新式綠色環(huán)保加固鉆孔注漿材料的研發(fā)與應(yīng)用

牛肖肖

（冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司 大淑村礦，河北 邯鄲 056300）

1 概 況

冀中能源峰峰集團(tuán)大淑村礦作為高瓦斯突出礦井，通過對(duì)軟煤層打鉆工藝的研究，解決了軟煤層深孔打鉆難題。同時(shí)，進(jìn)一步研究各種封孔工藝，形成“兩堵一注”帶壓注漿方法，取得了良好的抽采效果，但也提高鉆孔封孔成本，如何進(jìn)一步研究出新型低廉的注漿材料成為了重點(diǎn)工作。采取預(yù)抽煤層瓦斯和開采保護(hù)層區(qū)域綜合防突措施對(duì)井下煤層消突，施工鉆孔類型以順層鉆孔、穿層鉆孔為主，在鉆孔施工工藝和施工深度達(dá)標(biāo)的情況下，如何能夠保證最佳封孔效果，是研究的主要問題。預(yù)抽煤層瓦斯的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是瓦斯抽采，大淑村礦作為高瓦斯突出礦井，每個(gè)采掘工作面瓦斯抽采量和抽采率決定這個(gè)工作面在采掘過程中的安全性和可靠性。穿層預(yù)抽抽采大煤瓦斯是野青工作面開采過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，既能保證保護(hù)層回采過程中的安全生產(chǎn)，又能及時(shí)抽采大煤瓦斯，消除大煤工作面突出危險(xiǎn)性，為大煤掘進(jìn)與回采打下良好基礎(chǔ)。

2 用途及工作原理

粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細(xì)灰，也是燃煤電廠排出的主要固定廢物。外觀類似水泥，顏色在乳白色到灰黑色之間變化，顆粒呈多孔型蜂窩狀組織，具有較高的吸附活性，顆粒的粒徑范圍為0.5～300μm，珠壁具有多孔結(jié)構(gòu)，孔隙率高達(dá)50%～80%，有較強(qiáng)吸水性。粉煤灰排放也給生態(tài)環(huán)境造成巨大壓力，亟待解決。粉煤灰目前在我國(guó)建工、建材、水利等各部門得到廣泛的應(yīng)用，但在煤礦行業(yè)中未曾使用。

把如何能在保證封孔質(zhì)量的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低注漿成本當(dāng)做課題進(jìn)行研究，對(duì)“普通水泥、普通水泥加膨脹劑、普通水泥加粉煤灰”3種注漿材料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，最終確定“普通水泥加粉煤灰”，凝固效果顯著，成本較低。

考慮到粉煤灰有較高的吸附活性，也有較高的吸水性。將“普通水泥、普通水泥加膨脹劑、普通水泥加粉煤灰”3種注漿材料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)的過程與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

試驗(yàn)所需工具：塑料杯（內(nèi)高7.8 cm，內(nèi)直徑5.7 cm）3個(gè)同等規(guī)格，天平秤1臺(tái)。

3.2 試驗(yàn)所需材料

試驗(yàn)所需的材料：普通水泥、粉煤灰、膨脹劑、水。

4 試驗(yàn)過程

（1）首先對(duì)3個(gè)塑料杯和3個(gè)玻璃杯分別對(duì)等編號(hào)為1、2、3。

（2）從1號(hào)塑料杯量取100 g普通水泥倒入1號(hào)玻璃杯中。用直尺測(cè)量1號(hào)玻璃杯中普通水泥的高度為5.3 cm（體積V1前d=135 g/cm）。

（3）從2號(hào)塑料杯量取100 g普通水泥倒入2號(hào)玻璃杯中，再量取10 g膨脹劑加入2號(hào)杯中，攪拌均勻。用直尺測(cè)量2號(hào)玻璃杯中普通水泥的高度為5.5 cm（體積V2前d=140 g/cm）。

（4）用3號(hào)塑料杯量取100 g水泥倒入3號(hào)玻璃杯中。再100 g粉煤灰混合后再加入3號(hào)杯中，攪拌均勻。用直尺測(cè)量3號(hào)玻璃杯中的高度為7.1 cm（體積V3前d=180 g/cm）。

（5）分別對(duì)3個(gè)玻璃杯加入足量水分，進(jìn)行攪拌，等待反應(yīng)。

（6）12 h后觀察。1號(hào)杯中凝固水泥高度為4.8 cm（體積V1后d=122 g/cm）。2號(hào)杯中因膨脹明顯高于1號(hào)杯中，對(duì)杯中補(bǔ)滿水，倒出杯中水，量出后補(bǔ)滿的水質(zhì)量為3.6 g，計(jì)算出水的體積為3.6 g/cm，杯的總體積減去水的體積V2后等于195.3 g/cm，為水泥膨脹后的體積。3號(hào)杯中膨脹明顯高于1號(hào)，也略高于2號(hào)杯中，對(duì)杯中補(bǔ)滿水，倒出杯中水，量出后補(bǔ)滿的水質(zhì)量為3.3 g，計(jì)算出水的體積為3.3 g/cm，杯的總體積減去水的體積V3后等于206.6 g/cm，為水泥膨脹后的體積。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 試驗(yàn)結(jié)果

（1）V1前=135 g/cm；V2前=140 g/cm；V3前=180 g/cm。

（2）V1后=122 g/cm；V2后=195.3 g/cm；V3后=206.6 g/cm。

5.2 對(duì)比分析

（1）加水前體積對(duì)比：V3前＞V2前＞V1前

（2）加水前后各杯體積對(duì)比：V1前＞V1后；V2后＞V2前；V3后＞V3前

（3）加水后各杯體積比：V3后＞V2后＞V1后

5.3 凝固時(shí)間分析

1號(hào)杯中水泥凝固時(shí)間為8 h，2號(hào)杯中水泥凝固時(shí)間為5.5 h，3號(hào)杯中水泥凝固時(shí)間為4 h。

5.4 凝固強(qiáng)度分析

1號(hào)杯中水泥凝固性較松軟，2號(hào)杯中水泥凝固性松軟，3號(hào)杯中水泥凝固性堅(jiān)硬。

5.5 總結(jié)分析

通過以上對(duì)比，可以確定3號(hào)杯中的普通水泥兌上一定比例的粉煤灰加水（1∶1∶1）膨脹后的效果明顯優(yōu)于其他2種，并且凝固性最強(qiáng)。雖然普通水泥和膨脹劑加水膨脹的效果也明顯優(yōu)于第一種，但第三種比第二種效果更好，可以確定“普通水泥加粉煤灰”為最佳新型注漿材料?！捌胀ㄋ嗉臃勖夯摇蹦绦Ч鐖D1所示。

圖1 “普通水泥加粉煤灰”凝固效果Fig.1 Setting effect of"ordinary cement plus fly ash"

6 取得的主要成果

該礦已在172405工作面外段預(yù)抽鉆場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。采用“普通水泥加粉煤灰”注漿材料進(jìn)行封孔注漿，接抽后實(shí)測(cè)孔口濃度達(dá)到70%～90%，與之前注漿材料使用后的抽采濃度相比，上升30%左右，有效提高了抽采濃度，增強(qiáng)了抽采質(zhì)量。172404上順槽外段預(yù)抽7號(hào)鉆場(chǎng)抽采瓦斯?jié)?/p>

7 結(jié) 語

大淑村礦施工穿層鉆孔封堵對(duì)比試驗(yàn)，通過觀測(cè)抽采效果，可以確定普通水泥加粉煤灰與普通水泥加膨脹劑在實(shí)際應(yīng)用中可起到相同效果，甚至更度最大達(dá)到53%，比以往預(yù)抽鉆場(chǎng)抽采濃度提高一倍以上（表1、表2）。好的效果。進(jìn)一步分析成本，可發(fā)現(xiàn)普通水泥加粉煤灰封孔材料成本低于普通水泥加膨脹劑的使用成本，由此可以確定普通水泥加粉煤灰所組成的新型注漿材料不僅封堵效果良好，而且降低了成本，同時(shí)也保護(hù)了環(huán)境，可廣泛推廣使用。

表2 預(yù)抽6號(hào)鉆場(chǎng)（采用以往封孔注漿材料）抽采情況（11月數(shù)據(jù)）Table 2 Pumping of No.6 drilling site(using old material)(November data)