厚煤層煌斑巖水平分段水壓致裂化學(xué)改性方法
【專利摘要】一種厚煤層煌斑巖水平分段水壓致裂化學(xué)改性方法，所述方法是在厚煤層中探明煌斑巖賦存狀況，在兩平巷含有煌斑巖的區(qū)域利用煤層注水鉆孔進(jìn)行水平分段預(yù)裂，在鉆孔過程中，先在孔中由開槽鉆開若干個“V”型槽，然后進(jìn)行高壓注水進(jìn)行預(yù)裂，最后注入化學(xué)溶液進(jìn)行致裂。本方法利用化學(xué)溶液與煌斑巖作用，降低了煌斑巖的力學(xué)強(qiáng)度使其軟化，并選取合適的采煤循環(huán)進(jìn)度，使采煤機(jī)直接截割煌斑巖與打孔、化學(xué)反應(yīng)同時進(jìn)行，減少了采煤機(jī)械磨損和粉塵產(chǎn)生，且操作簡單，實用性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)合理具有較強(qiáng)的推廣和實際應(yīng)用價值。
【專利說明】
厚煤層煌斑巖水平分段水壓致裂化學(xué)改性方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種厚煤層中侵入大范圍煌斑巖的處理方法，具體是一種厚煤層中煌斑巖水平分段水壓致裂化學(xué)改性的技術(shù)方案。
【背景技術(shù)】
[0002]煤層下部母巖物質(zhì)經(jīng)過大量的地質(zhì)運動，重熔后的熔融巖漿向上運動，由于煤炭的強(qiáng)度比較弱，直接大范圍的侵入煤層中，冷卻凝固形成煌斑巖，煌斑巖侵入煤層破壞了煤層的完整性，嚴(yán)重影響煤礦的正常生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)效益，煤層中煌斑巖具有大范圍、連續(xù)性、強(qiáng)度大和親水性弱的顯著特征，開采過程中造成采煤設(shè)備的極大磨損而且會產(chǎn)生大量的粉塵，粉塵對機(jī)械設(shè)備和井下人員都有很大的危害。目前處理煤層中煌斑巖的比較好的方式是爆破方法或者直接搬離工作面，周洪在論文《煤層中不規(guī)則巖體形成機(jī)理研究及作用》中通過研究煤層中巖體形成的機(jī)理，并且提出幾種爆破處理的方法;范長鵬在《回采工作面過火成巖方法的選擇》中，設(shè)計不同的方案，分別為跟頂回采、跟巖回采和跟底回采三種方案。但是諸上幾種方法存在生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)成本高，同時浪費大量的煤炭資源等問題，除此之夕卜，更重要的是爆破后的巖石塊度大，仍然需要采煤機(jī)的截割，從根本上還是未能解決問題，而且爆破對巷道和工作面的影響也相當(dāng)大，容易引發(fā)頂板事故甚至誘發(fā)地壓災(zāi)害，存在很大安全隱患。
[0003]針對上述問題，現(xiàn)有技術(shù)沒有更好的解決辦法，與此同時，在厚煤層開采過程中，煤層注水是目前回采工作面最有效的除塵措施，隨著采煤工作面的增長，一般采用的是深孔注水，孔深為工作面長度一半以上，鉆孔的作用目的比較單一，未能達(dá)到最大的利用率。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在著不足，本發(fā)明提供一種厚煤層煌斑巖水平分段水壓致裂化學(xué)改性方法。
[0005]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0006]—種厚煤層煌斑巖水平分段水壓致裂化學(xué)改性方法，所述方法是按以下步驟進(jìn)行的:
(1)利用震波CT技術(shù)探明厚煤層中煌斑巖的分布規(guī)律和存在范圍；
(2)在回風(fēng)平巷和運輸平巷沿煤壁，利用前期煤層注水的鉆孔，在鉆孔中進(jìn)行開槽，并在前期設(shè)計注水鉆孔間距離為5-8m，上下兩巷的鉆孔要相間設(shè)置，且兩面所有的鉆孔與煤壁水平向下方向夾角為8°_15°，每個鉆孔用開槽鉆每隔5m開一 “V”型槽，在孔內(nèi)每一 “V”型槽和其相應(yīng)的孔壁為一組，從孔的最底端開始為第一組，向孔口處分別為第二組，第三組……第η組；
(3)將注水封孔器與高壓注水管相連，水管另一端與高壓注水栗相連，首先將注水封水器置于第一組鉆孔的兩端，然后開啟高壓注水栗通過封孔器進(jìn)行注水預(yù)裂，注水致裂時間為240s，注水水壓力為45-50MPa，第一組進(jìn)行致裂完成后，對第二組進(jìn)行致裂，以此類推直至完成全部組致裂，在致裂過程中對注水壓力進(jìn)行實時監(jiān)測；
(4)對煌斑巖進(jìn)行取樣測試，按照實驗規(guī)程，測定煌斑巖的單軸抗壓強(qiáng)度、孔隙率、吸水性和透水性的相關(guān)參數(shù)，采用X射線衍射儀進(jìn)行黃斑巖礦物成分測定，根據(jù)煌斑巖化學(xué)成分，選擇相應(yīng)的化學(xué)溶液，在相同的時間條件下，測試不同濃度溶液對應(yīng)煌斑巖的單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度，將其相應(yīng)兩者的關(guān)系進(jìn)行擬合；同樣在相同濃度溶液的條件下，測試不同時間段內(nèi)煌斑巖的單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度，并將其相應(yīng)兩者關(guān)系進(jìn)行擬合，經(jīng)過擬合結(jié)果確定溶液濃度；
(5)根據(jù)煌斑巖的孔隙率、吸水性和透水性的相關(guān)參數(shù)和水壓預(yù)裂效果，確定向孔內(nèi)注入的注液量和注液時間，然后進(jìn)行注液；
(6)根據(jù)化學(xué)溶液作用后的煌斑巖單軸抗拉強(qiáng)度和采煤機(jī)的截割性能，確定采煤機(jī)的合理截深和工作面正常循環(huán)進(jìn)度。
[0007]本發(fā)明上述所提供的一種厚煤層煌斑巖水平分段水壓致裂化學(xué)改性方法，在煌斑巖巖層中充分利用厚煤層中的注水鉆孔，并用開槽鉆在鉆孔中開若干個“V”型槽，進(jìn)行高壓封堵注水。開“V”型槽的目的是利用其水壓在此應(yīng)力集中將其破壞使裂隙發(fā)育充分，而且裂縫會向深部延伸發(fā)展對后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)更加有利，在分段水平預(yù)裂中能使裂縫在空間分布更加均勻，化學(xué)溶液作用時間能有效地控制，從而使化學(xué)作用更加充分，利用化學(xué)溶液有效地將煌斑巖固有的化學(xué)物理特性改變，從而降低了煌斑巖的力學(xué)強(qiáng)度使其軟化，選擇采煤機(jī)合理的截深和工作面循環(huán)進(jìn)度，使采煤機(jī)推進(jìn)過程得以連續(xù)，并有效減小了采煤機(jī)械的磨損和采煤工作面的煤塵，確保了綜采工作面的正常推進(jìn)，經(jīng)濟(jì)使用，安全可靠，具有很大的推廣和應(yīng)用價值。
【附圖說明】
[0008]圖1是本方法的設(shè)置平面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0009]圖2是本方法圖1的C-C截面鉆孔設(shè)置平面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖3是本方法圖1的D-D截面鉆孔俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011 ]圖4是本方法煌斑巖的單軸抗壓強(qiáng)度與浸泡時間的關(guān)系圖。
[0012]圖5是本方法煌斑巖的單軸抗壓強(qiáng)度與浸泡時間的關(guān)系圖。
[0013]圖中:1、上覆巖層;2、煤層頂板;3、煤層;4、底板;5、運輸平巷;6、鉆孔傾角;7、煌斑巖體;8、回風(fēng)平巷;9、鉆孔;10、V型槽;11，采空區(qū)。
具體實施方案
[0014]下面對本發(fā)明的【具體實施方式】作出進(jìn)一步的說明。
[0015]實施一種厚煤層中煌斑巖水平分段水壓致裂化學(xué)改性方法，該方法是按以下幾個步驟進(jìn)彳丁的:
步驟一，利用震波CT技術(shù)探明厚煤層中煌斑巖的分布規(guī)律和存在范圍。
[0016]步驟二，在回風(fēng)平巷和運輸平巷沿煤壁，利用前期煤層注水的鉆孔，在鉆孔中進(jìn)行開槽，為了達(dá)到更好的效果，在前期設(shè)計注水鉆孔間的距離為5-8m，上下兩巷的鉆孔要相間設(shè)置，而且兩面所有的鉆孔與煤壁水平向下方向的夾角為8°-15°，向下的角度不僅有效的增加預(yù)裂長度而且在后期注入化學(xué)溶液的過程中可以減少浪費，每個鉆孔用開槽鉆每隔5m開一個“V”型槽，在孔內(nèi)每個“V”型槽和其相應(yīng)的孔壁稱為一個組，從孔的最底端開始為第一個組，向孔口處分別為第二個，第三個……第η個，開槽鉆現(xiàn)在在本領(lǐng)域的使用廣泛，結(jié)構(gòu)和性能相關(guān)專業(yè)人員了解。
[0017]步驟三，將注水封孔器與高壓注水管路相連接，管路的另一端與高壓注水栗連接，首先將注水封水器置于第一組鉆孔的兩端，然后開啟高壓注水栗通過封孔器進(jìn)行注水預(yù)裂，注水的致裂時間為240s，在該時間段的說壓力的峰值為45-50MPa，第一組進(jìn)行致裂完成后，對第二組進(jìn)行致裂，以此類推直至完成全部組，在致裂的過程中要對注水壓力進(jìn)行實時監(jiān)測。
[0018]步驟四，對煌斑巖進(jìn)行取樣測試，按照實驗規(guī)程，測定煌斑巖的單軸抗壓強(qiáng)度、孔隙率、吸水性和透水性等相關(guān)的各參數(shù)，采用X射線衍射儀進(jìn)行測定煌斑巖的主要礦物成分，根據(jù)的煌斑巖的主要化學(xué)成分，選擇相應(yīng)的化學(xué)溶液，在相同的時間條件下，測試不同濃度溶液對應(yīng)煌斑巖的單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度，將其相應(yīng)兩者的關(guān)系進(jìn)行擬合，同樣在相同濃度溶液的條件下，測試不同時間段內(nèi)煌斑巖的單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度，并將其相應(yīng)兩者關(guān)系進(jìn)行擬合，經(jīng)過擬合結(jié)果確定溶液的濃度。
[0019]步驟五，根據(jù)煌斑巖的孔隙率、吸水性和透水性等相關(guān)參數(shù)和水壓預(yù)裂效果確定向孔內(nèi)注入的注液量，注液時間，然后進(jìn)行注液的操作工序。
[0020]步驟六，根據(jù)化學(xué)溶液作用后的煌斑巖的單軸抗拉強(qiáng)度和采煤機(jī)的截割性能，確定采煤機(jī)的合理截深和工作面正常循環(huán)進(jìn)度。
[0021]在上述實施方案中，在煌斑巖的標(biāo)準(zhǔn)試件的物理化學(xué)試驗中，煌斑巖的主要化學(xué)成分為S12，大約占28%-45%，經(jīng)過步驟四中的擬合結(jié)果可以確定為用0.3%-0.5%的NaOH溶液，浸泡時間在7天-1 O天的效果最佳。
[0022]在上述實施方案中，煌斑巖的單軸抗拉強(qiáng)度與化學(xué)溶液作用時間和原始單軸抗壓強(qiáng)度的規(guī)律呈現(xiàn)為:
δ= -aln(t)+ δο
式中，S為煌斑巖與化學(xué)溶液作用后的單軸抗壓強(qiáng)度，a為擬合系數(shù)，t為化學(xué)溶液的作用時間，知為煌斑巖的天然單軸抗壓強(qiáng)度。
[0023]在上述實施方案中，采煤機(jī)在通過煌斑巖區(qū)域的合理截深為300mm-800mm，為了保護(hù)采煤機(jī)的截齒，取值應(yīng)小于理論中的取值。
[0024]為了使本發(fā)明的目的、優(yōu)點和技術(shù)方案更加清晰，以下結(jié)合附圖以及實例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。具體的實例僅僅解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明。
[0025]實施例1
一、利用震波CT技術(shù)探明某礦A厚煤層中的煌斑巖分布規(guī)律和存在范圍，其形狀近似于橢圓形狀，其長軸為112m，短軸為62m，煌斑巖體距離回風(fēng)巷道最近的的地方為15.2m;
二、在回風(fēng)平巷和運輸平巷沿煤壁，利用前期煤層注水鉆孔，在鉆孔中進(jìn)行開槽，為了達(dá)到更好的效果，在前期設(shè)計注水鉆孔間的距離為5-8m，上下兩巷的鉆孔要相間設(shè)置，而且兩面所有的鉆孔與煤壁水平向下方向夾角為8°-15°，向下的角度不僅有效的增加預(yù)裂長度而且在后期注入化學(xué)溶液的過程中可以減少浪費，每個鉆孔用開槽鉆每隔5m開一個“V”型槽，在孔內(nèi)每個“V”型槽和其相應(yīng)的孔壁稱為一個組。從孔的最底端開始為第一個組，向孔口處分別為第二個，第三個……第η個，開槽鉆現(xiàn)在在本領(lǐng)域的使用廣泛，結(jié)構(gòu)和性能相關(guān)專業(yè)人員了解。
[0026]三、將注水封孔器與高壓注水管路相連接，管路的另一端與高壓注水栗連接，首先將注水封水器置于第一組鉆孔的兩端，然后開啟高壓注水栗通過封孔器進(jìn)行注水預(yù)裂，注水的致裂時間為240s，在該時間段的說壓力的峰值為50MPa，第一組進(jìn)行致裂完成后，對第二組進(jìn)行致裂，以此類推直至完成全部組，在致裂的過程中要對注水壓力進(jìn)行實時監(jiān)測。
[0027]四、對煌斑巖進(jìn)行取樣測試，按照實驗規(guī)程，測定煌斑巖的單軸抗壓強(qiáng)度為48.25MPa、孔隙率為3.61%、吸水性2.58%和滲透系數(shù)為6 X 10—3cm/s等參數(shù)，采用X射線衍射儀進(jìn)行測定煌斑巖的主要礦物成分:S12占56%，F(xiàn)e0和MgO等氧化物約占24%，其他成分占20%，根據(jù)的煌斑巖的主要化學(xué)成分，選擇相應(yīng)的NaOH化學(xué)溶液，在相同的時間條件下，測試不同濃度溶液對應(yīng)煌斑巖的單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度，將其相應(yīng)兩者的關(guān)系進(jìn)行擬合，同樣在相同濃度溶液的條件下，測試不同時間段內(nèi)煌斑巖的單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度，并將其相應(yīng)兩者關(guān)系進(jìn)行擬合，經(jīng)過擬合結(jié)果確定溶液的濃度，進(jìn)一步，煌斑巖的單軸抗拉強(qiáng)度與化學(xué)溶液作用時間和原始單軸抗壓強(qiáng)度的規(guī)律呈現(xiàn)為:
δ= -11.5821η⑴+ 48.25
S為煌斑巖與化學(xué)溶液作用后的單軸抗壓強(qiáng)度，a為擬合系數(shù)，t為化學(xué)溶液的作用時間，知為煌斑巖的天然單軸抗壓強(qiáng)度。
[0028]五、根據(jù)煌斑巖的孔隙率、吸水性和透水性等相關(guān)參數(shù)和水壓預(yù)裂效果確定向孔內(nèi)注入的注液量為煌斑巖總體積的5%，注液時間2h，并且直接進(jìn)行注液的操作工序。
[0029]六、根據(jù)化學(xué)溶液作用后的煌斑巖的單軸抗拉強(qiáng)度和采煤機(jī)的截割性能，確定采煤機(jī)的合理截深和工作面正常循環(huán)進(jìn)度，在煌斑巖的標(biāo)準(zhǔn)試件的物理化學(xué)試驗中，煌斑巖的主要化學(xué)成分為S12,大約占28%-56%，經(jīng)過步驟四中的擬合結(jié)果可以確定為用0.3%-
0.5 %的Na O H溶液，浸泡時間在7天-10天的效果最佳，采煤機(jī)在通過煌斑巖區(qū)域的合理截深為300mm-800mm，為了保護(hù)采煤機(jī)的截齒，取值應(yīng)小于理論中的取值。
[0030]實施例2
一、利用震波CT技術(shù)探明某礦B厚煤層中的煌斑巖分布規(guī)律和存在范圍，其形狀近似于圓形，其平均直徑約為102m，距離回風(fēng)巷道最近的的地方為35.6m。
[0031]二、在回風(fēng)平巷和運輸平巷沿煤壁，利用前期煤層注水的鉆孔，在鉆孔中進(jìn)行開槽，為了達(dá)到更好的效果，在前期設(shè)計注水鉆孔間的距離為5-8m，上下兩巷的鉆孔要相間設(shè)置，而且兩面所有的鉆孔與煤壁水平向下方向的夾角為8°-15°，向下的角度不僅有效的增加預(yù)裂長度而且在后期注入化學(xué)溶液的過程中可以減少浪費，每個鉆孔用開槽鉆每隔5m開一個“V”型槽，在孔內(nèi)每個“V”型槽和其相應(yīng)的孔壁稱為一個組，從孔的最底端開始為第一個組，向孔口處分別為第二個，第三個……第η個，開槽鉆現(xiàn)在在本領(lǐng)域的使用廣泛，結(jié)構(gòu)和性能相關(guān)專業(yè)人員了解。
[0032]三、將注水封孔器與高壓注水管路相連接，管路的另一端與高壓注水栗連接，首先將注水封水器置于第一組鉆孔的兩端，然后開啟高壓注水栗通過封孔器進(jìn)行注水預(yù)裂，注水的致裂時間為210s，在該時間段的說壓力的峰值為50MPa，第一組進(jìn)行致裂完成后，對第二組進(jìn)行致裂，以此類推直至完成全部組，在致裂的過程中要對注水壓力進(jìn)行實時監(jiān)測。
[0033]四、對煌斑巖進(jìn)行取樣測試，按照實驗規(guī)程，測定煌斑巖的單軸抗壓強(qiáng)度為50.25MPa、孔隙率為2.98%、吸水性2.12%和滲透系數(shù)為5.2 X 10—3cm/s等參數(shù)，采用X射線衍射儀進(jìn)行測定煌斑巖的主要礦物成分:S12占48%，F(xiàn)eO、MgO和K2O等氧化物約占29%，其他成分占23%，根據(jù)的煌斑巖的主要化學(xué)成分，選擇相應(yīng)的NaOH化學(xué)溶液，在相同的時間條件下，測試不同濃度溶液對應(yīng)煌斑巖的單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度，將其相應(yīng)兩者的關(guān)系進(jìn)行擬合，同樣在相同濃度溶液的條件下，測試不同時間段內(nèi)煌斑巖的單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度，并將其相應(yīng)兩者關(guān)系進(jìn)行擬合，經(jīng)過擬合結(jié)果確定溶液的濃度，煌斑巖的單軸抗拉強(qiáng)度與化學(xué)溶液作用時間和原始單軸抗壓強(qiáng)度的規(guī)律呈現(xiàn)為:δ= -9.9671n(t)+ 50.12
式中，S為煌斑巖與化學(xué)溶液作用后的單軸抗壓強(qiáng)度，a為擬合系數(shù)，t為化學(xué)溶液的作用時間，知為煌斑巖的天然單軸抗壓強(qiáng)度。
[0034]五、根據(jù)煌斑巖的孔隙率、吸水性和透水性等相關(guān)參數(shù)和水壓預(yù)裂效果確定向孔內(nèi)注入的注液量為煌斑巖總體積的5%，注液時間2h，并且直接進(jìn)行注液的操作工序。
[0035]六、根據(jù)化學(xué)溶液作用后的煌斑巖的單軸抗拉強(qiáng)度和采煤機(jī)的截割性能，確定采煤機(jī)的合理截深和工作面正常循環(huán)進(jìn)度，在煌斑巖的標(biāo)準(zhǔn)試件的物理化學(xué)試驗中，煌斑巖的主要化學(xué)成分為S12,大約占28%-56%，經(jīng)過步驟四中的擬合結(jié)果可以確定為用0.3%-
0.5 %的Na O H溶液，浸泡時間在7天-10天的效果最佳，采煤機(jī)在通過煌斑巖區(qū)域的合理截深為300mm—800mm，為了保護(hù)采煤機(jī)的截齒，取值應(yīng)小于理論中的取值。
【主權(quán)項】
1.一種厚煤層煌斑巖水平分段水壓致裂化學(xué)改性方法，所述方法是按以下步驟進(jìn)行的: (1)利用震波CT技術(shù)探明厚煤層中煌斑巖的分布規(guī)律和存在范圍； (2)在回風(fēng)平巷和運輸平巷沿煤壁，利用前期煤層注水的鉆孔，在鉆孔中進(jìn)行開槽，并在前期設(shè)計注水鉆孔間距離為5-8m，上下兩巷的鉆孔要相間設(shè)置，且兩面所有的鉆孔與煤壁水平向下方向夾角為8°_15°，每個鉆孔用開槽鉆每隔5m開一 “V”型槽，在孔內(nèi)每一 “V”型槽和其相應(yīng)的孔壁為一組，從孔的最底端開始為第一組，向孔口處分別為第二組，第三組……第η組； (3)將注水封孔器與高壓注水管相連，水管另一端與高壓注水栗相連，首先將注水封水器置于第一組鉆孔的兩端，然后開啟高壓注水栗通過封孔器進(jìn)行注水預(yù)裂，注水致裂時間為240s，注水水壓力為45-50MPa，第一組進(jìn)行致裂完成后，對第二組進(jìn)行致裂，以此類推直至完成全部組致裂，在致裂過程中對注水壓力進(jìn)行實時監(jiān)測； (4)對煌斑巖進(jìn)行取樣測試，按照實驗規(guī)程，測定煌斑巖的單軸抗壓強(qiáng)度、孔隙率、吸水性和透水性的相關(guān)參數(shù)，采用X射線衍射儀進(jìn)行黃斑巖礦物成分測定，根據(jù)煌斑巖化學(xué)成分，選擇相應(yīng)的化學(xué)溶液，在相同的時間條件下，測試不同濃度溶液對應(yīng)煌斑巖的單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度，將其相應(yīng)兩者的關(guān)系進(jìn)行擬合；同樣在相同濃度溶液的條件下，測試不同時間段內(nèi)煌斑巖的單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度，并將其相應(yīng)兩者關(guān)系進(jìn)行擬合，經(jīng)過擬合結(jié)果確定溶液濃度； (5)根據(jù)煌斑巖的孔隙率、吸水性和透水性的相關(guān)參數(shù)和水壓預(yù)裂效果，確定向孔內(nèi)注入的注液量和注液時間，然后進(jìn)行注液； (6)根據(jù)化學(xué)溶液作用后的煌斑巖單軸抗拉強(qiáng)度和采煤機(jī)的截割性能，確定采煤機(jī)的合理截深和工作面正常循環(huán)進(jìn)度。
【文檔編號】E21F5/00GK105952448SQ201610502871
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】楊永康, 張彥斌, 康天合, 季春旭, 郭澤峰, 張智敏
【申請人】太原理工大學(xué)