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深部带压开采黏土基底板注浆材料改性研究
2019-12-30
煤炭深部带压开采常规注浆防水材料难以满足工程需求,为此开展底板注浆防治水材料改性研究。 以澄合二矿为研究背景,分析了深部带压开采的特征及配套浆液改性方向。对黏土基注浆材料采用高能磁场、高 矿化度矿井水改性,通过室内对比实验研究了改性黏土基注浆材料关键指标变化规律。并通过工程检验其可行 性。研究结果表明:深部带压开采需要扩散性更好、抗压强度更高、价格低廉、环境友好的注浆材料;高能磁场联合 高矿化度矿井水改性的黏土基浆液抗压强度最大提高 32.56%,黏度最大降低 13.73%;工程应用降低工作面涌水量 约 50%,费用降低约 20%,每年减少矿井水排放约 4 万 m3。研究成果为深部带压开采提供...
Series No. 522 金 属 METAL MINE 矿 山 总第 522 期 2019 年第 12 期 December 2019 深部带压开采黏土基底板注浆材料改性研究 李 1. 六盘水师范学院矿业与土木工程学院,贵州 六盘水553004;2. 矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室, 陕西 西安 710065;3. 陕西省一八五煤田地质有限公司,陕西 榆林 719000; . 陕西煤业化工技术研究院有限责任公司,陕西 西安 710070) 涛1,2 高 颖1,2 张 鹏1 郭亮亮3 薛卫峰4 冯 海4 魏中举11 ( 4 摘 要 煤炭深部带压开采常规注浆防水材料难以满足工程需求,为此开展底板注浆防治水材料改性研究。 以澄合二矿为研究背景,分析了深部带压开采的特征及配套浆液改性方向。对黏土基注浆材料采用高能磁场、高 矿化度矿井水改性,通过室内对比实验研究了改性黏土基注浆材料关键指标变化规律。并通过工程检验其可行 性。研究结果表明:深部带压开采需要扩散性更好、抗压强度更高、价格低廉、环境友好的注浆材料;高能磁场联合 高矿化度矿井水改性的黏土基浆液抗压强度最大提高 32.56%,黏度最大降低 13.73%;工程应用降低工作面涌水量 3 约 50%,费用降低约 20%,每年减少矿井水排放约 4 万 m 。研究成果为深部带压开采提供了新的材料。 关键词 底板 承压水 深部 黏土 磁化 注浆材料改性 中图分类号 TD265.4 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2019)-12-173-05 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.201912030 Study on Modification of Grouting Material with Clay-based Plate in Deep Mining under Pressure 1 ,2 1,2 1 3 4 4 12 Li Tao Gao Ying Zhang Peng Guo Liangliang Xue Weifeng Feng Hai Wei Zhongju ( 1. School of Mining & Civil Engineering,Liupanshui Normal University,Liupanshui 553004,China;2. Key Laboratory of Mine Geological Hazards Mechanism and Control,Xi'an 710065,China;3. Shaanxi 185 Coalfield Geology Co.,Ltd.,Yulin 7 19000,China;4. Shaanxi Coal Chemical Industry Technology Research Institute Co.,Ltd.,Xi'an 710070,China) Abstract It is difficult for conventional grouting materials to meet the engineering needs in deep mining under pres‐ sure,so the modification of floor grouting materials for preventing and controlling water is studied. Taking Chenghe No. 2 Coal Mine as the research background,the characteristics of deep mining under pressure and and the modification direction of grouting slurry were analyzed. The clay-based grouting material was modified by high-energy magnetic field and high mineral‐ ized mine water,and the variation of key indexes of the modified clay-based grouting material was studied through indoor com‐ parative experiments. The feasibility of modified clay-based grouting material was tested by practical engineering. The results show that the grouting materials with good diffusion,high compressive strength,low price and environment friendly is re‐ quired in deep mining under pressure. The compressive strength of modified clay-based grouting with high energy magnetic field and high salinity mine water was maximumly increased by 32.56% and its viscosity was maximumly decreased by 1 3.73%. In the engineering application,the water inflow at the working face was reduced by about 50%,the cost was lowered 3 by about 20%,and the mine water discharge was shortened by about 40 000 m per year. The research results provide new grouting materials for deep mining under pressure. Keywords Floor,Confined aquifer,Depth,Clay,Magnetization,Modification of grouting material [1-3] 我国大量煤炭资源受底板承压水害威胁,特别 是随着煤炭开采深度的增加,底板水压变大、隔水层 变薄、构造复杂,底板水害防治难度也随之增大 目前,底板水害的防治方法主要有疏水降压、注 。 基收金稿日项目期 2贵0州19-省1教0-育24厅青年科技人才成长项目(编号:黔教合KY字[2018]376,黔教合KY字[2018]386),贵州省区域内一流建设学科项目(编号: 黔教科研发[2018]216 号),六盘水师范学院重点学科项目(编号:LPSSYZDXK201802),贵州省教育厅基金项目(编号:黔教合 KY 字 [ 2018]029),六盘水师范学院高层次人才科研启动基金项目(编号:LPSSYKYJJ201702),六盘水市科技局基金项目(编号:52020- 018-03-03),贵州省科技厅自然科学基金项目(编号:黔科合LH字[2015]7607 号)。 李 涛(1984—),男,副教授,博士后。 2 作者简介 · 173 · 总第522期 金 属 矿 山 2019年第12期 [ 4-6] 浆加固及两者联合 。疏水降压适合容易疏放的水 MPa,煤层底板有效隔水层承受更大的荷载。 (3)奥灰涌水的平均矿化度由 0.70 g/L 上升至 0.92 g/L,矿化度升高,水处理难度加大。为此需要减 少突涌水量,对注浆加固的依赖程度更高。 [ 7-9] 体 。当水体富水性好时,注浆加固则是优先采取 的技术措施。底板注浆加固的材料多种多样,受制 于成本控制,以黏土基、水泥基为主。并依据不同的 注浆条件,附加各类骨料、外加剂来实现抗冲刷、速 3 3 (4)平均吨煤注浆量由 0.058 m 提高至 0.095 m , 生产成本提高。 [10-12] 凝、早强、耐腐蚀等特殊需求 。近年来,受绿色矿 山、智慧矿山建设需求,对注浆材料又进行了新的研 1. 3 深部开采底板注浆材料的关键指标 黏土基注浆材料较水泥基注浆材料在环保和成 本方面具有优势,但面临更复杂的带压开采环境,需 要对黏土基材料进行进一步改性处理。以下 2 个指 标对注浆工程有关键的作用。 [13] 发 。总体上,注浆材料的性能要求越来越高,但成 本则希望越来越低,为此有学者利用“工业三废”来 [14] 进行注浆材料的改性研究 。 本项目基于研究区深部带压开采特征的分析, 通过室内对比实验研发低成本、绿色环保改性黏土 基注浆材料,并通过工程检验其合理性。 (1)黏度,决定流动性。底板注浆钻孔密度与浆 液扩散半径直接相关。提高浆液的流动性可以减少 钻孔的数量。此外,流动性好的浆液也利于浆液运 输。 1 研究区深部开采特征 1 . 1 研究区概况 本次研究区是澄合矿区西部的澄合二矿,该矿 (2)强度,特别是三轴抗压强度。浆液凝结的强 度是抵抗底板水压力的主要途径。而随着开采向深 部延伸,围压的作用不可忽略,因此主要考虑三轴抗 压强度。三轴抗压强度的提高,可以减少注浆改造 的厚度,这对于有限的空间内注浆改造是十分有利 的。 主要开采 5号煤层,开采厚度为 3~4 m,与下伏奥陶系 灰岩(以下简称奥灰)的距离为 20~35 m,包括太原组 粉砂岩隔水层、K2 含水层、铝质泥岩隔水层等隔水 层。由于 K2 含水层厚度约 10 m 左右,其水量相对有 限,因此5号煤开采主要受奥灰水威胁。 澄合二矿开采历史悠久,1941 年开始开采至今, 2 黏土基注浆材料注浆改性实验 已经历 3 个开采水平。一水平开采区域突水系数小 于 0.06 MPa/m,因此可以正常带压开采。二水平大部 分区域突水系数大于等于 0.06 MPa/m,开始采用黏土 基注浆材料对底板破坏带以下至奥灰之间层段注浆 加固,注浆效果显著,突(涌)水现象较少。近年来, 三水平(突水系数较二水平增加 0.01~0.03 MPa/m)开 始开采,增加了常规的黏土基注浆材料注入量,但注 浆效果有限,突(涌)水现象经常发生。 为了提升黏土基注浆材料关键参数,减少高矿 化度矿井水排放,引入高能磁(稀土永磁无额外能 耗)和矿井水中的矿化物对黏土基注浆材料改性。 具体采取以下3组对比实验分析。 2. 1 高矿化度矿井水对黏土基注浆材料改性实验 第 1组对比实验,主要是对比超纯水和高矿化度 矿井水配制成的黏土基浆液性能的变化。 2. 1. 1 实验材料 1 . 2 研究区深部带压开采特征 (1)超纯水材料:采用密理博 Direct-Q5型超纯水 为分析深部带压开采特征,对二水平和三水平 制备仪制备。 开采的地质特征对比如表 1。 (2)高矿化度矿井水材料:取自研究区三水平奥 灰涌水点的洁净矿井水(未与其他污水混合),通过 浓缩后制备(如图 1),制备的矿井水矿化度经测定为 2 .07 g/L。 由表1可以看出研究区深部带压开采特征如下: (1)隔水层厚度由平均值 29.54 m 下降至 25.11 m,此外由于工作面斜长的增加,底板破坏深度也有 所提高,可注浆加固的层厚变小。 (2)静水压压力由平均值 1.22 MPa 上升至 2.08 · 174 · 李 涛等:深部带压开采黏土基底板注浆材料改性研究 2019年第12期 ( 3)黏土材料:在研究区就地获取黏土,并浸泡 在超纯水或浓缩矿井水 7 d后,烘干过120目筛制备。 4)黏土浆液:将前述制备的固(黏土)、液(第 1 组实验液体分为超纯水和矿井水)2 项按照质量比 ∶1配制,充分搅拌30 min,见图2。 采用高矿化度矿井水配制的黏土基浆液的黏度更 低,下降 3.53%,说明采用高矿化度矿井水改性的黏 土基浆液流动性更好。这主要是矿井水源自奥灰, 富含钙离子,使黏土双电层结构变薄,结构发生絮 ( [15] 1 凝,絮凝会使得浆液的黏度下降 ,改性黏土拥有更 好的流动性和可注性。 (2)三轴抗压强度。由表 2 中编号 1、2 的对比可 以看出,采用高矿化度矿井水配制的黏土基浆液的 三轴抗压强度更高,增加 30.23%,说明采用高矿化度 矿井水改性的黏土基浆液抗压强度更高。在黏土中 加入钙离子可以提高黏土的强度已为共识,是因为 [15] 产生沉淀物质的原因 。另外,在钙离子中混入钠 离子会进一步增加土样强度。 2 . 2 高能磁对黏土基注浆材料改性实验 (5)黏土土样:将制备的液体和黏土按照黏土最 第 2组对比实验,主要是对比磁化处理的超纯水 优含水率(经测试为 17.8%,如图 3)制备成标准尺寸 的重塑土样。 和未磁化处理的超纯水配制成的黏土基浆液性能的 变化。 2 . 2. 1 实验材料 第 2 组实验材料制备与第 1 组类似,只是液体分 为磁化处理和未磁化处理的超纯水。 这里重点介绍磁化处理的超纯水的制备。采用 自主设计的磁化装置(如图 4)让超纯水通过水泵在 强度为 1 T 的稀土永磁场内循环,循环速度 4.6 m/s, 磁化处理时间为 60 min(经测试超过 60 min性能提高 有限)。 2 . 1. 2 实验方法 (1)黏度测定。将室内温度控制在 15 ℃,将制备 1 min 的黏土浆液,通过马氏漏斗测定其黏度。为避 免土体的非均质性影响,各测定 4 个样品,取其平均 值作为测定结果(表2)。 (2)三轴抗压强度。将制备的黏土土样放置在 2 . 2. 2 实验方法 第 2 组对比实验与第 1 组对比实验方法一致,这 三轴伺服仪中进行极限抗压强度测定,其中围压设 置为 1.0 MPa。为避免土体的非均质性影响,测定 4 个样品,取其平均值作为测定结果(表2)。 里不再赘述。 . 2. 3 实验结果及分析 1)黏度。由表 2 中编号 1、3 的对比可以看出, 2 ( 采用高能磁处理的超纯水配制的黏土基浆液的黏度 更低,下降 10.20%,说明采用高能磁改性的黏土基浆 液流动性更好,在流动性方面比高矿化度矿井水改 性效果更好。黏度变化的原因,一方面是黏土颗粒 在磁场作用下排列更有序,另一方面是磁化作用下 水与黏土结合的更紧密(磁化水的吸附性提高),提 高了润滑性。 2 . 1. 3 实验结果及分析 (1)黏度。由表 2 中编号 1、2 的对比可以看出, (2)三轴抗压强度。由表 2 中编号 1、3 的对比可 · 175 · 总第522期 金 属 矿 山 2019年第12期 以看出,采用高能磁处理的超纯水配制的黏土基浆 液的三轴抗压强度略高,增加 2.33%,增加并不明显。 现有实验研究成果可见磁化处理对黏土基注浆材料 的强度贡献有限。 3 工程应用 在室内实验研究的基础上,对研究区三水平注 浆工程进行实践应用。 改性后黏土基注浆材料黏度降低,可以大量减 少输送管路堵塞,因此采用井上制浆—管路输送— 井下注浆的工艺(井上注浆系统如图 5)。由于研究 区地面年蒸发量巨大(年蒸发量约 1 700 mm),利用 太阳能对提升到井上的洁净涌出水进行浓缩处理 (相关技术应用流程如图 6)。浓缩处理得到的高矿 化度矿井水结合高能磁(井上搅拌时磁化,同时井下 安装高能磁处理装置,减少退磁效应)进行浆液改 性。浓缩处理得到的低浓度的矿井水混合井下其他 水用于井下消防。已有的研究证明,磁处理的水对 除尘和防灭火均有一定的增益作用,因此混合的水 也采用高能磁处理。 2 . 3 高能磁联合高矿化度矿井水对黏土基注浆材 料改性实验 第 3组对比实验,主要是对比磁化处理的高矿化 度矿井水和未磁化处理的超纯水配制成的黏土基浆 液性能的变化。 2 . 3. 1 实验材料 第 3 组实验材料制备与第 1 组类似,只是液体分 为磁化处理的高矿化度矿井水和未磁化处理的超纯 水。 2 . 3. 2 实验方法 第 3 组对比实验与第 1 组对比实验方法一致,这 里不重复介绍。 . 3. 3 实验结果及分析 1)黏度。由表 2 中编号 1、4 的对比可以看出, 在采用改性注浆材料工程应用后,有以下成果。 第一,煤炭资源开采过程中没有发生显著突涌水事 故,采煤工作面涌水量整体降低约 50%,安全上是合 理的。第二,工程应用后,每年减少向黄河排放高矿 2 ( 采用高能磁处理的高矿化度矿井水配制的黏土基浆 液的黏度更低,下降 13.73%,说明采用高能磁联合高 矿化度矿井水改性的黏土基浆液流动性更好,在流 动性方面较单因素(高矿化度矿井水或磁化水)改性 效果更突出。依据测试结果结合前人研究成果可以 看出,高浓度的离子和磁化处理有相互促进的关系, 即磁化效果和离子交换效果都得到了提升,因此有 黏度大幅度变化。 3 化度矿井水约 4 万 m ,环境上是合理的。第三,高能 磁场由稀土永磁提供,而循环过程与制浆过程同步, 额外成本提升有限(稀土永磁等设备投入较低),注 浆费用整体降低约 20%,在经济上也是合理的。 (2)三轴抗压强度。由表 2 中编号 1、4 的对比可 以看出,采用高能磁处理的高矿化度矿井水配制的 黏土基浆液的三轴抗压强度大幅度高,增加 32.56%。 三轴抗压强度大幅增加的原因主要是磁化处理促使 矿井水和黏土结合的更加紧密,进而促进了离子交 换。 4 结 论 化度增加的特征,需要扩散性和三轴抗压强度更好 的注浆浆液。 (1)研究区三水平带压开采呈现出隔水层厚度 降低、静水压力增加、开采费用增加、矿井涌出水矿 (2)采用高矿化度矿井水配制的黏土基浆液的 · 176 · 李 涛等:深部带压开采黏土基底板注浆材料改性研究 2019年第12期 Coal Mine Machinery,2019,40(2):130-132. 黏度下降 3.53%,扩散性提升不显著。但三轴抗压强 度增加30.23%,强度显著提高。 [ 7] 国家安全生产监督管理总局,国家煤矿安全监察局 . 煤矿防治 水规定[M]. 北京: 煤炭工业出版社,2009. (3)采用高能磁处理的超纯水配制的黏土基浆 State Administration of Work Safety Supervision and Administra‐ tion,State Administration of Coal Mine Safety Supervision. Regula‐ tions on Water Control in Coal Mines[M]. Beijing: China Coal In‐ dustry Publishing House,2009 液的黏度下降 10.20%,扩散性显著提高。但三轴抗 压强度增加2.33%,强度提升不显著。 (4)采用高能磁处理的高矿化度矿井水配制的 [ 8] 陈秀艳 . 淮南矿区急倾斜 A 组煤开采水害防治研究[D]. 淮南: 黏土基浆液的黏度下降 13.73%,扩散性提升显著。 同时三轴抗压强度增加 32.56%,强度也提升显著。 因此,两者联合对底板黏土基注浆材料的改性效果 最优。 安徽理工大学,2018. Chen Xiuyan. Study on Prevention and Control of Water Disaster in Rapidly Inclined Group A Coal Mining in Huainan Mining Area [ D]. Huainan:Anhui University of Science & Technology,2018. (5)采用高能磁处理的高矿化度矿井水配制的 [9] 赵成喜 . 淮北矿区深部岩溶突水机理及治理模式[D]. 徐州:中 国矿业大学,2015. 黏土基浆液的工程应用结果显示,降低采煤工作面 涌水量约 50%,整体费用降低约 20%,每年减少矿井 Zhao Chengxi. The Water Inrush Mechanism and Governmental Mode of Deep Karst in Huaibei Mine[D]. 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