CN115355004A

CN115355004A - 煤层冲击地压钻孔赤泥浆改性与强化卸压方法

Info

Publication number: CN115355004A
Application number: CN202211140605.1A
Authority: CN
Inventors: 刘国磊; 王泽东; 崔嵛; 李公成
Original assignee: Shandong University of Technology
Current assignee: Shandong University of Technology
Priority date: 2022-09-20
Filing date: 2022-09-20
Publication date: 2022-11-18
Anticipated expiration: 2042-09-20
Also published as: CN115355004B

Abstract

本发明涉及一种煤层冲击地压钻孔赤泥浆改性与强化卸压方法，主要是向煤壁的孔洞中注入赤泥浆。本发明主要特点是主要依靠赤泥的强碱性物质与煤层中的酸性物质发生中和反应，促进了裂隙的形成，破坏煤层的完整性，永久性弱化煤层的力学性质，降低煤层的冲击倾向性，同时也起到促进裂隙扩展的作用，强化卸压效果。

Description

煤层冲击地压钻孔赤泥浆改性与强化卸压方法

技术领域

本发明属于煤层冲击地压防治技术领域，具体涉及为煤层冲击地压钻孔赤泥浆改性与强化卸压方法。

背景技术

赤泥是氧化铝生产工艺的强碱性废弃物，其中全球95％的赤泥来自拜耳法生产氧化铝工艺。氧化铝和赤泥的产值比约为1：0.8～2.5，全球氧化铝需求量巨大，也造成赤泥储量不断增加，截至2017年已达39亿t，这个数值还在以1.2亿t/a的产量增长，而中国氧化铝产量居世界首位，2020年赤泥产量1亿t，总储量达16亿t。随着高品质铝土矿资源的减少，氧化铝和赤泥的产值比将缓慢减小，赤泥储量增长加速。同时全球赤泥消耗能力弱，利用率低于10％，赤泥的污染性给全球环境安全带来巨大威胁。

赤泥的强碱性使其难以大规模综合利用，同时赤泥产量巨大，赤泥堆存带来巨大风险，实现赤泥的高效无害化处理成为环境保护问题的重中之重。赤泥堆存不仅占用大量土地、耗费大量资源，赤泥颗粒粒度在0～0.08mm级别，团聚性差，风流带走颗粒后污染空气，危害人体健康。赤泥的重金属等污染成分也会随雨水渗入土壤，造成严重水、土资源污染。2010年发生在匈牙利的一起溃坝事故使附近水域的pH值达到13。赤泥的危害性巨大，如何多产业交叉，变废为宝，实现源化利用赤泥的同时提高经济产值是十分关键的环保和经济课题。

赤泥性质复杂，主要由化学组分和矿物组分两部分组成，赤泥具有较高的持水性，与水混合后形成赤泥浆体。化学成分主要有：CaO、SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃、TiO₂、K₂O和Na₂O等，赤泥中Na₂O含量一般在2％～10％，是衡量赤泥碱性强弱的重要指标；矿物相主要有：方解石、赤铁矿、水合铝硅酸钠、水化石榴石、铝酸三钙和钙霞石等。

赤泥中碱有自由碱和结合碱两种形式，自由碱附着于表面，溶于水电离出碱性阴离子和Na⁺，主要有NaOH、KOH、NaAl(OH)₄、Na₂CO₃、NaHCO₃、K₂CO₃、Na₂SiO₃等；结合碱以矿物相存在，主要包括方解石(CaCO₃)、方钠石(Na₆Al₆Si₆O₂₄·NaX)、钙霞石(Na₆Al₆Si₆O₂₄·2CaCO₃)等多种矿物。赤泥脱碱是其综合利用的关键一环，有水洗法、酸浸法、石灰法、生物法、石灰法等，但由于赤泥碱性强烈，药剂消耗大，限制条件多，难以实现大规模工业化脱碱，因此赤泥的综合利用受到极大限制。

煤炭是我国主要能源，具有巨大储量，若将赤泥合理运用在煤炭开采环节中，则对赤泥也是一定规模的消耗，这将是一条高效利用赤泥的途径。在当前煤炭开采条件下，冲击地压是煤矿最严重的动力灾害之一，为防治冲击地压，大直径钻孔卸压技术在煤矿得到充分应用，一般钻孔直径≥150mm，钻孔孔深≥15m，钻孔间距1～3m，理论上对煤层进行有效卸压是防治冲击地压的基本条件，大直径钻孔卸压技术则被认为是对煤体卸压、转移应力集中的最直接有效方法，然而长达数千米的巷道内施工大量卸压钻孔，耗费大量人力、物力和财力，同时煤层地质条件复杂多样，开采技术条件对应力分布也有极大影响，这就导致煤层钻孔卸压效果往往不理想，钻孔卸压技术还存在较大发展改进空间。因此，从提高卸压效果，减少人力、财力、时间成本的角度出发，根据现有研究成果分析，拟利用物化方法对煤体材料进行改性卸压，因赤泥的成分和性质在煤层改性上存在较好的匹配度，提出煤层冲击地压钻孔卸压效果赤泥浆保压灌注强化方法。

煤中含有14多种常量元素，主要是C、H、O和N组成煤的有机组分，S既是煤中有机物质的组成成分，也是硫酸盐矿物和硫化物的重要组成。Na、Al、Mg、Ca、Si、Ti、K、Fe和P主要组成无机部分，氢氧化物、硅酸盐、氧化物、碳酸盐、硫化物、磷酸盐、硫酸盐等矿物是主要载体：①Si主要以石英、粘土矿物、硅酸盐和铝硅酸盐形式存在；②Al主要以硅酸盐和氢氧化物形式存在；③Fe：存在于硫化物(黄铁矿，白铁矿，磁黄铁矿等)中，以黄铁矿为主，部分也以碳酸盐矿物、氢氧化物和氧化物、硫酸盐等型式存在；④Mg以碳酸盐和粘土矿物为主；⑤Na主要以粘土矿物、硅酸盐、岩盐形式存在；⑥Ca在煤中主要以碳酸盐(方解石)、硫酸盐(石膏)、磷酸盐、硅酸盐型式和有机状态存在。⑦K在煤中以伊利石、长石、云母的形式存在。

除主要的可燃有机煤基质，煤层中含有水和其他杂质矿物，其中硫酸盐矿物和硫化物占了较大比重，硫酸盐是强酸弱碱盐，H₂S的溶液呈弱酸性，煤中的有机羧酸在碱性环境中也会发生中和反应，此外，中高硫煤层开采过程中黄铁矿、白铁矿等会发生一系列物化和生化反应，使矿井水呈酸性，这一现象在陕、晋、鲁、皖、蒙、川、桂、贵等主要产煤省区均广泛存在。因此煤层存在能够发生中和反应的酸性环境，具备中和赤泥强碱性的物质条件。

煤层中的石膏也是脱碱工艺的主要材料，能够将赤泥中的NaOH反应消除，降低赤泥碱度。此外，煤层中被证实存在土壤中广泛存在的硫杆菌属(Thiobacillus)，其中的排硫杆菌(Thiobacillus thioparus)和新型硫杆菌(Thiobacillus novellus)能够在水和空气作用下分解黄铁矿(FeS₂)，产生无机酸，能够中和赤泥碱性物质，同时也腐蚀煤层，促进煤层裂隙产生。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种煤层冲击地压钻孔赤泥浆改性与强化卸压方法，本发明主要特点是依靠赤泥的强碱性物质与煤层中的酸性物质发生中和反应，促进了裂隙的形成，破坏煤层的完整性，永久性弱化煤层的力学性质，降低煤层的冲击倾向性，同时也起到促进裂隙扩展的作用，强化卸压效果。

本发明解决现有技术存在的问题所采用的技术方案是：

煤层冲击地压钻孔赤泥浆改性与强化卸压方法，向煤壁的孔洞中注入赤泥浆。

优选的，在煤壁上钻卸压孔；

向卸压孔内部灌注赤泥浆。

优选的，对煤壁上的孔洞进行封孔，然后向孔内保压灌注赤泥浆。

优选的，在煤壁上钻卸压孔；

卸压孔通过管路与赤泥浆供给装置贯通连接，通过赤泥浆供给装置向卸压孔内部灌注赤泥浆。

优选的，所述的赤泥浆供给装置包括串联的赤泥添加混合装置以及高压泵站，高压泵站的进出口分别与赤泥添加混合装置以及卸压孔贯通连接。

水与赤泥添加到赤泥添加混合装置内部，混合后，由高压泵站灌注到卸压孔内部。

优选的，高压泵站与卸压孔之间的管路上设有流量计以及水压计。

优选的，高压泵站向卸压孔注入赤泥浆时，通过水压计观察赤泥浆压力值，保持压力波动范围小于8％。

观察流量计数值，当流量计数值波动范围小于5％时，关闭高压泵站。

赤泥浆对煤层进行改性，水压计显示的数值不断下降，当水压计显示的数值大于等于120h时长无变化后，拆卸高压泵站与卸压孔之间的管路。

优选的，在煤壁的孔洞内部设置注水端头，孔洞内位于注水端头外侧的位置设有胶囊封孔器。

注水端头通过高压管与赤泥浆供给装置连接。

胶囊封孔器通过高压胶管与胶囊泵站连接。

赤泥浆供给装置通过注水端头向孔洞内部灌注赤泥浆，胶囊泵站通过高压胶管向胶囊封孔器内部注入清水，泵入胶囊封孔器的水压大于等于孔洞内部灌注的赤泥浆的压力。

优选的，所述的赤泥浆供给装置包括串联的赤泥添加混合装置以及高压泵站，高压泵站的进出口分别与赤泥添加混合装置以及高压管贯通连接。

优选的，高压管以及高压胶管上均设有流量计以及水压计。

高压管灌注赤泥浆时，通过高压管上的水压计，观察灌注的赤泥浆压力值，保持压力波动范围小于8％。

观察高压管上流量计的数值，当流量计数值波动范围小于5％时，关闭高压泵站以及胶囊泵站。

赤泥浆对煤层进行改性，高压管上水压计显示的数值不断下降，当水压计显示的数值在大于等于120h时长无变化后，拆卸高压管以及高压胶管。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果：

该方法主要特点是将赤泥浆体灌注进入卸压钻孔孔底，或采用封孔器封孔后在孔底进行一定时间的保压灌注赤泥浆体，赤泥依靠强碱性腐蚀煤层中的酸性物质，发生中和反应，促进了裂隙的形成，破坏煤层的完整性，永久性弱化煤层的力学性质(单轴抗压强度、内聚力、摩擦角等)，降低煤层的冲击倾向性(弱化煤层的冲击倾向性指标：单轴抗压强度、弹性能量指数、动态破坏时间、冲击能量指数)，达到煤层改性的目的，消除煤层冲击的物质源头，同时也起到促进裂隙扩展的作用，增大塑性圈范围，强化卸压作用。此外，作为保压灌注介质的水也能够使煤层吸水饱和，弱化力学性质，降低冲击倾向，达到煤层改性进而强化卸压效果的目的。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明煤层冲击地压钻孔赤泥浆改性与强化卸压方法示意图。

图中：1-注水端头、2-胶囊封孔器、3-高压管、4-流量计、5-水压计、6-高压胶管。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明煤层冲击地压钻孔赤泥浆改性与强化卸压方法作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

煤层冲击地压钻孔赤泥浆改性与强化卸压方法，主要是向煤壁的孔洞中注入赤泥浆；或在煤壁上钻卸压孔，向卸压孔内部灌注赤泥浆。

煤壁上的孔洞可以是新钻的卸压孔，也可以是废弃的用于瓦斯抽采的钻孔。无论哪种孔洞，均是将赤泥浆灌注到孔底，通过赤泥浆对煤层进行改性。

赤泥浆对煤层改性的路径如下：

(1)中和反应：在碱性条件下，煤层中的有机酸和无机酸与赤泥中的自由碱和结合碱发生中和反应：

赤泥(自由碱/结合碱)+无机酸/有机酸(H⁺)→煤体腐蚀裂隙→碱化改性促裂/赤泥脱碱

(2)置换反应：在碱性条件下，煤层中的石膏(CaSO₄)与赤泥中的部分自由碱和部分结合碱发生置换反应：

赤泥(部分自由碱/部分结合碱)+石膏(CaSO₄)→煤体腐蚀裂隙→碱化改性促裂/赤泥脱碱

(3)生物脱碱：暴露在水和空气的环境下，煤层中的部分硫杆菌属(Thiobacillus)能够在水和空气作用下分解黄铁矿(FeS₂)，产生无机酸，中和赤泥碱性物质，同时也腐蚀煤层：

排硫杆菌(Thiobacillus thioparus)/新型硫杆菌(Thiobacillus novellus)+黄铁矿/水/空气(FeS₂/H₂O/O₂)→无机酸(H⁺)→煤体腐蚀裂隙→碱化改性促裂/赤泥脱碱

(4)煤层吸水饱和：煤层吸水后处于饱水状态，力学指标弱化，冲击倾向性降低，达到煤层改性的目的。

当卸压钻孔效果差、不塌孔时，或为提高施工效率而采用小直径钻孔钻打卸压孔时，该方法能够有效扩展常规卸压钻孔的塑性圈，扩大卸压范围、提高卸压效果，同时对煤层进行改性，降低煤层冲击倾向，强化防冲效果。

以下对如何将赤泥浆灌注到孔底提供两个实施例：

实施例1：

卸压孔或其它孔(例如废弃的瓦斯抽采孔)通过管路与赤泥浆供给装置贯通连接，通过赤泥浆供给装置向孔底灌注赤泥浆。

所述的赤泥浆供给装置包括串联的赤泥添加混合装置以及高压泵站，高压泵站的进出口分别与赤泥添加混合装置以及孔贯通连接，水与赤泥添加到赤泥添加混合装置内部，混合后，由高压泵站灌注到孔底。

高压泵站与孔之间的管路上设有流量计4以及水压计5。

高压泵站向孔注入赤泥浆时，通过水压计5观察赤泥浆压力值，保持压力波动范围小于8％，优选的保持压力不变。

观察流量计4数值，当流量计4数值波动范围小于5％时，优选的，流量计4的数值平稳后，关闭高压泵站。

煤层改性卸压结束后，撤出设备。可以通过水压计5的数值来判断煤层改性的完成度。

即，当赤泥浆对煤层进行改性，由于煤层被腐蚀产生裂痕，赤泥浆会渗入到裂痕内部，在进一步对与其接触的煤层进行改性。因此孔内部的赤泥浆的压力在逐渐降低，反应到水压计5上，水压计5显示的数值不断下降。当水压计5显示的数值大于等于120h时长无变化，或水压计5显示的数值低于阈值时，可以判定赤泥浆完成对煤层的改性，拆卸高压泵站与孔之间的管路。

实施例2：

在煤壁的孔洞(包含卸压孔)内部设置注水端头1，孔洞内位于注水端头1外侧的位置设有胶囊封孔器2。

注水端头1通过高压管3与赤泥浆供给装置连接，所述的赤泥浆供给装置包括串联的赤泥添加混合装置以及高压泵站，高压泵站的进出口分别与赤泥添加混合装置以及高压管3贯通连接。水与赤泥添加到赤泥添加混合装置内部，混合后，由高压泵站灌注到卸压孔内部。

胶囊封孔器2通过高压胶管6与胶囊泵站连接。

赤泥浆供给装置通过注水端头1向孔洞内部灌注赤泥浆，胶囊泵站通过高压胶管6向胶囊封孔器2内部注入清水，泵入胶囊封孔器2的水压大于等于孔洞内部灌注的赤泥浆的压力。

高压管3以及高压胶管6上均设有流量计4以及水压计5。

高压管3灌注赤泥浆时，通过高压管3上的水压计5，观察灌注的赤泥浆压力值，保持压力波动范围小于8％，优选的保持高压管3以及高压胶管6内部的压力不变。

观察高压管3上流量计4的数值，当流量计4数值波动范围小于5％时，优选的，流量计4的数值平稳后，关闭高压泵站以及胶囊泵站。

上述压力以及流量值得波动范围是指在预定时间段的前后两个时间点上水压计5以及流量计4测量的数值之间的对比。时间段的时长为5min-30min。

煤层改性卸压结束后，撤出设备。可以通过高压管3上的水压计5的数值来判断煤层改性的完成度。

即，当赤泥浆对煤层进行改性，由于煤层被腐蚀产生裂痕，赤泥浆会渗入到裂痕内部，在进一步对与其接触的煤层进行改性。因此孔内部的赤泥浆的压力在逐渐降低，反应到高压管3上的水压计5上，水压计5显示的数值不断下降。当水压计5显示的数值大于等于120h时长无变化，或水压计5显示的数值低于阈值时，可以判定赤泥浆完成对煤层的改性，拆卸高压管3以及高压胶管6。

保压灌注赤泥浆可以实现煤层物理和化学双重改性，极大促进冲击源头的消除。赤泥浆能够对煤体杂质矿物进行腐蚀，促进裂隙的产生、蔓延和扩展，更好的对煤层进行卸压，促进应力转移，卸压范围更加广泛、均匀。此外，改性施工结束后赤泥被充分脱碱，消除了赤泥难利用的技术难题，促进环保事业的发展。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims

1.煤层冲击地压钻孔赤泥浆改性与强化卸压方法，其特征在于：

向煤壁的孔洞中注入赤泥浆。

2.根据权利要求1所述的煤层冲击地压钻孔赤泥浆改性与强化卸压方法，其特征在于：

在煤壁上钻卸压孔；

向卸压孔内部灌注赤泥浆。

3.根据权利要求1所述的煤层冲击地压钻孔赤泥浆改性与强化卸压方法，其特征在于：

对煤壁上的孔洞进行封孔，然后向孔内保压灌注赤泥浆。

4.根据权利要求2所述的煤层冲击地压钻孔赤泥浆改性与强化卸压方法，其特征在于：

在煤壁上钻卸压孔；

5.根据权利要求4所述的煤层冲击地压钻孔赤泥浆改性与强化卸压方法，其特征在于：

所述的赤泥浆供给装置包括串联的赤泥添加混合装置以及高压泵站，高压泵站的进出口分别与赤泥添加混合装置以及卸压孔贯通连接，

6.根据权利要求4或5所述的煤层冲击地压钻孔赤泥浆改性与强化卸压方法，其特征在于：

高压泵站与卸压孔之间的管路上设有流量计(4)以及水压计(5)。

7.根据权利要求6所述的煤层冲击地压钻孔赤泥浆改性与强化卸压方法，其特征在于：

高压泵站向卸压孔注入赤泥浆时，通过水压计(5)观察赤泥浆压力值，保持压力波动范围小于8％，

观察流量计(4)数值，当流量计(4)数值波动范围小于5％时，关闭高压泵站，

赤泥浆对煤层进行改性，水压计(5)显示的数值不断下降，当水压计(5)显示的数值大于等于120h时长无变化后，拆卸高压泵站与卸压孔之间的管路。

8.根据权利要求3所述的煤层冲击地压钻孔赤泥浆改性与强化卸压方法，其特征在于：

在煤壁的孔洞内部设置注水端头(1)，孔洞内位于注水端头(1)外侧的位置设有胶囊封孔器(2)，

注水端头(1)通过高压管(3)与赤泥浆供给装置连接，

胶囊封孔器(2)通过高压胶管(6)与胶囊泵站连接，

赤泥浆供给装置通过注水端头(1)向孔洞内部灌注赤泥浆，胶囊泵站通过高压胶管(6)向胶囊封孔器(2)内部注入清水，泵入胶囊封孔器(2)的水压大于等于孔洞内部灌注的赤泥浆的压力。

9.根据权利要求8所述的煤层冲击地压钻孔赤泥浆改性与强化卸压方法，其特征在于：

所述的赤泥浆供给装置包括串联的赤泥添加混合装置以及高压泵站，高压泵站的进出口分别与赤泥添加混合装置以及高压管(3)贯通连接，

10.根据权利要求8或9所述的煤层冲击地压钻孔赤泥浆改性与强化卸压方法，其特征在于：

高压管(3)以及高压胶管(6)上均设有流量计(4)以及水压计(5)，

高压管(3)灌注赤泥浆时，通过高压管(3)上的水压计(5)，观察灌注的赤泥浆压力值，保持压力波动范围小于8％，

观察高压管(3)上流量计(4)的数值，当流量计(4)数值波动范围小于5％时，关闭高压泵站以及胶囊泵站，

赤泥浆对煤层进行改性，高压管(3)上水压计(5)显示的数值不断下降，当水压计(5)显示的数值在大于等于120h时长无变化后，拆卸高压管(3)以及高压胶管(6)。