防治矿井巷道底臌的化学方法

IPRDB

API 数据接口

专利申请

使用指引 chat嘟嘟

会员体验

联系我们

交流群

现在联系顾问~

防治矿井巷道底臌的化学方法
申请号	CN201610325134.X	申请日	2016-05-17	公开(公告)号	CN106018687A	公开(公告)日	2016-10-12
申请人	河南理工大学;			发明人	苏现波; 勾攀峰; 刘晓; 张盛; 王乾;
摘要	本发明公开了一种防治矿井巷道底臌的化学方法，包括以下步骤：（1）、对软岩巷道内的岩样进行采集，至少采集三个矿井的典型水敏性岩石作为岩样；（2）、对软岩巷道内岩样的岩性进行分析；（3）、以室内实验为基础，分析黏土稳定剂对岩样膨胀变形的控制规律，确定黏土稳定剂的配方；（4）、采用黏土稳定剂在底臌的软岩巷道现场施工作业；（5）、对施工效果进行考察。本发明通过价格低廉的黏土稳定剂直接作用于软岩岩石，改变软岩岩石的膨胀性能，同时辅以抽采卸压孔，卸压孔一方面引导黏土稳定剂的渗流，一方面为后期巷道底板的变形提供变形空间，进而达到防治巷道底臌的作用。
权利要求	1.防治矿井巷道底臌的化学方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）、对软岩巷道内的岩样进行采集，至少采集三个矿井的典型水敏性岩石作为岩样；（2）、对软岩巷道内岩样的岩性进行分析；（3）、以室内实验为基础，分析黏土稳定剂对岩样膨胀变形的控制规律，确定黏土稳定剂的配方；（4）、采用黏土稳定剂在底臌的软岩巷道现场施工作业；（5）、对施工效果进行考察：与未注入粘土稳定剂溶液而只施工卸压孔的区域进行对比，分析膨胀变形量，考察粘土稳定剂对泥化弱胶结巷道底板防膨效果。 2.根据权利要求1所述的防治矿井巷道底臌的化学方法，其特征在于：所述步骤（2）包括以下内容：采用X射线衍射（XRD）测定岩样的矿物组分，确定岩样中高岭石、伊利石、伊利石/蒙皂石混层、绿泥石和蒙皂石的组成及含量。 3.根据权利1或2所述的防治狂劲巷道底臌的化学方法，其特征在于：所述步骤（3）包括以下内容：A、去除各个矿井的岩石岩样表面的杂质，先破碎成小块，用固体样品粉碎机粉碎，筛取粒度在SSW0.150/0.104—SSW1.14/0.45之间的岩石粉，然后把岩石粉置于电热恒温干燥箱中，调节电热恒温干燥箱内的温度105±1℃，恒温6h后，把岩石粉移至干燥器中冷却至室温，存入广口瓶中备用； SSW0.150/0.104—SSW1.14/0.45中的第一个S为试验筛，第二个S为金属丝，W为编织网，0.150为网孔基本尺寸，0.104为金属丝直径，1.14为网孔基本尺寸，0.45为金属丝直径； B、选用不同的黏土稳定剂作用于不同矿井中的岩石岩样； ①、选用KCL、NH4CL、KCL+KO、NH4CL+KO四种物质作为黏土的化学稳定剂，将四种化学稳定剂分别配制为KCL黏土稳定剂溶液、NH4CL黏土稳定剂溶液、KCL+KO黏土稳定剂溶液和NH4CL+KO黏土稳定剂溶液；其中KO为阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂的混合物； ②、分别称取每个矿井中的岩样0.50 g，重量精确至 0.01 g，每个矿井的岩样称取六份，所有的岩样分别装入一个10 ml 离心管中，并对离心管做出不同的标记；先对第1个矿井中采集的四份岩样依次进行试验，对一份岩样的具体试验过程为：将10 ml的 KCL黏土稳定剂溶液加入到离心管内，充分摇匀，在室温下存放2 h，装入离心机内，在转速为 150 r/ min 下分离 15 min，读出岩样膨胀后的体积 V1；对该矿井采集的第二份岩样加入到NH4CL黏土稳定剂溶液中并重复上述操作过程；对该矿井采集的第二份岩样加入到KCL+KO黏土稳定剂溶液中并重复上述操作过程；对该矿井采集的第二份岩样加入到NH4CL+KO黏土稳定剂溶液中并重复上述操作过程；按照上述操作过程，接着对第2个矿井中的四份岩样、第3个矿井中的四份岩样……第n个矿井中的四份岩样进行与第1个矿井中四份岩样试验相同的试验；然后取第1个矿井中采集的一份岩样，用10 ml 水取代黏土稳定剂溶液，按照上述操作过程进行测定岩样在水中的膨胀体积 V2；按照上述操作过程，接着10 ml 水取代黏土稳定剂溶液对第2个矿井中的一份岩样、第3个矿井中的一份岩样……第n个矿井中的一份岩样进行与第1个矿井中四份岩样试验相同的试验；最后取第1个矿井中采集的一份岩样，用10 ml 煤油取代黏土稳定剂溶液，按照上述操作过程进行测定岩样在水中的膨胀体积 V0；按照上述操作过程，接着10 ml 水取代黏土稳定剂溶液对第2个矿井中的一份岩样、第3个矿井中的一份岩样……第n个矿井中的一份岩样进行与第1个矿井中四份岩样试验相同的试验； ③、根据上述步骤②的实验数据，根据以下公式，对同一矿井中的岩样分别与四种黏土稳定剂溶液测定的四个V1数值，对应与V2和V0计算出岩样的膨胀率和防膨率，从而确定针对不同矿井的岩样优选的黏土稳定剂；膨胀率计算公式为：其中，k1—膨胀率，% V0—煤油中膨胀体积，ml V1—液体中膨胀后体积（水、防膨剂中），ml；防膨率计算公式为：其中，B1—防膨率，% V0—煤油中膨胀体积，ml V1—防膨剂中体积，ml V2—水中体积，ml。 4.根据权利要求3所述的防治矿井巷道底臌的化学方法，其特征在于：采用步骤（4）中的优选黏土稳定剂防止软岩巷道底臌的现场实施，借鉴煤矿井下水力压裂增透抽采工艺，初步形成黏土稳定剂控制水敏性岩石巷道底臌的钻孔—封孔—配液—注液—考察的技术流程，考察单孔影响范围，具体包括以下步骤：a、钻孔：在巷道底板上采用直径为94mm的钻头开钻，钻进深度视巷道底板岩性确定，钻穿过膨胀变形带后至稳定带深部不少于2m； b、封孔：对孔口部分进行扩孔，在钻孔内下入孔口套管，采用高强度水泥对注液孔进行封孔，封孔的抗压强度不小于；其中，p为孔口抗压强度，MPa；为上覆岩层平均密度；H为埋藏深度； c、配液：将步骤③确定的所述优选黏土稳定剂配制成溶液； d、注液：将上述步骤c中配制好的黏土化学稳定剂溶液注入水箱，由高压注液泵通过注液管路打入孔口套管内； e、卸压：在上述步骤a中的孔口套管周边设置卸压孔，以预留顶板膨胀变形空间。
说明书全文	防治矿井巷道底臌的化学方法技术领域 [0001] 本发明属于煤矿巷道底臌的预防技术领域，尤其是涉及一种防治矿井巷道底臌的化学方法。背景技术 [0002] 近年来，随着煤炭开采深度不断壮大，软岩支护的大变形、难支护的工程问题日趋严重，矿井底臌是影响矿井巷道掘进及维护的重要因素，尤其是巷道岩石为泥化弱胶结软岩时，其强度低、胶结程度差、遇水泥化软化，软岩中含有的伊利石、蒙脱石等黏土矿物浸水后会发生泥化膨胀。我国中东部矿区的龙口含油泥岩、唐山泥化砂岩、潘集3#井泥岩浸水12h后膨胀率可达70%左右，而泥化弱胶结软岩在西部煤矿的基岩层中普遍发育。泥化弱胶结软岩巷道底板变形速度快、持续时间长、总变形量大且不收敛，是以流变和膨胀变形为主的非线性大变形，底臌现象严重，巷道需要不断地返修和维护，这不仅影响煤矿的正常生产，而且浪费了大量的资金，极大降低了煤矿的生产效率。 [0003] 目前，巷道底臌的控制技术包括预防和治理两方面。预防是在底臌发生前采取措施，阻止或延迟底臌的发生时间；治理是底臌发生后采取措施控制底臌。为维护巷道围岩的稳定性，应以防为主、以治为辅、统筹兼顾、综合治理。目前底臌控制技术可分为起底、治理水、支护加固、卸压、联合支护等五大类。近年来，广泛应用的抗滑桩控制巷道底臌、底角锚杆支护、预应力注浆锚索等技术也有效控制了巷道的底臌。但这些方法多为物理方法，无法改变泥化弱胶结软岩中伊利石、蒙脱石等黏土矿物浸水膨胀的本质。发明内容 [0004] 本发明为了解决现有技术的不足之处，提供了一种施工简单、施工成本低、能彻底解决黏土矿物浸水膨胀的防治矿井巷道底臌的化学方法。 [0005] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：防治矿井巷道底臌的化学方法，包括以下步骤：（1）、对软岩巷道内的岩样进行采集，至少采集三个矿井的典型水敏性岩石作为岩样；（2）、对软岩巷道内岩样的岩性进行分析；（3）、以室内实验为基础，分析黏土稳定剂对岩样膨胀变形的控制规律，确定黏土稳定剂的配方；（4）、采用黏土稳定剂在底臌的软岩巷道现场施工作业；（5）、对施工效果进行考察：与未注入粘土稳定剂溶液而只施工卸压孔的区域进行对比，分析膨胀变形量，考察粘土稳定剂对泥化弱胶结巷道底板防膨效果。 [0006] 所述步骤（2）包括以下内容：采用X射线衍射（XRD）测定岩样的矿物组分，确定岩样中高岭石、伊利石、伊利石/蒙皂石混层、绿泥石和蒙皂石的组成及含量。 [0007] 所述步骤（3）包括以下内容：A、去除各个矿井的岩石岩样表面的杂质，先破碎成小块，用固体样品粉碎机粉碎，筛取粒度在SSW0.150/0.104—SSW1.14/0.45之间的岩石粉，然后把岩石粉置于电热恒温干燥箱中，调节电热恒温干燥箱内的温度105±1℃，恒温6h后，把岩石粉移至干燥器中冷却至室温，存入广口瓶中备用； SSW0.150/0.104—SSW1.14/0.45中的第一个S为试验筛，第二个S为金属丝，W为编织网，0.150为网孔基本尺寸，0.104为金属丝直径，1.14为网孔基本尺寸，0.45为金属丝直径； B、选用不同的黏土稳定剂作用于不同矿井中的岩石岩样； ①、选用KCL、NH4CL、KCL+KO、NH4CL+KO四种物质作为黏土的化学稳定剂，将四种化学稳定剂分别配制为KCL黏土稳定剂溶液、NH4CL黏土稳定剂溶液、KCL+KO黏土稳定剂溶液和NH4CL+KO黏土稳定剂溶液；其中KO为阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂的混合物； ②、分别称取每个矿井中的岩样0.50 g，重量精确至 0.01 g，每个矿井的岩样称取六份，所有的岩样分别装入一个10 ml 离心管中，并对离心管做出不同的标记；先对第1个矿井中采集的四份岩样依次进行试验，对一份岩样的具体试验过程为：将10 ml的 KCL黏土稳定剂溶液加入到离心管内，充分摇匀，在室温下存放2 h，装入离心机内，在转速为 150 r/ min 下分离 15 min，读出岩样膨胀后的体积V1；对该矿井采集的第二份岩样加入到NH4CL黏土稳定剂溶液中并重复上述操作过程；对该矿井采集的第二份岩样加入到KCL+KO黏土稳定剂溶液中并重复上述操作过程；对该矿井采集的第二份岩样加入到NH4CL+KO黏土稳定剂溶液中并重复上述操作过程；按照上述操作过程，接着对第2个矿井中的四份岩样、第3个矿井中的四份岩样……第n个矿井中的四份岩样进行与第1个矿井中四份岩样试验相同的试验；然后取第1个矿井中采集的一份岩样，用10 ml 水取代黏土稳定剂溶液，按照上述操作过程进行测定岩样在水中的膨胀体积 V2；按照上述操作过程，接着10 ml 水取代黏土稳定剂溶液对第2个矿井中的一份岩样、第3个矿井中的一份岩样……第n个矿井中的一份岩样进行与第1个矿井中四份岩样试验相同的试验；最后取第1个矿井中采集的一份岩样，用10 ml 煤油取代黏土稳定剂溶液，按照上述操作过程进行测定岩样在水中的膨胀体积 V0；按照上述操作过程，接着10 ml 水取代黏土稳定剂溶液对第2个矿井中的一份岩样、第3个矿井中的一份岩样……第n个矿井中的一份岩样进行与第1个矿井中四份岩样试验相同的试验； ③、根据上述步骤②的实验数据，根据以下公式，对同一矿井中的岩样分别与四种黏土稳定剂溶液测定的四个V1数值，对应与V2和V0计算出岩样的膨胀率和防膨率，从而确定针对不同矿井的岩样优选的黏土稳定剂；膨胀率计算公式为：其中，k1—膨胀率，% V0—煤油中膨胀体积，ml V1—液体中膨胀后体积（水、防膨剂中），ml；防膨率计算公式为：其中，B1—防膨率，% V0—煤油中膨胀体积，ml V1—防膨剂中体积，ml V2—水中体积，ml。 [0008] 采用步骤（4）中的优选黏土稳定剂防止软岩巷道底臌的现场实施，借鉴煤矿井下水力压裂增透抽采工艺，初步形成黏土稳定剂控制水敏性岩石巷道底臌的钻孔—封孔—配液—注液—考察的技术流程，考察单孔影响范围，具体包括以下步骤：a、钻孔：在巷道底板上采用直径为94mm的钻头开钻，钻进深度视巷道底板岩性确定，钻穿过膨胀变形带后至稳定带深部不少于2m； b、封孔：对孔口部分进行扩孔，在钻孔内下入孔口套管，采用高强度水泥对注液孔进行封孔，封孔的抗压强度不小于；其中，为孔口抗压强度，MPa；为上覆岩层平均密度；H为埋藏深度； c、配液：将步骤③确定的所述优选黏土稳定剂配制成溶液； d、注液：将上述步骤c中配制好的黏土化学稳定剂溶液注入水箱，由高压注液泵通过注液管路打入孔口套管内； e、卸压：在上述步骤a中的孔口套管周边设置卸压孔，以预留顶板膨胀变形空间。 [0009] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明改变了现有的底臌防治工艺，直接将黏土稳定剂作用于岩样，直接降低了岩样的膨胀率；本发明采用价格低廉的化合物作为黏土稳定剂，如KCL、NH4CL、KCL+KO、NH4CL+KO等物质，施工成本低；本发明在注液孔周边设置了卸压孔，即引导黏土稳定剂的渗流，又为后期巷道底板的变形提供了变形空间，与注液孔结合，进而达到防治底臌的目的。 [0010] 本发明提出了采用黏土稳定剂控制巷道膨胀变形，从而治理底臌的技术思路。通过采集矿井底臌巷道岩样，测试其岩石矿物成分，选用成本低廉的KCL、NH4CL、KCL+KO、NH4CL+KO等黏土稳定剂作用于岩样，辅以抽采卸压钻孔，达到防治巷道底臌的作用。附图说明 [0011] 图1为本发明底臌现场实施的注浆工艺。 [0012] 图中附图标记：1为巷道底板，2为注液孔，3为水箱，4为高压注液泵，5为注液管路，6为卸压孔。具体实施方式 [0013] 本发明的防治矿井巷道底臌的化学方法，包括以下步骤：（1）、对软岩巷道内的岩样进行采集，至少采集三个矿井的典型水敏性岩石作为岩样；（2）、对软岩巷道内岩样的岩性进行分析；（3）、以室内实验为基础，分析黏土稳定剂对岩样膨胀变形的控制规律，确定黏土稳定剂的配方；（4）、采用黏土稳定剂在底臌的软岩巷道现场施工作业；（5）、对施工效果进行考察：与未注入粘土稳定剂溶液而只施工卸压孔的区域进行对比，分析膨胀变形量，考察粘土稳定剂对泥化弱胶结巷道底板防膨效果。 [0014] 所述步骤（2）包括以下内容：采用X射线衍射（XRD）测定岩样的矿物组分，确定岩样中高岭石、伊利石、伊利石/蒙皂石混层、绿泥石和蒙皂石的组成及含量。 [0015] 所述步骤（3）包括以下内容：A、去除各个矿井的岩石岩样表面的杂质，先破碎成小块，用固体样品粉碎机粉碎，筛取粒度在SSW0.150/0.104—SSW1.14/0.45之间的岩石粉，然后把岩石粉置于电热恒温干燥箱中，调节电热恒温干燥箱内的温度105±1℃，恒温6h后，把岩石粉移至干燥器中冷却至室温，存入广口瓶中备用； SSW0.150/0.104—SSW1.14/0.45中的第一个S为试验筛，第二个S为金属丝，W为编织网，0.150为网孔基本尺寸，0.104为金属丝直径，1.14为网孔基本尺寸，0.45为金属丝直径； B、选用不同的黏土稳定剂作用于不同矿井中的岩石岩样； ①、选用KCL、NH4CL、KCL+KO、NH4CL+KO四种物质作为黏土的化学稳定剂，将四种化学稳定剂分别配制为KCL黏土稳定剂溶液、NH4CL黏土稳定剂溶液、KCL+KO黏土稳定剂溶液和NH4CL+KO黏土稳定剂溶液；其中KO为阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂的混合物，其中表面活性剂和非离子表面活性剂的质量比为9:1； ②、分别称取每个矿井中的岩样0.50 g，重量精确至 0.01 g，每个矿井的岩样称取六份，所有的岩样分别装入一个10 ml 离心管中，并对离心管做出不同的标记；先对第1个矿井中采集的四份岩样依次进行试验，对一份岩样的具体试验过程为：将10 ml的 KCL黏土稳定剂溶液加入到离心管内，充分摇匀，在室温下存放2 h，装入离心机内，在转速为 150 r/ min 下分离 15 min，读出岩样膨胀后的体积 V1；对该矿井采集的第二份岩样加入到NH4CL黏土稳定剂溶液中并重复上述操作过程；对该矿井采集的第二份岩样加入到KCL+KO黏土稳定剂溶液中并重复上述操作过程；对该矿井采集的第二份岩样加入到NH4CL+KO黏土稳定剂溶液中并重复上述操作过程；按照上述操作过程，接着对第2个矿井中的四份岩样、第3个矿井中的四份岩样……第n个矿井中的四份岩样进行与第1个矿井中四份岩样试验相同的试验；然后取第1个矿井中采集的一份岩样，用10 ml 水取代黏土稳定剂溶液，按照上述操作过程进行测定岩样在水中的膨胀体积 V2；按照上述操作过程，接着10 ml 水取代黏土稳定剂溶液对第2个矿井中的一份岩样、第3个矿井中的一份岩样……第n个矿井中的一份岩样进行与第1个矿井中四份岩样试验相同的试验；最后取第1个矿井中采集的一份岩样，用10 ml 煤油取代黏土稳定剂溶液，按照上述操作过程进行测定岩样在水中的膨胀体积 V0；按照上述操作过程，接着10 ml 水取代黏土稳定剂溶液对第2个矿井中的一份岩样、第3个矿井中的一份岩样……第n个矿井中的一份岩样进行与第1个矿井中四份岩样试验相同的试验； ③、根据上述步骤②的实验数据，根据以下公式，对同一矿井中的岩样分别与四种黏土稳定剂溶液测定的四个V1数值，对应与V2和V0计算出岩样的膨胀率和防膨率，从而确定针对不同矿井的岩样优选的黏土稳定剂；膨胀率计算公式为：其中，k1—膨胀率，% V0—煤油中膨胀体积，ml V1—液体中膨胀后体积（水、防膨剂中），ml；防膨率计算公式为：其中，B1—防膨率，% V0—煤油中膨胀体积，ml V1—防膨剂中体积，ml V2—水中体积，ml。 [0016] 如图1所示，所述步骤（4）以室内实验为基础，采用步骤（3）中的优选黏土稳定剂防止软岩巷道底臌的现场实施，借鉴煤矿井下水力压裂增透抽采工艺，初步形成黏土稳定剂控制水敏性岩石巷道底臌的钻孔—封孔—配液—注液—考察的技术流程，考察单孔影响范围，具体包括以下步骤：a、钻孔，在巷道底板1上采用直径为94mm的钻头开钻，钻进深度视巷道底板1岩性确定，钻穿过膨胀变形带后至稳定带深部不少于2m； b、封孔，对孔口部分进行扩孔，下孔口套管，采用高强度水泥对注液孔2进行封孔，使其抗压强度不小于；其中，p为孔口抗压强度，MPa；为上覆岩层平均密度；H为埋藏深度； c、配液，将步骤③确定的所述优选黏土稳定剂配制成溶液； d、注液，将上述步骤c中配制好的化学稳定剂溶液注入水箱3，由高压注液泵4通过注液管路5打入注液孔2内； e、卸压，在上述步骤a中的注液孔2周边设置卸压孔6。 [0017] 以上所述仅为本发明的一种具体实施例，但本发明的实施例并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的保护范围之内。