钻孔裂隙发育特征及粘液自适应封堵关键技术研究

发布时间：2020-08-28 18:14

　　 瓦斯抽采是我国煤矿瓦斯防治的主要技术手段,而煤矿井下瓦斯抽采的效果在一定程度上取决于抽采钻孔的封孔质量,高性能封孔材料及相适应封孔工艺的应用能显著提高封孔质量。传统对于钻孔的封堵多采用“两堵一注”的静态封孔工艺,凝固的封孔材料对于抽采过程中新发育的漏风裂隙难以实现有效的封堵,由此导致抽采瓦斯浓度低、效果差,且裂隙漏风易于导致煤体氧化自燃等次生灾害。针对抽采过程中钻孔周围新生裂隙的高效封堵的技术难题,本文采用理论分析、实验研究与工程应用相结合的方法,对成型钻孔的壁面受力特征进行了分析,探讨钻孔裂隙的区域性分布规律及其发育特征;以此为基础,研发了一种具有高渗透、能自适应裂隙发育特征的内掺级配颗粒纤维素类粘液封孔材料,获得了其优化配比及性能参数指标;基于帷幕式注浆方法,提出了囊袋-粘液组合式带压自适应动态封堵技术。主要研究结论如下:首先,针对巷道周围煤岩体应力特征,理论计算了钻孔周围围岩应力变化特征,获得了裂隙生成的受控条件。基于相似模拟实验,以陕西大佛寺矿40202采面低阶煤为研究对象,分析了钻孔开挖后裂隙的生成长度、宽度、面积占比等参数,获得了三类典型裂隙尺度的统计分布特征:Ⅰ类裂隙较深较宽、裂隙分支多且大裂隙联通小裂隙;Ⅱ类裂隙呈长条形、分支少且其裂隙宽度较Ⅰ类裂隙窄,长度较Ⅰ类裂隙长;Ⅲ类裂隙由Ⅰ类裂隙与Ⅱ类裂隙联通造成,裂隙面积最大。第二,分析了级配颗粒的受力条件与封堵帷幕生成过程,基于裂隙尺度分布特征和颗粒级配理论,优选了颗粒添加量与比例组成,以羧甲基纤维素纳为主料,辅以明胶、聚丙烯酸钠等掺和料,以椰子油脂肪酸二乙醇酰胺为表面活性剂。获得内掺级配颗粒纤维素类粘液封孔材料的最优组成为:羧甲基纤维素钠6份、增稠剂聚丙烯酸钠1份、级配颗粒用量8份、明胶粉3份、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺0.05份、水160份。同时系统测定了新型级配颗粒粘液封孔剂的粘度、保水率、稳定性、膨胀性等特性参数。结果表明,该新型粘液密封材料稳定好、易注浆、膨胀率大,且与煤壁接触性好;与传统封孔剂对比测试表明,该粘液材料的封堵性能获得了显著提升。第三,针对传统聚氨酯封孔及“两堵一注”水泥砂浆封堵技术难以适应动态裂隙封堵的难题,研究提出了囊袋-粘液组合式带压自适应动态封堵技术,即在组合囊袋内注入的改性的封孔剂,在囊袋之间以自适应压力注入颗粒级配粘液,通过级配颗粒在裂隙内的动态运移、堆积架桥而形成对新生裂隙的“帷幕式封堵”,实现了对新生裂隙发育过程的动态密封;针对密集钻场在抽采过程中所诱发的新生区域性裂隙群,提出了孔群区域性裂隙场二次动态封堵技术,即以自适应封堵技术为核心,通过向密集钻孔间实施帷幕式动态粘液加注,实现了抽放孔群区域性裂隙的有效密封。最后,以上述研究成果为基础,在陕西咸阳大佛寺煤矿进行了工程应用。结果表明,与原有聚氨酯钻孔封堵工艺相比,囊袋-粘液组合式带压自适应动态封堵技术可使得钻孔瓦斯抽采浓度提高30%以上;对于钻场密集孔群区域性裂隙场,二次动态封堵技术可使得抽采瓦斯浓度由2%增加到60%,30天内单孔瓦斯抽放浓度提高10倍以上,应用效果显著。该研究成果为实现煤矿预抽瓦斯钻孔的高效封堵提供了理论指导和技术支持。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD712.6
【部分图文】：

故而推广应用范围广。聚氨酯卷匀，导入编织袋内，送入密封料“两堵一注”封孔[92,93]水泥材料具有密闭严实，与裂浆，初期流动性能大，水平孔孕育而生。最常见为方法为两，水泥基材料加入适量水搅拌 孔 1.5MPa 以上压力），最后封封孔器内部冲水压力可达 10M多次使用。但钻孔围岩裂隙发严。因此封孔器封孔法主要运区间浆液。封孔器外观图如图

因此若在封孔段实施支护如图 1-5，将减少接近钻孔一侧应力的不均匀性，使得裂隙的发育扩展得到抑制。所以主动支护的封孔方式慢慢产生和完善，并且有较高的瓦斯抽采钻孔密封使用价值。图 1-5 钻孔主动支护式封孔结构图Figure1-5 Drilling active support sealing structure8）“强弱强”封孔工艺[100]为增强煤层瓦斯抽采效果，减少封孔失败概率，张超等人提出“强弱强”带压封孔工艺。该工艺采用分段放置的 PB 反应段，采用分段注浆的方式，使得两端密封区域协同互补，大大增强了对漏气通道的封堵强度。组合囊袋 抽放管钻孔注浆阀 钻孔注浆管塑料堵头裂隙煤体

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本文编号：2807961