CN109236300B - 一种防止矿井混凝土井筒受离子侵蚀破坏的电迁移方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种防止矿井混凝土井筒受离子侵蚀破坏的电迁移方法，该方法采用电迁移装置，所述的电迁移装置包括一端插入井筒顶部的井壁内的正极电极，正极电极的另一端沿着井筒的径向向外辐射插入井筒周围的地层围岩中；还包括一端插入井筒靠近底板的底部的井壁内的负极电极，负极电极的另一端沿着井筒的径向向外辐射插入井筒周围的地层围岩中；所述的正极电极的另一端与电源的正极相连，负极电极的另一端与电源的负极相连，使得井筒、正极电极、负极电极和电源串联形成一个导电回路。本发明的方法利用电场力实现控制水分中离子向井筒入渗，防止盐分在井壁富集，进而达到从盐分来源这一根本上解决矿井井壁破坏问题的目的。

Description

一种防止矿井混凝土井筒受离子侵蚀破坏的电迁移方法

技术领域

本发明属于采矿安全领域，涉及矿井混凝土井筒，具体涉及一种防止矿井混凝土井筒受离子侵蚀破坏的电迁移方法。

背景技术

我国是煤炭大国，煤炭资源分布广泛，煤层赋存条件复杂，井工开采比例大，井筒与巷道安全与否严重影响矿井安全生产。很多井田区地下水中含有过量氯盐和硫酸盐，受渗流作用影响，矿井井筒常年受到侵蚀，原有的混凝土井筒遭到粉化，失去强度，严重威胁矿井安全。混凝土砌碹的矿井井筒遭到破坏的直接原因是水分携带盐分在混凝土内部聚集并与之形成一系列化学反应，生成无粘聚性颗粒状的石膏、钙矾石、氢氧化镁、镁硅酸凝胶、硅灰石膏等，造成混凝土结构的水化产物逐渐减少，混凝土膨胀开裂，混凝土截面、重量以及强度严重损失，严重威胁采矿安全。因此，盐分侵蚀矿井井筒造成井筒腐蚀这一问题一直是煤矿安全生产中经常面对且十分棘手的难题。

目前，解决混凝土腐蚀的方法，一是在建造时采用抗硫酸盐腐蚀水泥建造，但对于已受腐蚀的井筒而言为时已晚；二是在混凝土结构表面涂刷一层防护膜，但此方法是解决从混凝土表面侵蚀入渗的问题，对于从内向外腐蚀的井筒而言又是不可行；三是通过在井筒壁后注浆加固的方法延缓混凝土腐蚀的时间，但由于地下水侵蚀是一个长期动态的过程，注浆法并不能从根本上隔断盐分对混凝土的腐蚀作用，时间一长，所注浆液同样会遭到盐分侵蚀，矿井井筒腐蚀问题一直存在，其结构稳定性仍堪忧，并严重威胁采矿生产中人员与机械的安全。因此，急需一种长期有效动态持续的方法抑制地下水中离子侵蚀过程，进而维持矿井井筒的安全稳定。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种防止矿井混凝土井筒受离子侵蚀破坏的电迁移方法，解决现有技术中的离子侵蚀破坏方法难以从根本上解决矿井混凝土井筒的侵蚀破坏的技术问题。

为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：

一种防止矿井混凝土井筒受离子侵蚀破坏的电迁移方法，，该方法采用电迁移装置，所述的电迁移装置包括一端插入井筒顶部的井壁内的正极电极，正极电极的另一端沿着井筒的径向向外辐射插入井筒周围的地层围岩中；

还包括一端插入井筒靠近底板的底部的井壁内的负极电极，负极电极的另一端沿着井筒的径向向外辐射插入井筒周围的地层围岩中；

所述的正极电极的另一端与电源的正极相连，负极电极的另一端与电源的负极相连，使得井筒、正极电极、负极电极和电源串联形成一个导电回路；

在井筒的同一轴截面上，设置有两个正极电极和两个负极电极，两个正极电极安装在井筒顶部的井壁上，两个负极电极安装在井筒靠近底板的底部的井壁上且两侧的井壁上各安装一个负极电极；

所述的井筒为对称结构，以垂直底板的井筒对称面为对称面，正极电极和负极电极呈面对称布设，对称面两侧的正极电极和负极电极分别串联在两个独立的所述的导电回路中；

在井筒的同一轴截面上的两个独立的所述的导电回路组成一个电迁移单元，所述的井筒的井壁上沿着轴向均匀布设有多个所述的电迁移单元；

所述的正极电极和负极电极的长度相等，正极电极的长度为井筒的内半径与井筒的井壁厚度之和的0.8～1.4倍；所述的正极电极和负极电极的直径均为45mm～80mm；相邻两个电迁移单元之间的距离为正极电极长度的0.6～0.8倍。

本发明化具有如下技术特征：

该方法具体包括以下步骤：

步骤一，用钻机从井筒顶部的井壁向地层围岩打两排钻孔作为安装正极电极的电极基槽，将正极电极插入电极基槽中，电极基槽和正极电极之间填充导电填充物，封闭电极基槽；用钻机从井筒两侧靠近底板的底部的井壁向地层围岩分别打一排钻孔作为安装负极电极的电极基槽，将负极电极插入电极基槽中，电极基槽和负极电极之间均填充导电填充物，封闭电极基槽；

步骤二，监测地下水矿化度，根据地下水矿化度确定电势梯度，然后根据电势梯度确定电源的输出的直流电压，给正极电极和负极电极供直流电，形成闭合回路；

当地下水矿化度小于3000mg/L时，电势梯度为30～60V/m；

当地下水矿化度为3000mg/L～10000时，电势梯度为60～90V/m；

当地下水矿化度为10000mg/L～20000时，电势梯度为90～120V/m；

当地下水矿化度为20000mg/L～50000时，电势梯度为120～150V/m；

当地下水矿化度大于50000时，电势梯度为150～200V/m；

所述的电势梯度与电源的输出的直流电压之间的关系为：

其中，gradv为电势梯度，单位：V/m；

ΔU为电源输出的直流电压，单位：V；

L为正极电极和负极电极产生的电场线在井筒中的最短距离，即为沿井筒轴截面某一导电回路中正极电极和负极电极之间的井壁弧长，单位：m。

该方法还包括步骤三，在井筒的同一轴截面上，正极电极和负极电极之间的井壁上交替均匀布设安装有多个含水率传感器和盐分含量传感器，对井壁进行盐分流动状态实时监测，当所述的盐分含量传感器所测的硫酸根离子和氯离子含量之和低于800mg/L时，达到控制井筒中地层盐分的侵入量的目的。

该方法还包括步骤四，在井壁上正极电极安装位置处设置有阴离子吸收膜，收集电场力作用电迁移所致的过剩的阴离子，当阴离子吸收膜上的硫酸根离子和氯离子含量之和大于2000mg/L时，更换阴阳离子吸收膜。

该方法还包括步骤五，所述的井筒包括井壁和底部铺设的底板，底板两侧和井壁之间沿着轴向分别设置有排水集水沟，在排水集水沟内设置阳离子吸收膜，收集水中过量的阳离子。

所述的正极电极采用电动土工合成材料制成，所述的负极电极采用钢管制成，钢管上均匀分布有多个侧孔。钢管的一端伸入穿过井壁伸入井筒内位于排水集水沟上方，钢管伸入井筒内的端部表面包覆绝缘层。

所述的导电回路中，正极电极和负极电极之间的夹角为90°。

所述的井壁为拱形井壁。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

本发明的方法从地下水携带硫酸盐和氯盐腐蚀混凝土砌碹井筒的角度去预防井壁破坏问题，利用电场力驱动水分中阳离子从正极向负极移动阴离子从负极向正极移动的方法，以实现控制水分中离子向井筒入渗，结合阴阳离子吸收膜的使用，防止盐分在井壁富集，进而达到从盐分来源这一根本上解决矿井井壁破坏问题的目的。

附图说明

图1是本发明的电迁移装置的轴截面结构示意图。

图2是本发明的电迁移装置的对称面截面结构示意图。

图3是井筒的结构示意图。

图中各个标号的含义为：1-井筒，101-井壁，102-底板，2-地层围岩，3-正极电极，4-负极电极，5-电极基槽，6-导电填充物，7-排水集水沟，8-含水率传感器，9-盐分含量传感器，10-电源。

以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例给出一种用于防止矿井混凝土井筒受离子侵蚀破坏的电迁移装置，如图1至图3所示，包括一端插入井筒1顶部的井壁101内的正极电极3，正极电极3的另一端沿着井筒1的径向向外辐射插入井筒1周围的地层围岩2中；

还包括一端插入井筒1靠近底板102的底部的井壁101内的负极电极4，负极电极4的另一端沿着井筒1的径向向外辐射插入井筒1周围的地层围岩2中；

正极电极3的另一端与电源10的正极相连，负极电极4的另一端与电源10的负极相连，使得井筒1、正极电极3、负极电极4和电源10串联形成一个导电回路。

作为本实施例的一种优选方案，在井筒1的同一轴截面上，设置有两个正极电极3和两个负极电极4，两个正极电极3安装在井筒1顶部的井壁101上，两个负极电极4安装在井筒1靠近底板102的底部的井壁101上且两侧的井壁101上各安装一个负极电极4；

井筒1为对称结构，以垂直底板102的井筒对称面为对称面，正极电极3和负极电极4呈面对称布设，对称面两侧的正极电极3和负极电极4分别串联在两个独立的导电回路中。

进一步地，在井筒1的同一轴截面上的两个独立的导电回路组成一个电迁移单元，井筒1的井壁101上沿着轴向均匀布设有多个电迁移单元。

作为本实施例的一种优选方案，正极电极3和负极电极4的长度相等，正极电极3的长度为井筒1的内半径与井筒1的井壁厚度之和的0.8～1.4倍；正极电极3和负极电极4的直径均为45mm～80mm；相邻两个电迁移单元之间的距离为正极电极3长度的0.6～0.8倍。

电源10为直流电源。

实施例2：

本实施例给出一种用于防止矿井混凝土井筒受离子侵蚀破坏的电迁移装置，如图1至图3所示，该电迁移装置包括如实施例1中用于防止矿井混凝土井筒受离子侵蚀破坏的电迁移装置。

进一步地，本实施例中，正极电极3和负极电极4均放入设置在地层围岩2中的电极基槽5中，电极基槽5和正极电极3、电极基槽5和负极电极4之间均填充有导电填充物6。导电填充物6采用常规的导电填充物，导电填充物6填充完成后，基槽5封闭，保证安全，导电填充物6能够确保电极与地层围岩2之间的导电性良好。

作为本实施例的一种优选方案，井筒1包括井壁101和底部铺设的底板102，底板102两侧和井壁101之间沿着轴向分别设置有排水集水沟7。

进一步地，正极电极3采用电动土工合成材料制成，负极电极4采用钢管制成，钢管上均匀分布有多个侧孔。钢管的一端伸入穿过井壁101伸入井筒1内位于排水集水沟7上方，钢管7伸入井筒1内的端部表面包覆绝缘层。钢管中间插入阳离子吸收膜，用以收集水中过量的阳离子。

进一步地，排水集水沟7内铺设有阳离子吸收膜，用以收集水中过量的阳离子；井壁101上正极电极3安装位置处设置有阴离子吸收膜，用以收集电场力作用电迁移所致的过剩的阴离子。排水集水沟7中的水，需进行电导率测定和离子成分及含量检测；

导电回路和井筒1需设置安全防护措施，首先确保导电回路和井筒表面的绝缘性与安全性，再分别向左右两排导电回路中以并联的方式通以一定的直流电压，使矿井井筒内壁上的离子定向运移。

作为本实施例的一种优选方案，在井筒1的同一轴截面上，正极电极3和负极电极4之间的井壁101上交替均匀布设安装有多个含水率传感器8和盐分含量传感器9，对井筒1进行盐分流动状态实时监测。

作为本实施例的一种优选方案，导电回路中，正极电极3和负极电极10之间的夹角为90°。

作为本实施例的一种优选方案，井壁101为拱形井壁。

实施例3：

本实施例给出一种防止矿井混凝土井筒受离子侵蚀破坏的电迁移方法，该方法采用如实施例1用于防止矿井混凝土井筒受离子侵蚀破坏的电迁移装置，该方法具体包括以下步骤：

步骤一，用钻机从井筒1顶部的井壁101向地层围岩2打两排钻孔作为安装正极电极3的电极基槽5，将正极电极3插入电极基槽5中，电极基槽5和正极电极3之间填充导电填充物6，封闭电极基槽5；用钻机从井筒1两侧靠近底板102的底部的井壁101向地层围岩2分别打一排钻孔作为安装负极电极4的电极基槽5，将负极电极4插入电极基槽5中，电极基槽5和负极电极4之间均填充导电填充物6，封闭电极基槽5；

步骤二，监测地下水矿化度，根据地下水矿化度确定电势梯度，然后根据电势梯度确定电源10的输出的直流电压，给正极电极3和负极电极4供直流电，形成闭合回路；

当地下水矿化度小于3000mg/L时，电势梯度为30～60V/m；

当地下水矿化度为3000mg/L～10000时，电势梯度为60～90V/m；

当地下水矿化度为10000mg/L～20000时，电势梯度为90～120V/m；

当地下水矿化度为20000mg/L～50000时，电势梯度为120～150V/m；

当地下水矿化度大于50000时，电势梯度为150～200V/m；

所述的电势梯度与电源的输出的直流电压之间的关系为：

其中，gradv为电势梯度，单位：V/m；

ΔU为电源输出的直流电压，单位：V；

L为正极电极和负极电极产生的电场线在井筒中的最短距离，即为沿井筒轴截面某一导电回路中正极电极和负极电极之间的井壁弧长，单位：m。

作为本实施例的一种优选方案，该方法还包括：

步骤三，在井筒1的同一轴截面上，正极电极3和负极电极4之间的井壁101上交替均匀布设安装有多个含水率传感器8和盐分含量传感器9，对井壁101进行盐分流动状态实时监测，当所述的盐分含量传感器9所测的硫酸根离子和氯离子含量之和低于800mg/L时，达到控制井筒1中地层盐分的侵入量的目的。含水率传感器8用于检测含水率。

作为本实施例的一种优选方案，该方法还包括：

该方法还包括步骤四，在井壁101上正极电极3安装位置处设置有阴离子吸收膜，收集电场力作用电迁移所致的过剩的阴离子，当阴离子吸收膜上的硫酸根离子和氯离子含量之和大于2000mg/L时，更换阴阳离子吸收膜。

作为本实施例的一种优选方案，该方法还包括：

该方法还包括步骤五，所述的井筒1包括井壁101和底部铺设的底板102，底板102两侧和井壁101之间沿着轴向分别设置有排水集水沟7，在排水集水沟7内设置阳离子吸收膜，收集水中过量的阳离子。阳离子吸收膜可以根据需要定期更换。

作为本实施例的一种优选方案，正极电极3采用电动土工合成材料制成，所述的负极电极4采用钢管制成，钢管上均匀分布有多个侧孔。钢管的一端伸入穿过井壁101伸入井筒1内位于排水集水沟7上方，钢管7伸入井筒1内的端部表面包覆绝缘层。

作为本实施例的一种优选方案，导电回路中，正极电极3和负极电极4之间的夹角为90°。

作为本实施例的一种优选方案，井壁101为拱形井壁。

应用例：

本应用例中以某矿斜井为例，该矿在淋滤段取水样，经水质检测显示，硫酸根离子含量高达4001mg/L，氯离子含量高达4230mg/L，总矿化度达到12179mg/L，调查发现混凝土砌碹的矿井井筒被破坏的直接原因为水分携带盐分在混凝土内部聚集并与之形成一系列化学反应，生成无粘聚性颗粒状的石膏、钙矾石、氢氧化镁、镁硅酸凝胶、硅灰石膏等，造成混凝土结构的水化产物逐渐减少，混凝土膨胀开裂，混凝土截面、重量以及强度严重损失，严重威胁采矿安全。

首先进行水文地质和工程地质调查，发现侵蚀段主要发生在地下水淋滤段，即井筒224～280m段，矿井井筒采用双层钢筋混凝土砌碹，凝土砌碹层厚度约为500mm，双层钢筋锚网喷浆支护层厚度约为400mm，井筒井壁的厚度为900mm，井筒1尺寸(半圆拱形，宽5.5m，高4.15m)，地层围岩2岩性为泥岩，泥岩处于过饱和状态，含水率较大。

根据调查结果，利用实施例3中的方法对混凝土矿井井筒进行防腐治理，确定安装所需的正极电极3和负极电极4长度为4.75m，正极电极3和负极电极4直径为50mm，相邻两个电迁移单元之间的距离为为3.8m，电势梯度为96V/m，直流电压的大小约为550V。

对导电回路和井筒设置安全防护措施，首先确保导电回路和井筒表面的绝缘性与安全性，再分别向左右导电回路中以并联的方式通以确定的直流电压，使矿井井筒内地层中的离子定向运移。

Claims (3)

1.一种防止矿井混凝土井筒受离子侵蚀破坏的电迁移方法，其特征在于，该方法采用电迁移装置，所述的电迁移装置包括一端插入井筒(1)顶部的井壁(101)内的正极电极(3)，正极电极(3)的另一端沿着井筒(1)的径向向外辐射插入井筒(1)周围的地层围岩(2)中；

还包括一端插入井筒(1)靠近底板(102)的底部的井壁(101)内的负极电极(4)，负极电极(4)的另一端沿着井筒(1)的径向向外辐射插入井筒(1)周围的地层围岩(2)中；

所述的正极电极(3)的另一端与电源(10)的正极相连，负极电极(4)的另一端与电源(10)的负极相连，使得井筒(1)、正极电极(3)、负极电极(4)和电源(10)串联形成一个导电回路；

在井筒(1)的同一轴截面上，设置有两个正极电极(3)和两个负极电极(4)，两个正极电极(3)安装在井筒(1)顶部的井壁(101)上，两个负极电极(4)安装在井筒(1)靠近底板(102)的底部的井壁(101)上且两侧的井壁(101)上各安装一个负极电极(4)；

所述的井筒(1)为对称结构，以垂直底板(102)的井筒对称面为对称面，正极电极(3)和负极电极(4)呈面对称布设，对称面两侧的正极电极(3)和负极电极(4)分别串联在两个独立的所述的导电回路中；

在井筒(1)的同一轴截面上的两个独立的所述的导电回路组成一个电迁移单元，所述的井筒(1)的井壁(101)上沿着轴向均匀布设有多个所述的电迁移单元；

所述的正极电极(3)和负极电极(4)的长度相等，正极电极(3)的长度为井筒(1)的内半径与井筒(1)的井壁厚度之和的0.8～1.4倍；所述的正极电极(3)和负极电极(4)的直径均为45mm～80mm；相邻两个电迁移单元之间的距离为正极电极(3)长度的0.6～0.8倍；

该方法具体包括以下步骤：

步骤一，用钻机从井筒(1)顶部的井壁(101)向地层围岩(2)打两排钻孔作为安装正极电极(3)的电极基槽(5)，将正极电极(3)插入电极基槽(5)中，电极基槽(5)和正极电极(3)之间填充导电填充物(6)，封闭电极基槽(5)；用钻机从井筒(1)两侧靠近底板(102)的底部的井壁(101)向地层围岩(2)分别打一排钻孔作为安装负极电极(4)的电极基槽(5)，将负极电极(4)插入电极基槽(5)中，电极基槽(5)和负极电极(4)之间均填充导电填充物(6)，封闭电极基槽(5)；

步骤二，监测地下水矿化度，根据地下水矿化度确定电势梯度，然后根据电势梯度确定电源(10)的输出的直流电压，给正极电极(3)和负极电极(4)供直流电，形成闭合回路；

当地下水矿化度小于3000mg/L时，电势梯度为30～60V/m；

当地下水矿化度为3000mg/L～10000时，电势梯度为60～90V/m；

当地下水矿化度为10000mg/L～20000时，电势梯度为90～120V/m；

当地下水矿化度为20000mg/L～50000时，电势梯度为120～150V/m；

当地下水矿化度大于50000时，电势梯度为150～200V/m；

所述的电势梯度与电源的输出的直流电压之间的关系为：

其中，gradv为电势梯度，单位：V/m；

ΔU为电源输出的直流电压，单位：V；

L为正极电极和负极电极产生的电场线在井筒中的最短距离，单位：m；

该方法还包括步骤三，在井筒(1)的同一轴截面上，正极电极(3)和负极电极(4)之间的井壁(101)上交替均匀布设安装有多个含水率传感器(8)和盐分含量传感器(9)，对井壁(101)进行盐分流动状态实时监测，当所述的盐分含量传感器(9)所测的硫酸根离子和氯离子含量之和低于800mg/L时，达到控制井筒(1)中地层盐分的侵入量的目的；

该方法还包括步骤四，在井壁(101)上正极电极(3)安装位置处设置有阴离子吸收膜，收集电场力作用电迁移所致的过剩的阴离子，当阴离子吸收膜上的硫酸根离子和氯离子含量之和大于2000mg/L时，更换阴阳离子吸收膜；

该方法还包括步骤五，所述的井筒(1)包括井壁(101)和底部铺设的底板(102)，底板(102)两侧和井壁(101)之间沿着轴向分别设置有排水集水沟(7)，在排水集水沟(7)内设置阳离子吸收膜，收集水中过量的阳离子；

所述的正极电极(3)采用电动土工合成材料制成，所述的负极电极(4)采用钢管制成，钢管上均匀分布有多个侧孔，钢管的一端伸入穿过井壁(101)伸入井筒(1)内位于排水集水沟(7)上方，钢管伸入井筒(1)内的端部表面包覆绝缘层。

2.如权利要求1所述的防止矿井混凝土井筒受离子侵蚀破坏的电迁移方法，其特征在于，所述的导电回路中，正极电极(3)和负极电极(4)之间的夹角为90°。

3.如权利要求1所述的防止矿井混凝土井筒受离子侵蚀破坏的电迁移方法，其特征在于，所述的井壁(101)为拱形井壁。

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