大量的资金,极大降低了煤矿的生产效率。
目前,巷道底臌的控制技术包括预防和治理两方面。预防是在底臌发生前采取措施,阻止或延迟底臌的发生时间;治理是底臌发生后采取措施控制底臌。为维护巷道围岩的稳定性,应以防为主、以治为辅、统筹兼顾、综合治理。目前底臌控制技术可分为起底、治理水、支护加固、卸压、联合支护等五大类。近年来,广泛应用的抗滑桩控制巷道底臌、底角锚杆支护、预应力注浆锚索等技术也有效控制了巷道的底臌。但这些方法多为物理方法,无法改变泥化弱胶结软岩中伊利石、蒙脱石等黏土矿物浸水膨胀的本质。
发明内容
本发明为了解决现有技术的不足之处,提供了一种施工简单、施工成本低、能彻底解决黏土矿物浸水膨胀的防治矿井巷道底臌的化学方法。
为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案:防治矿井巷道底臌的化学方法,包括以下步骤:
(1)、对软岩巷道内的岩样进行采集,至少采集三个矿井的典型水敏性岩石作为岩样;
(2)、对软岩巷道内岩样的岩性进行分析;
(3)、以室内实验为基础,分析黏土稳定剂对岩样膨胀变形的控制规律,确定黏土稳定剂的配方;
(4)、采用黏土稳定剂在底臌的软岩巷道现场施工作业;
(5)、对施工效果进行考察:与未注入粘土稳定剂溶液而只施工卸压孔的区域进行对比,分析膨胀变形量,考察粘土稳定剂对泥化弱胶结巷道底板防膨效果。
所述步骤(2)包括以下内容:采用X射线衍射测定岩样的矿物组分,确定岩样中高岭石、伊利石、伊利石/蒙皂石混层、绿泥石和蒙皂石的组成及含量。
所述步骤(3)包括以下内容:
A、去除各个矿井的岩石岩样表面的杂质,先破碎成小块,用固体样品粉碎机粉碎,筛取粒度在SSW0.150/0.104—SSW1.14/0.45之间的岩石粉,然后把岩石粉置于电热恒温干燥箱中,调节电热恒温干燥箱内的温度105±1℃,恒温6h后,把岩石粉移至干燥器中冷却至室温,存入广口瓶中备用;
SSW0.150/0.104—SSW1.14/0.45中的第一个S为试验筛,第二个S为金属丝,W为编织网,0.150为网孔基本尺寸,0.104为金属丝直径,1.14为网孔基本尺寸,0.45为金属丝直径;
B、选用不同的黏土稳定剂作用于不同矿井中的岩石岩样;
①、选用KCL、NH4CL、KCL+KO、NH4CL+KO四种物质作为黏土的化学稳定剂,将四种化学稳定剂分别配制为KCL黏土稳定剂溶液、NH4CL黏土稳定剂溶液、KCL+KO黏土稳定剂溶液和NH4CL+KO黏土稳定剂溶液;其中KO为阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂的混合物;
②、分别称取每个矿井中的岩样0.50 g,重量精确至 0.01 g,每个矿井的岩样称取六份,所有的岩样分别装入一个10 ml 离心管中,并对离心管做出不同的标记;
先对第1个矿井中采集的四份岩样依次进行试验,对一份岩样的具体试验过程为:将10 ml的 KCL黏土稳定剂溶液加入到离心管内,充分摇匀,在室温下存放2 h,装入离心机内,在转速为 150 r/ min 下分离 15 min,读出岩样膨胀后的体积V1;对该矿井采集的第二份岩样加入到NH4CL黏土稳定剂溶液中并重复上述操作过程;对该矿井采集的第三份岩样加入到KCL+KO黏土稳定剂溶液中并重复上述操作过程;对该矿井采集的第四份岩样加入到NH4CL+KO黏土稳定剂溶液中并重复上述操作过程;
按照上述操作过程,接着对第2个矿井中的四份岩样、第3个矿井中的四份岩样……第n个矿井中的四份岩样进行与第1个矿井中四份岩样试验相同的试验;
然后取第1个矿井中采集的一份岩样,用10 ml 水取代黏土稳定剂溶液,按照上述操作过程进行测定岩样在水中的膨胀体积 V2;按照上述操作过程,接着10 ml 水取代黏土稳定剂溶液对第2个矿井中的一份岩样、第3个矿井中的一份岩样……第n个矿井中的一份岩样进行与第1个矿井中四份岩样试验相同的试验;
最后取第1个矿井中采集的一份岩样,用10 ml 煤油取代黏土稳定剂溶液,按照上述操作过程进行测定岩样在水中的膨胀体积 V0;按照上述操作过程,接着10 ml 水取代黏土稳定剂溶液对第2个矿井中的一份岩样、第3个矿井中的一份岩样……第n个矿井中的一份岩样进行与第1个矿井中四份岩样试验相同的试验;
③、根据上述步骤②的实验数据,根据以下公式,对同一矿井中的岩样分别与四种黏土稳定剂溶液测定的四个V1数值,对应与V2和V0计算出岩样的膨胀率和防膨率,从而确定针对不同矿井的岩样优选的黏土稳定剂;
膨胀率计算公式为:
其中,k1—膨胀率,%
V0—煤油中膨胀体积,ml
V1—液体中膨胀后体积,ml;
防膨率计算公式为:
其中,B1—防膨率,%
V0—煤油中膨胀体积,ml
V1—防膨剂中体积,ml
V2—水中体积,ml。
采用步骤(4)中的黏土稳定剂防止软岩巷道底臌的现场实施,借鉴煤矿井下水力压裂增透抽采工艺,初步形成黏土稳定剂控制水敏性岩石巷道底臌的钻孔—封孔—配液—注液—泄压的技术流程,考察单孔影响范围,具体包括以下步骤:
a、钻孔:在巷道底板上采用直径为94mm的钻头开钻,钻进深度视巷道底板岩性确定,钻孔穿过膨胀变形带后至稳定带深部不少于2m;
b、封孔:对孔口部分进行扩孔,在钻孔的孔口部分内下入孔口套管,采用高强度水泥对注液孔进行封孔,封孔的抗压强度不小于;
其中, 为孔口抗压强度,MPa; γ为上覆岩层平均密度;H为埋藏深度;
c、配液:将步骤③确定的所述黏土稳定剂配制成溶液;
d、注液:将上述步骤c中配制好的黏土稳定剂溶液注入水箱,由高压注液泵通过注液管路打入孔口套管内;
e、卸压:在上述步骤b中的孔口套管周边设置卸压孔,以预留顶板膨胀变形空间。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:本发明改变了现有的底臌防治工艺,直接将黏土稳定剂作用于岩样,直接降低了岩样的膨胀率;本发明采用价格低廉的化合物作为黏土稳定剂,如KCL、NH4CL、KCL+KO、NH4CL+KO等物质,施工成本低;本发明在注液孔周边设置了卸压孔,即引导黏土稳定剂的渗流,又为后期巷道底板的变形提供了变形空间,与注液孔结合,进而达到防治底臌的目的。
本发明提出了采用黏土稳定剂控制巷道膨胀变形,从而治理底臌的技术思路。通过采集矿井底臌巷道岩样,测试其岩石矿物成分,选用成本低廉的KCL、NH4CL、KCL+KO、NH4CL+KO等黏土稳定剂作用于岩样,辅以抽采卸压钻孔,达到防治巷道底臌的作用。
附图说明
图1为本发明底臌现场实施的注浆工艺。
图中附图标记:1为巷道底板,2为注液孔,3为水箱,4为高压注液泵,5为注液管路,6为卸压孔。
具体实施方式
本发明的防治矿井巷道底臌的化学方法,包括以下步骤:
(1)、对软岩巷道内的岩样进行采集,至少采集三个矿井的典型水敏性岩石作为岩样;
(2)、对软岩巷道内岩样的岩性进行分析;
(3)、以室内实验为基础,分析黏土稳定剂对岩样膨胀变形的控制规律,确定黏土稳定剂的配方;
(4)、采用黏土稳定剂在底臌的软岩巷道现场施工作业;
(5)、对施工效果进行考察:与未注入粘土稳定剂溶液而只施工卸压孔的区域进行对比,分析膨胀变形量,考察粘土稳定剂对泥化弱胶结巷道底板防膨效果。
所述步骤(2)包括以下内容:采用X射线衍射(XRD)测定岩样的矿物组分,确定岩样中高岭石、伊利石、伊利石/蒙皂石混层、绿泥石和蒙皂石的组成及含量。
所述步骤(3)包括以下内容:
A、去除各个矿井的岩石岩样表面的杂质,先破碎成小块,用固体样品粉碎机粉碎,筛取粒度在SSW0.150/0.104—SSW1.14/0.45之间的岩石粉,然后把岩石粉置于电热恒温干燥箱中,调节电热恒温干燥箱内的温度105±1℃,恒温6h后,把岩石粉移至干燥器中冷却至室温,存入广口瓶中备用;
SSW0.150/0.104—SSW1.14/0.45中的第一个S为试验筛,第二个S为金属丝,W为编织网,0.150为网孔基本尺寸,0.104为金属丝直径,1.14为网孔基本尺寸,0.45为金属丝直径;
B、选用不同的黏土稳定剂作用于不同矿井中的岩石岩样;
①、选用KCL、NH4CL、KCL+KO、NH4CL+KO四种物质作为黏土的化学稳定剂,将四种化学稳定剂分别配制为KCL黏土稳定剂溶液、NH4CL黏土稳定剂溶液、KCL+KO黏土稳定剂溶液和NH4CL+KO黏土稳定剂溶液;其中KO为阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂的混合物,其中表面活性剂和非离子表面活性剂的质量比为9:1;
②、分别称取每个矿井中的岩样0.50 g,重量精确至 0.01 g,每个矿井的岩样称取六份,所有的岩样分别装入一个10 ml 离心管中,并对离心管做出不同的标记;
先对第1个矿井中采集的四份岩样依次进行试验,对一份岩样的具体试验过程为:将10 ml的 KCL黏土稳定剂溶液加入到离心管内,充分摇匀,在室温下存放2 h,装入离心机内,在转速为 150 r/ min 下分离 15 min,读出岩样膨胀后的体积 V1;对该矿井采集的第二份岩样加入到NH4CL黏土稳定剂溶液中并重复上述操作过程;对该矿井采集的第三份岩样加入到KCL+KO黏土稳定剂溶液中并重复上述操作过程;对该矿井采集的第四份岩样加入到NH4CL+KO黏土稳定剂溶液中并重复上述操作过程;
按照上述操作过程,接着对第2个矿井中的四份岩样、第3个矿井中的四份岩样……第n个矿井中的四份岩样进行与第1个矿井中四份岩样试验相同的试验;
然后取第1个矿井中采集的一份岩样,用10 ml 水取代黏土稳定剂溶液,按照上述操作过程进行测定岩样在水中的膨胀体积 V2;按照上述操作过程,接着10 ml 水取代黏土稳定剂溶液对第2个矿井中的一份岩样、第3个矿井中的一份岩样……第n个矿井中的一份岩样进行与第1个矿井中四份岩样试验相同的试验;
最后取第1个矿井中采集的一份岩样,用10 ml 煤油取代黏土稳定剂溶液,按照上述操作过程进行测定岩样在水中的膨胀体积 V0;按照上述操作过程,接着10 ml 水取代黏土稳定剂溶液对第2个矿井中的一份岩样、第3个矿井中的一份岩样……第n个矿井中的一份岩样进行与第1个矿井中四份岩样试验相同的试验;
③、根据上述步骤②的实验数据,根据以下公式,对同一矿井中的岩样分别与四种黏土稳定剂溶液测定的四个V1数值,对应与V2和V0计算出岩样的膨胀率和防膨率,从而确定针对不同矿井的岩样优选的黏土稳定剂;
膨胀率计算公式为:
其中,k1—膨胀率,%
V0—煤油中膨胀体积,ml
V1—液体中膨胀后体积(水、防膨剂中),ml;
防膨率计算公式为:
其中,B1—防膨率,%
V0—煤油中膨胀体积,ml
V1—防膨剂中体积,ml
V2—水中体积,ml。
如图1所示,所述步骤(4)以室内实验为基础,采用步骤(3)中的黏土稳定剂防止软岩巷道底臌的现场实施,借鉴煤矿井下水力压裂增透抽采工艺,初步形成黏土稳定剂控制水敏性岩石巷道底臌的钻孔—封孔—配液—注液—泄压的技术流程,考察单孔影响范围,具体包括以下步骤:
a、钻孔,在巷道底板1上采用直径为94mm的钻头开钻,钻进深度视巷道底板1岩性确定,钻孔穿过膨胀变形带后至稳定带深部不少于2m;
b、封孔,对孔口部分进行扩孔,在钻孔的孔口部分内下入孔口套管,采用高强度水泥对注液孔2进行封孔,使其抗压强度不小于;
其中,p为孔口抗压强度,MPa;γ为上覆岩层平均密度;H为埋藏深度;
c、配液,将步骤③确定的所述黏土稳定剂配制成溶液;
d、注液,将上述步骤c中配制好的化学稳定剂溶液注入水箱3,由高压注液泵4通过注液管路5打入注液孔2内;
e、卸压,在上述步骤b中的注液孔2周边设置卸压孔6。
以上所述仅为本发明的一种具体实施例,但本发明的实施例并不局限于此,任何本领域的技术人员在本发明的领域内,所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.防治矿井巷道底臌的化学方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)、对软岩巷道内的岩样进行采集,至少采集三个矿井的典型水敏性岩石作为岩样;
(2)、对软岩巷道内岩样的岩性进行分析;
(3)、以室内实验为基础,分析黏土稳定剂对岩样膨胀变形的控制规律,确定黏土稳定剂的配方;
(4)、采用黏土稳定剂在底臌的软岩巷道现场施工作业;
(5)、对施工效果进行考察:与未注入粘土稳定剂溶液而只施工卸压孔的区域进行对比,分析膨胀变形量,考察粘土稳定剂对泥化弱胶结巷道底板防膨效果;
所述步骤(3)包括以下内容:
A、去除各个矿井的岩石岩样表面的杂质,先破碎成小块,用固体样品粉碎机粉碎,筛取粒度在SSW0.150/0.104—SSW1.14/0.45之间的岩石粉,然后把岩石粉置于电热恒温干燥箱中,调节电热恒温干燥箱内的温度105±1℃,恒温6h后,把岩石粉移至干燥器中冷却至室温,存入广口瓶中备用;
SSW0.150/0.104—SSW1.14/0.45中的第一个S为试验筛,第二个S为金属丝,W为编织网,0.150为网孔基本尺寸,0.104为金属丝直径,1.14为网孔基本尺寸,0.45为金属丝直径;
B、选用不同的黏土稳定剂作用于不同矿井中的岩石岩样;
①、选用KCL、NH4CL、KCL+KO、NH4CL+KO四种物质作为黏土的化学稳定剂,将四种化学稳定剂分别配制为KCL黏土稳定剂溶液、NH4CL黏土稳定剂溶液、KCL+KO黏土稳定剂溶液和NH4CL+KO黏土稳定剂溶液;其中KO为阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂的混合物;
②、分别称取每个矿井中的岩样0.50 g,重量精确至 0.01 g,每个矿井的岩样称取六份,所有的岩样分别装入一个10 ml 离心管中,并对离心管做出不同的标记;
先对第1个矿井中采集的四份岩样依次进行试验,对一份岩样的具体试验过程为:将10ml的 KCL黏土稳定剂溶液加入到离心管内,充分摇匀,在室温下存放2 h,装入离心机内,在转速为 150 r/ min 下分离 15 min,读出岩样膨胀后的体积 V1;对该矿井采集的第二份岩样加入到NH4CL黏土稳定剂溶液中并重复上述操作过程;对该矿井采集的第三份岩样加入到KCL+KO黏土稳定剂溶液中并重复上述操作过程;对该矿井采集的第四份岩样加入到NH4CL+KO黏土稳定剂溶液中并重复上述操作过程;
按照上述操作过程,接着对第2个矿井中的四份岩样、第3个矿井中的四份岩样……第n个矿井中的四份岩样进行与第1个矿井中四份岩样试验相同的试验;
然后取第1个矿井中采集的一份岩样,用10 ml 水取代黏土稳定剂溶液,按照上述操作过程进行测定岩样在水中的膨胀体积 V2;按照上述操作过程,接着10 ml 水取代黏土稳定剂溶液对第2个矿井中的一份岩样、第3个矿井中的一份岩样……第n个矿井中的一份岩样进行与第1个矿井中四份岩样试验相同的试验;
最后取第1个矿井中采集的一份岩样,用10 ml 煤油取代黏土稳定剂溶液,按照上述操作过程进行测定岩样在水中的膨胀体积 V0;按照上述操作过程,接着10 ml 水取代黏土稳定剂溶液对第2个矿井中的一份岩样、第3个矿井中的一份岩样……第n个矿井中的一份岩样进行与第1个矿井中四份岩样试验相同的试验;
③、根据上述步骤②的实验数据,根据以下公式,对同一矿井中的岩样分别与四种黏土稳定剂溶液测定的四个V1数值,对应与V2和V0计算出岩样的膨胀率和防膨率,从而确定针对不同矿井的岩样优选的黏土稳定剂;
膨胀率计算公式为:
其中,k1—膨胀率,%
V0—煤油中膨胀体积,ml
V1—液体中膨胀后体积,ml;
防膨率计算公式为:
其中,B1—防膨率,%
V0—煤油中膨胀体积,ml
V1—防膨剂中体积,ml
V2—水中体积,ml。
2.根据权利要求1所述的防治矿井巷道底臌的化学方法,其特征在于:所述步骤(2)包括以下内容:采用X射线衍射测定岩样的矿物组分,确定岩样中高岭石、伊利石、伊利石/蒙皂石混层、绿泥石和蒙皂石的组成及含量。
3.根据权利要求1所述的防治矿井巷道底臌的化学方法,其特征在于:采用步骤(4)中的黏土稳定剂防止软岩巷道底臌的现场实施,借鉴煤矿井下水力压裂增透抽采工艺,初步形成黏土稳定剂控制水敏性岩石巷道底臌的钻孔—封孔—配液—注液—泄压的技术流程,考察单孔影响范围,具体包括以下步骤:
a、钻孔:在巷道底板上采用直径为94mm的钻头开钻,钻进深度视巷道底板岩性确定,钻孔穿过膨胀变形带后至稳定带深部不少于2m;
b、封孔:对孔口部分进行扩孔,在钻孔的孔口部分内下入孔口套管,采用高强度水泥对注液孔进行封孔,封孔的抗压强度不小于;
其中,p为孔口抗压强度,MPa;γ为上覆岩层平均密度;H为埋藏深度;
c、配液:将步骤③确定的所述黏土稳定剂配制成溶液;
d、注液:将上述步骤c中配制好的黏土稳定剂溶液注入水箱,由高压注液泵通过注液管路打入孔口套管内;
e、卸压:在上述步骤b中的孔口套管周边设置卸压孔,以预留顶板膨胀变形空间。
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特低渗油田水力压裂的压裂液伤害实验研究;张博 等;《重庆科技学院学报(自然科学版)》;20160430;第18卷(第2期);第82-85页 * |
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CN106018687A (zh) | 2016-10-12 |
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