钻屑回填封孔技术研究(2)

1、钻屑回填封孔技术钻屑回填封孔技术时间：2014年8月汇报：李汇报：李 辉辉 博士博士 副教授副教授电话：电话：188391139002 主题思想：主题思想：本次封孔材料为打钻过程排出的钻屑，经过加本次封孔材料为打钻过程排出的钻屑，经过加入添加剂后，与水混合，采用两堵一注的工艺，直接回填封入添加剂后，与水混合，采用两堵一注的工艺，直接回填封孔，打一孔，封一孔。已申报国家发明专利孔，打一孔，封一孔。已申报国家发明专利（发明人：李辉）。（发明人：李辉）。 主要优点：主要优点：1.封孔效果好，成本低；封孔效果好，成本低； 2.就地取材，方便；就地取材，方便； 3.降低灰分；降低灰分； 4.减少钻粉储存

2、空间。减少钻粉储存空间。封孔理念：封孔理念：以煤封煤，低价高效，操作简便。以煤封煤，低价高效，操作简便。第一部分：前期理论研第一部分：前期理论研第二部分：试验技术方案第二部分：试验技术方案第三部分：试验效果报告第三部分：试验效果报告第一部分：第一部分：钻屑回填封孔前期理论研究钻屑回填封孔前期理论研究5 立项意义立项意义： 在煤矿瓦斯抽采中，封孔是重要的环节，近年来出在煤矿瓦斯抽采中，封孔是重要的环节，近年来出现多种封孔材料，常用的封孔材料有：水泥砂浆、聚氨现多种封孔材料，常用的封孔材料有：水泥砂浆、聚氨酯、膏体材料、黄泥等，这些材料都有各自的优势和劣酯、膏体材料、黄泥等，这些材料都有各自的优势

3、和劣势，在抽采钻孔封孔中也经常用到。势，在抽采钻孔封孔中也经常用到。 本次封孔材料选用本次封孔材料选用钻屑做为主要材料，回填封孔，打一孔，封一孔。本次钻屑做为主要材料，回填封孔，打一孔，封一孔。本次试验对象是一种新型封孔材料试验对象是一种新型封孔材料-细煤粉，以煤封煤，克服细煤粉，以煤封煤，克服了常用封孔材料的种种弊端，经过煤矿现场测试，该材了常用封孔材料的种种弊端，经过煤矿现场测试，该材料在粘结性强、强度大、收缩性小、渗透性小等特点。料在粘结性强、强度大、收缩性小、渗透性小等特点。6前期研究：前期研究：一、实验材料一、实验材料细煤粉：平煤股份一矿戊组煤，实验时煤样经过粉碎后，细煤粉：平煤股份

4、一矿戊组煤，实验时煤样经过粉碎后，用用60-80目的筛子筛取粒度为目的筛子筛取粒度为0.2-0.25mm的煤粉。的煤粉。表1 细煤粉的物理性能与化学成分挥发分Vdaf (%)灰分Aad(%)水分Mad(%)真密度（g/cm3)坚固性系数35.7417.081.231.41 0.5水泥：河南省焦作市坚固水泥厂生产的水泥：河南省焦作市坚固水泥厂生产的42.5普通硅酸盐水泥。普通硅酸盐水泥。 添加剂：外加剂。添加剂：外加剂。7前期研究：前期研究：二、试验方法二、试验方法 直接将浆料注入直接将浆料注入d94mmh300mm圆柱型帆布袋内，圆柱型帆布袋内， 端头预埋测点，第一组实验：水灰比端头预埋测点，

5、第一组实验：水灰比(W/C)为为1、0.8、0.6的硅酸盐水泥。第二组实验：水灰比的硅酸盐水泥。第二组实验：水灰比(W/C)为为1、 0.8、0.6的细煤粉和硅酸盐水泥掺量分别为：的细煤粉和硅酸盐水泥掺量分别为：70%、30%。第三组实验：水灰比。第三组实验：水灰比(W/C)为为1、0.8、0.6的细的细 煤粉和硅酸盐水泥、外添剂掺量分别为：煤粉和硅酸盐水泥、外添剂掺量分别为：70%、20%、10%。利用水泥砂浆膨胀收缩测量仪器测量其变形量。利用水泥砂浆膨胀收缩测量仪器测量其变形量。8前期研究：前期研究：三、实验结果与分析三、实验结果与分析 3.1不同水灰比硅酸盐水泥的变形不同水灰比硅酸盐水泥

6、的变形图图1 1不同水灰比硅酸盐水泥收缩变形曲线不同水灰比硅酸盐水泥收缩变形曲线9前期研究：前期研究：三、实验结果与分析三、实验结果与分析 图图1可知，不同水灰比的浆料在可知，不同水灰比的浆料在1-3d时不明显的变形不明显，而在时不明显的变形不明显，而在7-14d时出现收缩现象，收缩值均明显增加，并且混合物的收缩值当水灰时出现收缩现象，收缩值均明显增加，并且混合物的收缩值当水灰比为比为0.6时最大，当水灰比为时最大，当水灰比为1时最小。不同水灰比的混合物的收缩值在时最小。不同水灰比的混合物的收缩值在14-28d时均出现减小，而大小关系同时均出现减小，而大小关系同7-14d时。硅酸盐水泥在时。硅

7、酸盐水泥在1-3d时水化时水化反应程度较低，所形成的水泥石内部毛细孔孔径粗大，自收缩不明显。反应程度较低，所形成的水泥石内部毛细孔孔径粗大，自收缩不明显。当硅酸盐水泥水化反应进行到当硅酸盐水泥水化反应进行到7-14d时，其水化反应所形成的水泥石内部时，其水化反应所形成的水泥石内部毛细孔变得细而多，收缩值增大，导致水泥的总收缩值均有所增加，水毛细孔变得细而多，收缩值增大，导致水泥的总收缩值均有所增加，水灰比越大的硅酸盐水泥内部水分越多，自收缩值越小，所以硅酸盐水泥灰比越大的硅酸盐水泥内部水分越多，自收缩值越小，所以硅酸盐水泥的收缩值随着水灰比的增大而减小的收缩值随着水灰比的增大而减小1。在。在1

8、428d时硅酸盐水泥内部胶体时硅酸盐水泥内部胶体数量增加，毛细孔过细，水泥石结构更加密实，所以不同水灰比硅酸盐数量增加，毛细孔过细，水泥石结构更加密实，所以不同水灰比硅酸盐水泥体系的收缩值均有所减小。水泥体系的收缩值均有所减小。10前期研究：前期研究：三、实验结果与分析三、实验结果与分析 图图2 2不同水灰比细煤粉与水泥混合物收缩变形曲线不同水灰比细煤粉与水泥混合物收缩变形曲线11前期研究：前期研究：三、实验结果与分析三、实验结果与分析 由图由图2可知，水泥中加入可知，水泥中加入70%细煤粉，在细煤粉，在1-3d时，均出现时，均出现微膨胀现象，微膨胀现象，3-7d时，出现微收缩，时，出现微收缩

9、，7-14d时出现明显收缩，时出现明显收缩，14-28d时，收缩量减小。时，收缩量减小。7-14d时，当水灰比为时，当水灰比为1时均无明显变时均无明显变形，而水灰比为形，而水灰比为08、06时均产生了明显的收缩变形，并且时均产生了明显的收缩变形，并且变形量随水灰比的变小而变大，与水泥相类似。细煤粉使水泥变形量随水灰比的变小而变大，与水泥相类似。细煤粉使水泥石结构更加密实，孔隙率减小，阻碍了外界水分进入水泥石内石结构更加密实，孔隙率减小，阻碍了外界水分进入水泥石内部，增加了硅酸盐水泥的自收缩，但细煤粉具有吸水后的微膨部，增加了硅酸盐水泥的自收缩，但细煤粉具有吸水后的微膨胀性，整体上抵消部分收缩量

10、，总量上表现为微量收缩。胀性，整体上抵消部分收缩量，总量上表现为微量收缩。12前期研究：前期研究：三、实验结果与分析三、实验结果与分析 图图3 3添加外加剂后不同水灰比细煤粉与水泥混合物收缩变形曲线添加外加剂后不同水灰比细煤粉与水泥混合物收缩变形曲线13前期研究：前期研究：三、实验结果与分析三、实验结果与分析 图图3可知，不同水灰比的浆料在可知，不同水灰比的浆料在1-3d时明显的膨胀变形，而时明显的膨胀变形，而在在7-14d时出现膨胀量变小，并且浆料混合物的膨胀值当水灰时出现膨胀量变小，并且浆料混合物的膨胀值当水灰比为比为0.6时最大，当水灰比为时最大，当水灰比为1时最小。这种现象与水泥的变形

11、时最小。这种现象与水泥的变形量规律不同。外加剂中还有较多胶体颗粒，这些胶体将水密封量规律不同。外加剂中还有较多胶体颗粒，这些胶体将水密封进煤粉的孔隙中，使煤粉长期保持水分，同样胶体也使水泥长进煤粉的孔隙中，使煤粉长期保持水分，同样胶体也使水泥长期保持水分，煤粉和水泥长期处于湿度较多的环境，煤粉处于期保持水分，煤粉和水泥长期处于湿度较多的环境，煤粉处于膨胀状态，整体上表现为明显的膨胀变形。膨胀状态，整体上表现为明显的膨胀变形。14前期研究：前期研究：四、结论四、结论 （1） 细煤粉与硅酸盐混合物材料，与硅酸盐水泥不细煤粉与硅酸盐混合物材料，与硅酸盐水泥不 同，变形量受水灰比影响，但变形规律改变了

12、，硅酸同，变形量受水灰比影响，但变形规律改变了，硅酸盐水泥在不同的龄期，水灰比对硅酸盐水泥变形的影盐水泥在不同的龄期，水灰比对硅酸盐水泥变形的影响不同。在响不同。在37 d，不同的水灰比均无明显变形，在，不同的水灰比均无明显变形，在7-14d时收缩值均增加明显，水灰比越大变形量越小，时收缩值均增加明显，水灰比越大变形量越小，在在14-28 d，不同水灰比的硅酸盐水泥的收缩值均有所，不同水灰比的硅酸盐水泥的收缩值均有所减小；细煤粉与硅酸盐混合物在减小；细煤粉与硅酸盐混合物在1-3d出现微膨胀，出现微膨胀，3-7d,和和7-14d,14-28d变形规律与硅酸盐水泥类似，但变变形规律与硅酸盐水泥类似

13、，但变形量减小。形量减小。15前期研究：前期研究：四、结论四、结论 (2)添加了外加剂的细煤粉与硅酸盐混合物，变形规律添加了外加剂的细煤粉与硅酸盐混合物，变形规律与硅酸盐水泥完成不同，水灰比影响其变形量，但总与硅酸盐水泥完成不同，水灰比影响其变形量，但总体上，添加了外加剂的细煤粉与硅酸盐混合物处于膨体上，添加了外加剂的细煤粉与硅酸盐混合物处于膨胀状态，而且较长时间保持水分。胀状态，而且较长时间保持水分。(3)从封孔的角度选择材料，添加了外加剂的细煤粉与从封孔的角度选择材料，添加了外加剂的细煤粉与硅酸盐混合物是最好的封孔材料，具有较长时间的膨硅酸盐混合物是最好的封孔材料，具有较长时间的膨胀变形，

14、符合封孔要求。胀变形，符合封孔要求。(4)细煤粉的种类很多，其变形特性与煤质有关系，本细煤粉的种类很多，其变形特性与煤质有关系，本次试验选择的细煤粉是经过挑选的，遇水微膨胀。次试验选择的细煤粉是经过挑选的，遇水微膨胀。第二部分：第二部分：钻屑回填封孔试验技术方案钻屑回填封孔试验技术方案17钻屑封孔试验技术方案钻屑封孔试验技术方案主要内容：主要内容：一、试验原理一、试验原理二、试验设备及材料二、试验设备及材料三、试验过程三、试验过程四、装置示意图四、装置示意图五、试验效果验证五、试验效果验证六、技术要求六、技术要求18钻屑封孔试验技术方案钻屑封孔试验技术方案一、试验原理一、试验原理 瓦斯抽采钻孔

15、的钻进过程中，改变了煤体的应力瓦斯抽采钻孔的钻进过程中，改变了煤体的应力状态，在钻孔周围形成一定范围的扰动裂隙场，加状态，在钻孔周围形成一定范围的扰动裂隙场，加之煤体的原生裂隙，钻孔周围的裂隙较为发育。两之煤体的原生裂隙，钻孔周围的裂隙较为发育。两堵一注封孔工艺是通过带压注浆方式改变钻孔周围堵一注封孔工艺是通过带压注浆方式改变钻孔周围应力状态，从而减小裂隙发育程度，增加钻孔密闭应力状态，从而减小裂隙发育程度，增加钻孔密闭性。性。19钻屑封孔试验技术方案钻屑封孔试验技术方案二、试验设备及材料二、试验设备及材料1、实验设备：注浆泵、瓦斯抽放管、改进囊袋式注、实验设备：注浆泵、瓦斯抽放管、改进囊袋式

16、注浆管浆管。 2、实验材料：煤粉、水泥、添加剂、水。、实验材料：煤粉、水泥、添加剂、水。20钻屑封孔试验技术方案钻屑封孔试验技术方案三、试验过程三、试验过程 1、将注浆管固定在瓦斯抽放管上，送入抽放钻孔；、将注浆管固定在瓦斯抽放管上，送入抽放钻孔； 2、开动注浆泵、开动注浆泵，将水与水泥按比例倒入注浆泵，搅拌将水与水泥按比例倒入注浆泵，搅拌均均匀；匀； 3、将瓦斯抽放管接入注浆泵，向抽放钻孔内注浆，开始阶段，、将瓦斯抽放管接入注浆泵，向抽放钻孔内注浆，开始阶段，在浆液注满两端囊袋之前，注浆压强逐渐增大，在浆液注满两端囊袋之前，注浆压强逐渐增大，注浆过程中注浆泵注浆过程中注浆泵压力达到压力达到0

17、.7MPa，爆炸阀出浆，压力下降，等待压力升到，爆炸阀出浆，压力下降，等待压力升到1 MPa持持续续1分钟，视为注浆完成停止注浆，封闭注浆管。分钟，视为注浆完成停止注浆，封闭注浆管。 4、停止注浆，封闭注浆管。、停止注浆，封闭注浆管。21钻屑封孔试验技术方案钻屑封孔试验技术方案四、装置示意图四、装置示意图瓦斯抽放管囊袋注浆管囊袋爆破阀接注浆泵图图1 1 注浆管装置示意图注浆管装置示意图22钻屑封孔试验技术方案钻屑封孔试验技术方案五、试验效果验证五、试验效果验证 封孔完毕后，联网抽放瓦斯，当试验钻孔瓦斯抽放浓封孔完毕后，联网抽放瓦斯，当试验钻孔瓦斯抽放浓度高于矿井按普通封孔方式封孔所抽采瓦斯浓度

18、时，可度高于矿井按普通封孔方式封孔所抽采瓦斯浓度时，可证明本封孔试验是成功的。证明本封孔试验是成功的。 23钻屑封孔试验技术方案钻屑封孔试验技术方案六、技术要求六、技术要求1.将囊袋固定在瓦斯抽放管上时，防止固定过紧导致囊袋部分无将囊袋固定在瓦斯抽放管上时，防止固定过紧导致囊袋部分无法撑开法撑开 ；2.封孔器送入瓦斯抽采钻孔之前，要确认钻孔的完好性封孔器送入瓦斯抽采钻孔之前，要确认钻孔的完好性 ；3.确保注浆管、注浆泵、搅拌桶各连接处要牢固可靠确保注浆管、注浆泵、搅拌桶各连接处要牢固可靠 ；4.配制浆液，水灰比配制浆液，水灰比0.8：1(体积体积)，并加入添加剂，并加入添加剂 ；5. 注浆过程

19、中注浆泵压力达到注浆过程中注浆泵压力达到0.7MPa，爆炸阀出浆，压力下降，爆炸阀出浆，压力下降，等待压力升到，等待压力升到1 MPa持续持续1分钟，视为注浆完成停止注浆，分钟，视为注浆完成停止注浆，封闭注浆管。；封闭注浆管。；6.拆卸注浆管和注浆泵的接头时，要防止注浆泵内压力过高拆卸注浆管和注浆泵的接头时，要防止注浆泵内压力过高 ；第三部分：第三部分：钻屑回填封孔试验钻屑回填封孔试验效果报告效果报告25钻屑封孔试验效果报告钻屑封孔试验效果报告一、一、12050轨道顺槽（前期）轨道顺槽（前期）1、试验孔（轨道顺槽、试验孔（轨道顺槽63# 67#，71# 73#），试验钻孔于），试验钻孔于4.2

20、0前后连孔抽放，本次试验所取数据记录始于前后连孔抽放，本次试验所取数据记录始于5.9，单孔抽放浓，单孔抽放浓度跟踪考察的时间范围为度跟踪考察的时间范围为2014.5.92014.8.3 ； 2、现行孔（轨道顺槽、现行孔（轨道顺槽48# 52#），现行钻孔于），现行钻孔于4.12前后连孔抽前后连孔抽放，本次考察所取数据记录始于放，本次考察所取数据记录始于5.1,单孔抽放浓度跟踪考察的单孔抽放浓度跟踪考察的时间范围为时间范围为2014.5.12014.7.25 .26钻屑封孔试验效果报告钻屑封孔试验效果报告一、一、12050轨道顺槽（前期）轨道顺槽（前期）图图1 两种封孔方式单孔平均抽放浓度图示两

21、种封孔方式单孔平均抽放浓度图示27钻屑封孔试验效果报告钻屑封孔试验效果报告一、一、12050轨道顺槽（前期）轨道顺槽（前期） 由图由图1所示可知：所示可知： 试验孔采用两堵一注封孔方式在试验孔采用两堵一注封孔方式在2014.5.92014.8.3期间所封期间所封的的8个孔单孔平均浓度在个孔单孔平均浓度在8.38%17.03%之间，得所封孔平均之间，得所封孔平均浓度为浓度为12.58%； 现行封孔方式在现行封孔方式在2014.5.12014.7.25期间所封的期间所封的5个孔单孔平个孔单孔平均浓度在均浓度在7.36%10.49%之间，可得所封孔平均浓度为之间，可得所封孔平均浓度为8.62%.28

22、钻屑封孔试验效果报告钻屑封孔试验效果报告一、一、12050轨道顺槽（中期）轨道顺槽（中期）1、试验孔（轨道顺槽、试验孔（轨道顺槽63# 67#，71# 73#），试验钻孔于），试验钻孔于4.20前后连孔抽放，本次试验所取数据记录始于前后连孔抽放，本次试验所取数据记录始于6.15，单孔抽放浓，单孔抽放浓度跟踪考察的时间范围为度跟踪考察的时间范围为2014.6.152014.7.2 ； 2、现行孔（轨道顺槽、现行孔（轨道顺槽53# 57#，112# 116# ），现行钻孔于），现行钻孔于5.25前后连孔抽放，本次考察所取数据记录始于前后连孔抽放，本次考察所取数据记录始于7.21,单孔抽放单孔抽放浓

23、度跟踪考察的时间范围为浓度跟踪考察的时间范围为2014.7.212014.8.3 .29钻屑封孔试验效果报告钻屑封孔试验效果报告一、一、12050轨道顺槽（中期）轨道顺槽（中期）图图2 两种封孔方式单孔平均抽放浓度图示两种封孔方式单孔平均抽放浓度图示30钻屑封孔试验效果报告钻屑封孔试验效果报告一、一、12050轨道顺槽（中期）轨道顺槽（中期） 由图由图2所示可知：所示可知： 试验孔采用两堵一注封孔方式在试验孔采用两堵一注封孔方式在2014.6.152014.7.2期间所期间所封的封的8个孔单孔平均浓度在个孔单孔平均浓度在10%15.75%之间，得所封孔平均之间，得所封孔平均浓度为浓度为11.8

24、5%； 现行封孔方式在现行封孔方式在2014.7.212014.8.3期间所封的期间所封的10个孔单孔个孔单孔平均浓度在平均浓度在2.16%16.97%之间，可得所封孔平均浓度为之间，可得所封孔平均浓度为8.62%.31钻屑封孔试验效果报告钻屑封孔试验效果报告一、一、12050轨道顺槽（后期）轨道顺槽（后期） 1、试验孔（轨道顺槽、试验孔（轨道顺槽63# 67#，71# 73#），试验钻孔于），试验钻孔于4.20前后连孔抽放，本次试验所取数据记录始于前后连孔抽放，本次试验所取数据记录始于5.2，单孔抽放浓，单孔抽放浓度跟踪考察的时间范围为度跟踪考察的时间范围为2014.5.22014.5.18

25、 ； 2、现行孔（轨道顺槽、现行孔（轨道顺槽117# 121# ），现行钻孔于），现行钻孔于7.10前后连前后连孔抽放，本次考察所取数据记录始于孔抽放，本次考察所取数据记录始于7.21,单孔抽放浓度跟踪单孔抽放浓度跟踪考察的时间范围为考察的时间范围为2014.7.212014.8.3 .32钻屑封孔试验效果报告钻屑封孔试验效果报告一、一、12050轨道顺槽（后期）轨道顺槽（后期） 图图3 两种封孔方式单孔平均抽放浓度图示两种封孔方式单孔平均抽放浓度图示33钻屑封孔试验效果报告钻屑封孔试验效果报告一、一、12050轨道顺槽（后期）轨道顺槽（后期） 由图由图3所示可知：所示可知： 试验孔采用两堵一

26、注封孔方式在试验孔采用两堵一注封孔方式在2014.5.22014.5.18期间所期间所封的封的8个孔单孔平均浓度在个孔单孔平均浓度在8.5%25.24%之间，得所封孔平均之间，得所封孔平均浓度为浓度为17.21%； 现行封孔方式在现行封孔方式在2014.7.212014.8.3期间所封的期间所封的5个孔单孔平个孔单孔平均浓度在均浓度在2.39%19.76%之间，可得所封孔平均浓度为之间，可得所封孔平均浓度为13.09%.34钻屑封孔试验效果报告钻屑封孔试验效果报告二、二、12050轨道顺槽底板巷轨道顺槽底板巷1、试验孔（轨道底板巷、试验孔（轨道底板巷20钻场钻场26# 29#,32#,35#

27、42#）,单孔抽单孔抽放浓度跟踪考察的时间范围为自封孔之日后的一个月放浓度跟踪考察的时间范围为自封孔之日后的一个月;2、现行孔（轨道底板巷、现行孔（轨道底板巷20钻场钻场2# 3#，7#，11#，13#，15#，17# 20#，24#，33# 34#） ，单孔抽放浓度跟踪考察的时间，单孔抽放浓度跟踪考察的时间范围为自封孔之日后的一个月。范围为自封孔之日后的一个月。35钻屑封孔试验效果报告钻屑封孔试验效果报告二、二、12050轨道顺槽底板巷轨道顺槽底板巷 图图4 两种封孔方式单孔平均抽放浓度图示两种封孔方式单孔平均抽放浓度图示36钻屑封孔试验效果报告钻屑封孔试验效果报告二、二、12050轨道顺槽底板巷轨道顺槽底板巷 由图由图4所示可知：所示可知： 试验孔采用两堵一注封孔方式在自封孔日后的一个月期间试验孔采用两堵一注封孔方式在自封孔日后的一个月期间所封的所封的13个孔单孔平均浓度在个孔单孔平均浓度在0.69%13.91%之间，得所封孔之间，得所封孔平均浓度为平均浓度为6.88%； 现行封孔方式在自封孔日后的一个月期间所