CN112983536A - 一种确定煤矿瓦斯抽采钻孔注浆密封最佳注浆压力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定煤矿瓦斯抽采钻孔注浆密封最佳注浆压力的方法,包括以下步骤:取样并制样;工业CT扫描、三维数字化物理建模;3D打印人造煤岩样品;高压注浆充填裂隙;多个样品分别增大注浆压力注浆;计算样品中注浆浸入体体积,并求取试件中体积不再增加的临界注浆压力点P1;测取现场注浆密封瓦斯抽采钻孔时密封段最大承受压力P2,选择最佳注浆压力。本发明的方法提出合理的注浆压力有利于注浆材料向钻孔周边裂隙圈的充填,避免施工时注浆压力过低浆液不能达到钻孔周边裂隙深部,或压力过高导致浆液压穿封堵的两端,有效提高钻孔的注浆密封质量和瓦斯抽采效果。
Description
技术领域
本发明属于属于矿井瓦斯防治领域,具体涉及一种确定煤矿瓦斯抽采钻孔注浆密封最佳注浆压力的方法。
背景技术
在高瓦斯煤矿安全开采中,瓦斯抽采是治理瓦斯最有效的途径。中国目前大多数的矿井属于高瓦斯矿井,且地面抽采在绝大多数的煤矿区仍然不能形成规模,井下瓦斯抽采依然是瓦斯治理的主体。目前国内井下瓦斯抽采主要依靠钻孔抽采,要求钻孔拥有较高的密封质量,以免在抽采时漏气严重导致抽采质量不达标。近年来,随着煤炭企业逐渐减少聚氨酯类发泡材料的使用,注浆密封钻孔成为瓦斯抽采必不可少的施工环节。
由于瓦斯抽采钻孔密封工艺尚没有统一的标准,煤矿企业在密封钻孔时没有一个合理的参考,这就导致了瓦斯抽采钻孔密封时经验为主,对施工人员具有较高的技术要求,一般而言,注浆量和注浆压力都难以达到一个合理的值。而注浆量和注浆压力值对钻孔密封质量的好坏具有重要影响,尤其是注浆压力的大小是影响钻孔密封质量关键因素。
注浆压力对钻孔密封质量的影响主要体现在两个方面,其一是注浆压力的高低决定了注浆材料向钻孔周边煤体裂隙中渗入量的多少和向煤岩裂隙中渗入的深度;其二,注浆压力的高低影响凝固后的注浆材料对钻孔的支撑力,同时也要求钻孔两个封堵端封堵质量要达到较高质量。因此,合理的注浆压力有利于注浆材料向钻孔周边裂隙圈的充填,提高瓦斯抽采钻孔密封质量;不合理的注浆压力会导致钻孔密封质量不达标,如压力较低时注浆材料不能到达钻孔周边裂隙深部,或压力过高时会导致注浆材料压穿封堵的两端,均达不到钻孔高效密封的目的。
随着矿井的开采深度越来越大,许多矿井由开采低瓦斯煤层区域转入开采高瓦斯煤层区域,瓦斯抽采的压力会越来越大,如何高质量的密封抽采钻孔将变得越来越重要,注浆压力的合理设计将变得越来越重要。如何通过煤层条件,选择合理的注浆压力,是提高钻孔注浆密封质量的重要手段。
发明内容
为了提高钻孔注浆密封的质量,本发明结合实验室实验研究和现场实际操作,提供了一种确定煤矿瓦斯抽采钻孔注浆密封最佳注浆压力的方法。
本发明采用的技术方案是,一种确定煤矿瓦斯抽采钻孔注浆密封最佳注浆压力的方法,包括以下步骤:
步骤一、在目标煤层选取大块煤样品制备标准煤柱试样若干,在若干试样中选取裂隙最为发育的试验样品;
步骤二、将选定的试验样品进行工业CT扫描,并将扫描结果导入CT重构软件进行三维数字化岩心重构,通过对软件中的数字化岩心的光度阈值分割,筛选出煤的阈值区间和裂隙的阈值区间,并以此为依据建立含裂隙煤岩的三维数字化物理模型;
步骤三、以上述三维数字化物理模型为模板,采用3D打印技术生成人造煤岩样品若干枚,并做好编号;
步骤四、将人造煤岩样品装入高压注浆容器中密封,通过注浆泵向高压注浆容器注入浆液,注浆压力为0.7MPa,稳压注浆1min;
步骤五、在浆液失去流动性和初凝前将注浆泵和高压注浆容器卸压,取出人造煤岩样品清理外表浆液并标记注浆压力;
步骤六、选取新的人造煤岩样品重复步骤四和步骤五操作,设定注浆压力分别为1.0MPa、1.3MPa、1.6MPa、1.9MPa、2.2MPa、2.5MPa、2.8MPa、3.1MPa,对每个注浆压力对应的人造煤岩样品做好标记;
步骤七、待上述不同注浆压力下注浆充填的含裂隙的人造煤岩样品完全凝固后,将其放入干燥箱中干燥至少24小时;
步骤八、将干燥后的人造煤岩样品进行工业CT扫描,并将扫描结果导入CT重构软件中进行三维成像,筛选注浆材料固结后注浆浸入体的阈值区间,并通过阈值分割在软件中呈现不同注浆压力的注浆浸入体的立体形态,通过软件命令计算不同注浆压力的注浆浸入体的体积;
步骤九、对人造煤岩样品的注浆压力与其对应的注浆浸入体体积数据进行分析,找出注浆压力升高而注浆浸入体体积没有明显增加的点,确定为实验室测定的注浆压力向裂隙中渗透的极限压力值P1;
步骤十、选取与实验室试验样品相同,且同为一个井田区域内的煤层,避开大的围岩裂隙区和构造应力不稳定区域,对若干个钻孔以相同的注浆工艺注浆密封,直至密封段出现泄漏,分别记录泄漏时的注浆压力,并计算该区域所能承受的最大注浆压力P2;
步骤十一、选出最佳注浆压力值,若P1≤P2,选择P1作为最佳注浆压力值;若P1>P2,选择P2作为最佳注浆压力值。
优选地,所述步骤一中裂隙最为发育的样品,要求该样品裂隙在外表面张开度大于0.5mm,并肉眼可见裂隙延伸到样品内部较深。
优选地,所述步骤二中CT扫描精度不小于50微米。
优选地,所述步骤三3D打印时将煤基质部分打印为固体结构,将裂隙部分打印为实体的孔洞,并且打印精度不小于50微米,打印材料为光聚合物材料。
优选地,所述步骤四采用的浆液为速凝水泥与水混合物,所述速凝水泥由超细水泥、双快水泥、悬浮剂复合而成。
优选地,每次装入高压注浆容器的人造煤岩样品数量不低于三个,对于同一个注浆压力的样品的注浆浸入体的体积应求其平均值作为该注浆压力下的注浆浸入体体积。
优选地,所述步骤九中,以若干人造煤岩样品不同的注浆压力作为X轴数据,以所对应的浆液注浆浸入体体积作为Y轴数据通过绘图软件绘制二维散点图,在图上找出注浆压力升高而注浆浸入体体积没有明显增加的点,确定为注浆压力向裂隙中渗透的极限压力值P1。
优选地、所述步骤十中钻孔数量为5-7个,去除若干个钻孔的注浆压力数据最值,再取其他注浆压力数据平均值,即为最大注浆压力P2。
优选地,所述CT重构软件采用AVIZO。
相较现有技术,本发明的有益效果是:本发明通过实验室制备若干个裂隙结构与原煤相同的人造煤岩样品,利用高压注浆容器进行不同的注浆压力试验,准确地确定注浆压力向人造煤岩样品裂隙中渗透的极限压力值P1,再通过多个结构稳定且相似的煤层钻孔测定可承受最大注浆压力P2,从而确定煤矿瓦斯抽采钻孔注浆密封的最佳注浆压力,避免施工时注浆压力过低浆液不能达到钻孔周边裂隙深部,或压力过高导致浆液压穿封堵的两端,有效提高钻孔的注浆密封质量和瓦斯抽采效果。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进一步解释说明,以便于本领域中专业技术人员更好地理解。
一种确定煤矿瓦斯抽采钻孔注浆密封最佳注浆压力的方法,包括以下步骤:
步骤一、在目标煤层选取大块煤样品制备标准煤柱试样若干,在若干试样中选取裂隙最为发育的试验样品;
步骤二、将选定的试验样品进行工业CT扫描,并将扫描结果导入CT重构软件进行三维数字化岩心重构,通过对软件中的数字化岩心的光度阈值分割,筛选出煤的阈值区间和裂隙的阈值区间,并以此为依据建立含裂隙煤岩的三维数字化物理模型;
步骤三、以上述三维数字化物理模型为模板,采用3D打印技术生成人造煤岩样品若干枚,并做好编号;
步骤四、将人造煤岩样品装入高压注浆容器中密封,通过注浆泵向高压注浆容器注入浆液,注浆压力为0.7MPa,稳压注浆1min;
步骤五、在浆液失去流动性和初凝前将注浆泵和高压注浆容器卸压,取出人造煤岩样品清理外表浆液并标记注浆压力;
步骤六、选取新的人造煤岩样品重复步骤四和步骤五操作,设定注浆压力分别为1.0MPa、1.3MPa、1.6MPa、1.9MPa、2.2MPa、2.5MPa、2.8MPa、3.1MPa,对每个注浆压力对应的人造煤岩样品做好标记;
步骤七、待上述不同注浆压力下注浆充填的含裂隙的人造煤岩样品完全凝固后,将其放入干燥箱中干燥至少24小时;
步骤八、将干燥后的人造煤岩样品进行工业CT扫描,并将扫描结果导入CT重构软件中进行三维成像,筛选注浆材料固结后注浆浸入体的阈值区间,并通过阈值分割在软件中呈现不同注浆压力的注浆浸入体的立体形态,通过软件命令计算不同注浆压力的注浆浸入体的体积;
步骤九、对人造煤岩样品的注浆压力与其对应的注浆浸入体体积数据进行分析,找出注浆压力升高而注浆浸入体体积没有明显增加的点,确定为实验室测定的注浆压力向裂隙中渗透的极限压力值P1;
步骤十、选取与实验室实验样品相同,且同为一个井田区域内的煤层,避开大的围岩裂隙区和构造应力不稳定区域,对若干个钻孔以相同的注浆工艺注浆密封,直至密封段出现泄漏,分别记录泄漏时的注浆压力,并计算该区域所能承受的最大注浆压力P2;
步骤十一、选出最佳注浆压力值,若P1≤P2,选择P1作为最佳注浆压力值;若P1>P2,选择P2作为最佳注浆压力值。
优选地,所述步骤一中标准煤层样品为直径50mm,高100mm的圆柱体煤柱,所述裂隙最为发育的样品,要求该样品裂隙在外表面张开度大于0.5mm,并肉眼可见裂隙延伸到样品内部较深,以便于注浆测定极限压力值P1;
优选地,所述步骤二中CT扫描精度不小于50微米。
优选地,所述步骤三3D打印时将煤基质部分打印为固体结构,将裂隙部分打印为实体的孔洞,并且打印精度不小于50微米,打印材料为光聚合物材料。
优选地,所述步骤四采用的浆液为速凝水泥与水混合物,所述速凝水泥由超细水泥、双快水泥、悬浮剂复合而成,具有速凝、微膨胀、渗透性佳的特点,凝固时间小于1小时。
优选地,每次装入高压注浆容器的人造煤岩样品数量不低于三个,对于同一个注浆压力的样品的注浆浸入体的体积应求其平均值作为该注浆压力下的注浆浸入体体积,提高试验结果有效性。
优选地,所述步骤九中,以若干人造煤岩样品不同的注浆压力作为X轴数据,以所对应的浆液注浆浸入体体积作为Y轴数据通过绘图软件绘制二维散点图,在图上找出注浆压力升高而注浆浸入体体积没有明显增加的点,确定为注浆压力向裂隙中渗透的极限压力值P1。
优选地、所述步骤十中钻孔数量为5-7个,去除若干个钻孔的注浆压力数据最值,再取其他注浆压力数据平均值,即为最大注浆压力P2,选取最为有效的最大注浆压力值。
优选地,所述CT重构软件采用AVIZO,便于试验中的模型建立以及数据分析。
实施例1
贵州省盘江精煤股份公司金佳煤矿22号煤层一采区132204运输巷顺层瓦斯抽采钻孔根据本发明提出的一种确定煤矿瓦斯抽采钻孔注浆密封最佳注浆压力的方法,进行实际实验。根据以上方法步骤分别测定该煤层注浆压力向裂隙中渗透的极限压力值P1和最大注浆压力P2,其试验数据如下:
对上述实验结果进行计算分析,得出此次试验样品的注浆压力向裂隙中渗透的极限压力值P1为1.9MPa。
选取与上述实验煤样相同,且同为一个井田区域内的煤层,避开大的围岩裂隙区和构造应力不稳定区域,对其中5个钻孔以相同的注浆工艺注浆密封,直至密封段出现泄漏,分别记录泄漏时的注浆压力,并计算该区域所能承受的最大注浆压力P2,其结果如下:
注浆密封瓦斯抽采钻孔,需要注浆压力小于密封段的最大可承受压力P2,且应不大于向裂隙中的渗透的极限压力值P1,所以该区域煤层钻孔注浆密封的最佳注浆压力为1.53MPa。
在该区域选取30个结构相似的煤层钻孔,采用完全相同的钻孔注浆密封工艺,其中15个钻孔分别以上述试验得出的最佳注浆压力对钻孔注浆密封,另外15个钻孔以现有技术根据经验判断对钻孔注浆密封,测量钻孔在一个月内的平均瓦斯浓度如下:
从上述结果可以看出,根据本发明提出的方法计算煤层钻孔注浆密封的最佳注浆压力,采用最佳注浆压力对钻孔进行注浆密封,钻孔中的平均瓦斯浓度为61.33%,现有技术根据经验判断对钻孔注浆密封的平均瓦斯浓度为36.44%,通过计算最佳注浆压力对钻孔进行注浆密封的密封质量和瓦斯抽采效果明显优于现有技术。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定。在不脱离本发明设计精神和原则的前提下,本领域技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种确定煤矿瓦斯抽采钻孔注浆密封最佳注浆压力的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、在目标煤层选取大块煤样品制备标准煤柱试样若干,在若干试样中选取裂隙最为发育的试验样品;
步骤二、将选定的试验样品进行工业CT扫描,并将扫描结果导入CT重构软件进行三维数字化岩心重构,通过对软件中的数字化岩心的光度阈值分割,筛选出煤的阈值区间和裂隙的阈值区间,并以此为依据建立含裂隙煤岩的三维数字化物理模型;
步骤三、以上述三维数字化物理模型为模板,采用3D打印技术生成人造煤岩样品若干枚,并做好编号;
步骤四、将人造煤岩样品装入高压注浆容器中密封,通过注浆泵向高压注浆容器注入浆液,注浆压力为0.7MPa,稳压注浆1min;
步骤五、在浆液失去流动性和初凝前将注浆泵和高压注浆容器卸压,取出人造煤岩样品清理外表浆液并标记注浆压力;
步骤六、选取新的人造煤岩样品重复步骤四和步骤五操作,设定注浆压力分别为1.0MPa、1.3MPa、1.6MPa、1.9MPa、2.2MPa、2.5MPa、2.8MPa、3.1MPa,对每个注浆压力对应的人造煤岩样品做好标记;
步骤七、待上述不同注浆压力下注浆充填的含裂隙的人造煤岩样品完全凝固后,将其放入干燥箱中干燥至少24小时;
步骤八、将干燥后的人造煤岩样品进行工业CT扫描,并将扫描结果导入CT重构软件中进行三维成像,筛选注浆材料固结后注浆浸入体的阈值区间,并通过阈值分割在软件中呈现不同注浆压力的注浆浸入体的立体形态,通过软件命令计算不同注浆压力的注浆浸入体体积;
步骤九、对人造煤岩样品的注浆压力与其对应的注浆浸入体体积数据进行分析,找出注浆压力升高而注浆浸入体体积没有明显增加的点,确定为实验室测定的注浆压力向裂隙中渗透的极限压力值P1;
步骤十、选取与实验室试验样品相同,且同为一个井田区域内的煤层,避开大的围岩裂隙区和构造应力不稳定区域,对若干个钻孔以相同的注浆工艺注浆密封,直至密封段出现泄漏,分别记录泄漏时的注浆压力,并计算该区域所能承受的最大注浆压力P2;
步骤十一、选出最佳注浆压力值,若P1≤P2,选择P1作为最佳注浆压力值;若P1>P2,选择P2作为最佳注浆压力值。
2.根据权利要求1所述的一种确定煤矿瓦斯抽采钻孔注浆密封最佳注浆压力的方法,其特征在于:所述步骤一中裂隙最为发育的样品,要求该样品裂隙外表面张开度大于0.5mm,并肉眼可见裂隙延伸到样品内部较深。
3.根据权利要求1所述的一种确定煤矿瓦斯抽采钻孔注浆密封最佳注浆压力的方法,其特征在于:所述步骤二中CT扫描精度不小于50微米。
4.根据权利要求1所述的一种确定煤矿瓦斯抽采钻孔注浆密封最佳注浆压力的方法,其特征在于:所述步骤三3D打印时将煤基质部分打印为固体结构,将裂隙部分打印为实体的孔洞,并且打印精度不小于50微米,打印材料为光聚合物材料。
5.根据权利要求1所述的一种确定煤矿瓦斯抽采钻孔注浆密封最佳注浆压力的方法,其特征在于:所述步骤四采用的浆液为速凝水泥与水混合物,所述速凝水泥由超细水泥、双快水泥、悬浮剂复合而成。
6.根据权利要求1所述的一种确定煤矿瓦斯抽采钻孔注浆密封最佳注浆压力的方法,其特征在于:每次装入高压注浆容器的人造煤岩样品数量不低于三个,对于同一个注浆压力的样品的注浆浸入体体积求其平均值作为该注浆压力下的注浆浸入体的体积。
7.根据权利要求1所述的一种确定煤矿瓦斯抽采钻孔注浆密封最佳注浆压力的方法,其特征在于:所述步骤九中,以若干人造煤岩样品不同的注浆压力作为X轴数据,以所对应的浆液注浆浸入体体积作为Y轴数据通过绘图软件绘制二维散点图,在图上找出注浆压力升高而注浆浸入体体积没有明显增加的点,确定为注浆压力向裂隙中渗透的极限压力值P1。
8.根据权利要求1所述的一种确定煤矿瓦斯抽采钻孔注浆密封最佳注浆压力的方法,其特征在于:所述步骤十中钻孔数量为5-7个,去除若干个钻孔的注浆压力数据最大值和最小值,再取其他注浆压力数据平均值,即为最大注浆压力P2。
9.根据权利要求1所述的一种确定煤矿瓦斯抽采钻孔注浆密封最佳注浆压力的方法,其特征在于:所述CT重构软件采用AVIZO。
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