煤礦封閉火區(qū)滲透注漿過程中漿液擴(kuò)散半徑的影響因素分析及應(yīng)用

陳 琛 王孟飛 屈英杰 劉振乾

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

礦井火災(zāi)是礦山五大災(zāi)害之一，對(duì)礦工的健康和生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國(guó)正在開采的煤層中，有大約80%為容易自燃煤層。目前我國(guó)礦井的主要防滅火方法有灌漿防滅火技術(shù)、均壓防滅火技術(shù)等。其中，灌漿技術(shù)由于其成本低、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。通過灌漿，不僅可以充填采空區(qū)和煤巖中的裂隙，還可以對(duì)煤體起到一定的降溫作用，使防滅火效果更好。但在以往的灌漿過程中，只突出了一個(gè)“灌”字，浪費(fèi)了大量的灌漿材料和人力資源，同時(shí)也影響了礦井的安全生產(chǎn)。漿液擴(kuò)散半徑表征的是以灌漿鉆孔為原點(diǎn)的漿液充填范圍的大小，決定著灌漿鉆孔的布置、漿液消耗量等其他參數(shù)。因此，良好的灌漿技術(shù)，依賴于對(duì)影響擴(kuò)散半徑的因素進(jìn)行深入研究。朱俞仿基于平板裂隙灌漿模型，考慮了裂隙傾角對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響；韓磊等進(jìn)行了大壩灌漿過程模擬，得出滲透系數(shù)和孔隙度對(duì)擴(kuò)散半徑均有影響。但是現(xiàn)有研究均是對(duì)影響擴(kuò)散半徑的某一因素進(jìn)行分析，與實(shí)際工程應(yīng)用中多影響因素相互作用不相適應(yīng)。因此，本文根據(jù)漿液擴(kuò)散半徑計(jì)算的基礎(chǔ)理論，對(duì)多影響因素相互關(guān)聯(lián)下的擴(kuò)散半徑進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，以期獲得土水比、灌漿壓力、灌漿鉆孔半徑、裂隙度等對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響，并提出了具體的灌漿技術(shù)參數(shù)，為滅火實(shí)踐提供理論參考。

1 漿液擴(kuò)散半徑計(jì)算的理論基礎(chǔ)

在灌漿過程中，漿液的擴(kuò)散半徑在很大程度上受漿液粘度的影響。粘度不同，計(jì)算出的擴(kuò)散半徑差別很大。在計(jì)算擴(kuò)散半徑的過程中，可以分為在注漿過程中漿液粘度不變或者變化很小和漿液粘度顯著變化兩種情況。

1.1 注漿過程中漿液粘度不變或變化很小

根據(jù)平板注漿模擬試驗(yàn)臺(tái)，并應(yīng)用牛頓流體內(nèi)摩擦阻力定律，在裂隙中注漿漿液擴(kuò)散半徑計(jì)算公式為：

(1)

式中：R——漿液擴(kuò)散半徑，cm；

t——注漿時(shí)間，s；

P2——注漿孔內(nèi)壓力，Pa；

P1——受注裂縫內(nèi)地下水壓力，Pa；

b——裂縫寬度，cm；

μ——漿液粘度，Pa·s；

r——注漿孔半徑，cm。

式(1)的計(jì)算基礎(chǔ)為注漿過程中漿液是牛頓流體，流動(dòng)符合牛頓內(nèi)摩擦定律。但事實(shí)上漿液在流動(dòng)的過程中不止受到內(nèi)摩擦力，還受到流體本身剪應(yīng)力的影響，并且其粘度也會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化。因此，由式(1)計(jì)算出的漿液擴(kuò)散半徑略大于實(shí)際值。為了消除計(jì)算值偏大的影響，在式(1)的基礎(chǔ)上乘上一個(gè)修正系數(shù)σ(0<σ<1)；利用灌漿進(jìn)行防滅火時(shí)，忽略存在地下水的影響，因此式(1)中的P1為0 Pa。綜合以上兩個(gè)假設(shè)，式(1)變?yōu)椋?/p>

(2)

1.2 注漿過程中漿液粘度顯著變化

研究表明，在灌漿滅火工程中，對(duì)于漿液材料粘度變化大的液體而言，漿液粘度對(duì)時(shí)間變化的擬合方程為：

μ(t)=KeAt

(3)

式中：μ——漿液的動(dòng)力粘度，Pa·s；

K，A——待定常數(shù)，由漿液性質(zhì)決定。

結(jié)合式(1)和式(3)，可得出粘度顯著變化時(shí)漿液注漿的擴(kuò)散半徑的理論計(jì)算公式：

(4)

2 不同因素對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響分析

為了分析灌漿過程中，擴(kuò)散半徑與土水比、灌漿壓力、鉆孔半徑和裂隙度的關(guān)系，必須對(duì)不同條件下的漿液擴(kuò)散半徑進(jìn)行計(jì)算并分析結(jié)果。筆者以平板注漿模擬結(jié)果為模型，根據(jù)式(2)和式(4)編制鉆孔灌漿計(jì)算程序進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并采取控制變量法對(duì)各因素對(duì)擴(kuò)散半徑的影響進(jìn)行逐一計(jì)算。

2.1 漿液土水比對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響

當(dāng)灌漿鉆孔半徑為50 mm，裂隙度為50 mm，灌漿時(shí)間為10 min，灌漿壓力分別為0.5 MPa、1 MPa、2 MPa時(shí)，得到不同土水比下的漿液擴(kuò)散半徑趨勢(shì)圖，如圖1所示。

圖1 不同土水比與擴(kuò)散半徑對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

由圖1可以看出，當(dāng)灌漿時(shí)間、裂隙度等參數(shù)固定不變時(shí)，不同的灌漿壓力下，擴(kuò)散半徑和土水比的關(guān)系近似為一條直線，但是其斜率較小。以壓力為1 MPa時(shí)為例，土水比由1∶2減小到1∶4時(shí)，擴(kuò)散半徑由56.8199 m增加到65.8121 m，土水比降低一半，擴(kuò)散半徑僅增加0.16倍左右。這說明擴(kuò)散半徑雖然隨著土水比的減小而呈增加趨勢(shì)，但是增加得較為緩慢。

一般情況下，水土比大，漿液稀，漿液粘度小，易于輸送，輸送距離長(zhǎng)，漿液擴(kuò)散半徑大，但容易造成水土分離和跑漿，不能有效地進(jìn)行充填，漿液無法把碎煤塊包裹，達(dá)不到預(yù)防滅火目的；水土比小，漿液粘度大，流動(dòng)性差，輸送距離短，容易造成管道的堵塞和過度磨損，漿液的擴(kuò)散半徑小，增加灌漿成本。

2.2 灌漿壓力對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響

當(dāng)灌漿鉆孔半徑為50 mm，裂隙度為50 mm，灌漿時(shí)間為10 min，土水比分別為1∶2、1∶3、1∶4、1∶5時(shí)，得到不同灌漿壓力的漿液擴(kuò)散半徑趨勢(shì)圖，如圖2所示。由圖2可以看出，隨著灌漿壓力的增大，漿液擴(kuò)散半徑也不斷增大。以土水比為1∶4時(shí)為例，灌漿壓力為1 MPa所對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散半徑是灌漿壓力為0.5 MPa時(shí)的1.37倍，灌漿壓力為2 MPa所對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散半徑是灌漿壓力為0.5 MPa時(shí)的1.87倍。很顯然，灌漿壓力對(duì)擴(kuò)散半徑的影響較漿液土水比更顯著。

圖2 不同灌漿壓力與擴(kuò)散半徑對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

隨著灌漿壓力的增大，擴(kuò)散半徑也會(huì)增大，這樣鉆孔的數(shù)目便會(huì)減少，會(huì)大大地降低防滅火灌漿工程的工程量。但是，灌漿壓力也不宜過大，不然可能會(huì)出現(xiàn)跑漿等現(xiàn)象，并且摧毀一些隔離煤柱和密閉墻，嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)。

2.3 鉆孔半徑對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響

當(dāng)灌漿壓力為1 MPa，裂隙度為50 mm，灌漿時(shí)間為10 min，土水比為1∶2、1∶3、1∶4時(shí)，得到不同鉆孔半徑下的漿液擴(kuò)散半徑趨勢(shì)圖，如圖3所示。

圖3 不同鉆孔半徑與擴(kuò)散半徑對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

由圖3可以看出，當(dāng)灌漿時(shí)間、裂隙度等灌漿參數(shù)不變時(shí)，擴(kuò)散半徑和鉆孔半徑的關(guān)系近似為一條直線，斜率為正值且該條線斜率很小。這說明，擴(kuò)散半徑隨著鉆孔半徑的增加而慢增加，并且增加得很緩慢。以土水比為1∶4時(shí)為例，鉆孔半徑由2 cm增加到8 cm，擴(kuò)散半徑僅由60.728 m增加到了68.365 m，僅增加了原來的0.12倍。由此可見，鉆孔半徑對(duì)擴(kuò)散半徑的影響甚小，在實(shí)際灌漿防滅火工程中不應(yīng)該通過過大的鉆孔半徑來提高擴(kuò)散半徑，這樣會(huì)大大地增加鉆孔的工程量，而取得的效果甚微。

2.4 裂隙度對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響

當(dāng)灌漿壓力為2 MPa，鉆孔半徑為50 mm，灌漿時(shí)間為10 min，土水比分別為1∶3、1∶4時(shí)，得到不同裂隙度下的漿液擴(kuò)散半徑，并繪制出不同土水比下不同裂隙度與漿液擴(kuò)散半徑的關(guān)系圖，如圖4所示。

圖4 不同裂隙度與擴(kuò)散半徑對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

由圖4可以看出，當(dāng)灌漿時(shí)間、灌漿壓力、鉆孔半徑等參數(shù)不變時(shí)，擴(kuò)散半徑和裂隙度的關(guān)系近似為一條直線，并且斜率很大。這說明，當(dāng)裂隙度增大時(shí)，擴(kuò)散半徑也會(huì)增大，且增大幅度較大，即裂隙度對(duì)擴(kuò)散半徑的影響是很大的。以土水比為1∶4時(shí)為例，裂隙度由2 cm增加到8 cm時(shí)，擴(kuò)散半徑便由原來的59.4939 m增加到111.3815 m，整整增加了0.87倍。很明顯，裂隙度對(duì)擴(kuò)散半徑的影響要比鉆孔半徑對(duì)擴(kuò)散半徑的影響大得多。但是，裂隙度主要取決于煤層頂板巖性、分層厚度、巖石強(qiáng)度以及冒矸壓實(shí)程度等，該值很難人為改變。

綜合圖1～圖4可以看出，土水比、灌漿壓力、鉆孔半徑、裂隙度均對(duì)漿液擴(kuò)散半徑有一定的影響，但是影響程度大小不一。其中，灌漿壓力、鉆孔半徑和裂隙度都和漿液擴(kuò)散半徑是正比關(guān)系，漿液擴(kuò)散半徑隨著它們的增大而有不同程度的增大。漿液土水比和擴(kuò)散半徑是反比關(guān)系，漿液擴(kuò)散半徑隨著土水比的增大而減小，這主要是因?yàn)殡S著土水比的增大，漿液中的水分逐漸減少，使得漿液粘度增加，從而使得擴(kuò)散半徑有所減小。從圖中的斜率來看，裂隙度對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響最大，灌漿壓力次之，漿液土水比再次之，鉆孔半徑對(duì)擴(kuò)散半徑的影響最小。

3 實(shí)踐應(yīng)用

山西雁兒崖煤礦414盤區(qū)14-2#煤層厚度2.52～2.58 m，平均煤層厚度2.5 m。盤區(qū)全長(zhǎng)1000 m，盤區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，工作面走向長(zhǎng)在200～1000 m之間，于1995—2000年采畢。該礦救護(hù)隊(duì)巡巷時(shí)發(fā)現(xiàn)414盤區(qū)51412、51414巷永久密閉附近溫度異常，最高溫度78℃。礦通風(fēng)隊(duì)立即在51412、51414巷口重新構(gòu)筑了兩道防火密閉。14-2#煤層因開采面積大，開采年限長(zhǎng)，火區(qū)位置以及上覆11#煤層遭小窯破壞情況現(xiàn)已無法確定，故不能采用惰化和均壓滅火技術(shù)滅火。通過分析，認(rèn)為采用灌漿系統(tǒng)滅火方法簡(jiǎn)單，見效快，同時(shí)414盤區(qū)上覆山頭黃土覆蓋較厚，土源豐富，因此利用靜壓水方便的優(yōu)點(diǎn)，便于灌漿滅火。

因此，決定采用前述理論與數(shù)值分析結(jié)論，應(yīng)用地面灌漿防滅火成果對(duì)該區(qū)域進(jìn)行灌漿滅火。根據(jù)對(duì)漿液擴(kuò)散范圍的研究，頂板為砂質(zhì)巖時(shí)泥漿的流動(dòng)距離在70 m以上，因此本盤區(qū)設(shè)計(jì)的泥漿流動(dòng)距離為70 m。414盤區(qū)全長(zhǎng)1000 m，設(shè)計(jì)灌漿面積為S=1000×70=70000 m2；經(jīng)計(jì)算灌漿所需土量為31500 m3；泥漿的水土比取3∶1，需水量為113400 m3；總灌漿量為164660 m3。灌漿120 d，灌漿量為1372.2 m3/d，每天灌注21 h，灌漿量為65.34 m3/h，每孔灌漿量為13722 m3。

該礦通過修建灌漿系統(tǒng)，并向采空區(qū)密閉灌漿孔進(jìn)行堵漏隔離灌漿，灌漿順序由盤區(qū)兩側(cè)向盤區(qū)中央采空區(qū)處依次灌漿。在灌漿施工過程中及灌漿結(jié)束后，對(duì)14-2#煤層414盤區(qū)采空區(qū)火區(qū)每4 d進(jìn)行溫度和有害氣體濃度監(jiān)測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，滅火工程結(jié)束兩個(gè)月后，孔內(nèi)溫度己接近常溫，CO等氣體濃度已低于《煤礦安全規(guī)程》所規(guī)定的允許氣體濃度，達(dá)到了規(guī)定的火區(qū)熄滅標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

本文利用鉆孔灌漿計(jì)算程序進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)影響漿液擴(kuò)散半徑的因素進(jìn)行了分析，得出影響漿液擴(kuò)散半徑的因素主要有注漿壓力、鉆孔半徑、裂隙度和漿液土水比，并且裂隙度對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響最大，灌漿壓力次之，漿液土水比再次之，鉆孔半徑對(duì)擴(kuò)散半徑的影響最小。通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，證實(shí)了理論和數(shù)值分析的效果。

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