钻探注浆在矸石山灭火降温中的技术应用研究_童召军.pdf

钻探注浆在矸石山灭火降温中的技术应用研究童召军 戚钢(山东省煤田地质局第一勘探队 山东 青岛 2 6 6 4 0 4)作者简介童召军(1 9 9 0年),男,汉族,山东科技大学水文与水资源工程专业,工程师,研究方向:水工环。摘 要 治理有自燃情况的矸石山,传统做法是直接挖出热源冷却法、灌浆封闭法、表面封闭和压实法等。本文所研究的矸石山有着高温、高硫、边坡稳定性差等特点,为完成矸石山灭火降温、剥离处理任务,在研究传统治理方法后,采用钻探注浆来解决其突出问题。为提高钻探注浆的效果,本文着重探讨在钻探注浆中用到的空气(氮气)钻进、跟管钻进成孔、灭火注浆材料的配方与配比等工作手段的原理与优点,为业界高效、安全解决矸石山高温自燃问题提供一种新思路。关键词 矸石山;空气(氮气)钻进;跟管钻进;灭火注浆材料 位于山东省境内的某矿矸石山占用大量土地,严重浪费土地资源;目前处于自燃状态,不断向外界挥发大量S O2、H2S等有毒有害气体,严重污染大气;由于堆放工艺的原因,山形呈锥形,在人为开挖和降雨淋滤作用下,容易失稳引发滑坡、泥石流等地质灾害,危及附近居民的安全。因此,解决该矿的矸石山问题刻不容缓。1.矸石山概况1.1矸石山自然形态本矸石堆放场分南北大小两座矸石山。南部的大矸石山东西走向长约3 0 0 m,南北宽约2 0 0 m,矸石山山坡陡峭,凸凹不平,整体呈不规则圆锥状,山顶离地最高处约7 0 m,占地面积约为5 0 0 0 0 m2,矸石总量约为1 1 0 0 0 0 0 m3。北部的小矸石山东西长约2 0 0 m,南北宽约3 5 m,高度约2 0 m,占地面积约7 0 0 0 m2,矸石量 约1 0 0 0 0 0 m3,山 坡 相 对 平 缓,整 体 呈 梯 形 长堤状。1.2矸石山自燃的原因分析内因:本矸石山原矸和洗矸中含硫量均远高于2%(发生自燃的临界值),具有自燃倾向。另外,矸石中黄铁矿含量高,在合适的条件下黄铁矿发生氧化反应释放出大量的热量,会促进煤的低温氧化过程。因此高含硫量、高黄铁矿是导致本矸石山自燃的内因。外因:利用轨道装载车从井下运输煤矸石至堆放场,矸石山由自然下落方式堆积而成,导致堆积松散,孔隙发育。不合理的堆积方式给矸石的持续氧化提供了良好 的 条 件,这 是 导 致 该 矸 石 山 自 燃 的 主 要外因。2.施工方法与顺序经过现场踏勘发现,大小矸石山有高温、高硫、边坡稳定性差等特点。为完成矸石山降温剥离处理,在传统降温灭火治理方法的基础上,创造性地提出了分段覆盖压实、空气(氮气)钻进、跟管钻进成孔、注浆工艺等方法,严格按照以上施工方法,必将能高效、安全地解决矸石山高温自燃问题。施工顺序:先对小矸石山钻探灭火注浆降温,小矸石山灭火降温后,将小矸石山剥离运至大矸石山周围,利用小矸石山的原地材料修筑大矸石山马道,方便钻探、注浆机械的进出,最后进行大矸石山钻探灭火注浆降温。3.分步施工3.1分段覆土压实为应对小矸石山局部高温、边坡不稳、有毒有害气体释放等情况,改善作业人员施工环境,需要覆盖黄土压实遮蔽。为节约覆土,分成南北两段施工。先在小矸石山南半段表面覆土压实,降低局部高温,减少有害气体的挥发。覆土压实后,修筑马道,方便钻机、装载机等机械设备进入场地。南半段施工注浆孔注浆结束,并且灭火注浆结束后,将上部覆土运移至北半段,按照南半段的施工方法覆土压实、注浆降温。3.2注浆孔结构与钻进工艺3.2.1注浆孔结构孔深35 m,孔径1 5 0 mm;套管1 2 7 mm(上部为实管、下部为注浆管),井身结构见图1。3.2.2钻进工艺本工程采用S Y L-2 0 0型钻机。该类型钻机轻便灵活,便于上下钻机,有利于施工安全。考虑到矸石山内部高温易燃、结构松散成孔难等特殊情况,若采用常规的泥浆钻进方法钻进,钻孔孔壁稳定性差,下注浆管极难,经过多种施工方法比较,决定采用氮气潜孔锤跟管钻进技术来攻克这一难题。400DOI:10.16631/15-1331/p.2022.06.002图1 注浆孔结构图3.3钻进工艺原理与优点3.3.1钻进工艺原理(1)氮气潜孔锤钻进原理氮气潜孔锤是一种利用压缩氮气作为动力的风动冲击工具。它所产生的冲击功、冲击频率可以直接作用在钻头上,通过钻机和钻杆的回转驱动,形成对岩石的冲击破碎,同时利用潜孔锤排出的压缩氮气,将破碎后的岩石颗粒排出孔外,从而实现了清孔的目的。(2)跟管钻进技术工作原理该钻进技术的核心是使用偏心钻头,偏心钻头上部安装套管靴,当钻具下钻到孔底后,顺时针方向旋转钻柱,偏心钻头从中心偏离出来,与钻柱同步旋转,套管靴跟随钻进,因此套管随着钻头的前进而随之下降,即可实现跟管钻进目的。当钻进至设计层位,需要上钻时,此时将钻柱逆时针方向旋转,偏心钻头在钻头中心轴偏心的作用下向中心收拢,即可通过套管而将偏心钻具提出孔外。3.3.2钻进工艺优点(1)采用气动(氮气)潜孔锤钻进的优点提高工作效率。空气(氮气)潜孔锤钻进与传统泥浆钻进相比效率明显提高,克服了坍孔问题,减少了环境污染。减少作业人员与设备在矸石山的暴露时间,大大提高工程施工安全性与作业人员的健康。降低火势蔓延和汽爆风险。预测矸石山深部温度达到近千摄氏度,如果使用常规的泥浆钻进,有泥浆高温蒸发发生汽爆的风险,或者使用普通的空气潜孔锤钻进,有可能发生矸石山内部封闭火源遇空气火势蔓延的风险。因此使用(氮气)潜孔锤钻进,用压缩氮气代替压缩空气和泥浆作为钻进时的循环冲洗介质,由于氮气为非助燃气体,可以有效防止矸石山内部火源遇空气蔓延的潜在危害,同时也避免了发生汽爆的风险。(2)采用跟管钻进的优点矸石山结构破碎松散,若使用常规旋转钻进,提出钻具后,孔内容易出现掉块、坍塌,造成孔内堵塞,无法下入套管。而采用跟管钻进,套管与钻头钻杆同步,钻至层位后,反转钻头,提出钻具,套管自然落位,注浆孔成孔。3.4注浆孔布置利用注浆液的扩散半径来确定钻孔的孔距,经验公式如下:L=KH P R2/q t式中:L为注浆液的扩散半径,m;K为煤矸石的渗透系数,c m/s;H为注浆管筛管段的长度,m;q为注浆泵的泵量,m3/m i n;t为注浆时间,m i n;P为注浆压力,MP a;R为钻孔半径,m。煤矸石的渗透系数K根据经验值定为6 0 c m/s,筛管长度H为3 m,钻孔半径R为7 5 mm,注浆泵的额定泵量q为0.2 m3/m i n,注浆1 0 m i n后达到注浆压力1 MP a,将以上数据代入上述公式,得出注浆液的扩散半径L约为1.5 m,所以结合现场施工条件和注浆液扩散半径计算结果,确定注浆钻孔按正方形布设,行列间距各为3 m,注浆孔布设见图2。图2 注浆孔布设示意图4灭火注浆4.1灭火注浆材料配制(见表1)表1灭火注浆材料配比表水固比(重量比)固相比(重量比)水(K g)膨润土(K g)熟石灰(K g)浆液比重(g/m3)浆液粘度(s)2.01418 3 03 3 28 31.2 52 01.91418 2 63 4 88 71.2 72 11.81418 1 93 6 49 11.2 92 21.71418 0 73 8 09 51.3 12 31.61417 9 74 0 01 0 01.3 32 41.51417 8 64 2 01 0 41.3 52 5(下转0 1 3页)500 水文地质、环境地质、工程地质的软件进行处理,然后形成管道内部可视的横断面图。目前新一代的声纳系统主要由水下探头、可视化显示屏以及信号电缆连接线组成。设备启用前必须先将电缆盘固定,确保收线时电缆盘不被拉动,另外,电缆盘的8芯航插通过过线滑轮同X 4 H探头尾部8芯航插连接,用扳手紧固,确保连接无误后上电,开启P i p e S o n a r软件,查看设备状态,确保设备无误后,下井作业。需要注意的是,采用声纳技术对管道进行检测时,管道内水的深度应 3 5 0 m,且管道内没有淤泥。图1 声纳检测设备4.结束语排水管线作为城市建设的基础设施,关系到城市居民健康生活状况,因此,我们需要对排水管线核查方法进行探讨分析,这样助于解决城市的排水和污水问题,对子孙后代均有重要的影响。排水管道的检测基本上都需要技术人员到现场进行人工调查检测,然后将实地检测结果进行详细,解决排水管线问题。对于一些不可视的管线,我们可以采用声纳检测等先进手段,这样可以实现管道内部状况的可视化管理,也可以在很大程度上控制管网的漏水,从而实现经济、环境双重效益。参考文献1石大路立交桥桩基加固施工方案,O L.h t t p s:/j z.d o c i n.c o m/p-2 3 3 2 8 5 3 7 2 6.h t m l.2地下管线探测实施细则,O L.h t t p s:/w ww.d o c 8 8.c o m/p-0 3 4 7 1 5 3 7 0 9 8 9 7.h t m l.3吴杰.地下管线探测方法技术的应用研究J.技术与市场,2 0 1 7(0 8),9 2 9 4.4管道声纳检测系统操作步骤O L.h t t p s:/m p.o f w e e k.c o m/i n s t r u m e n t/a 9 4 5 6 8 3 8 2 7 2 0 6.(上接0 0 5页)4.2灭火注浆工艺4.2.1灭火注浆顺序:按照钻孔布置把所有设计钻孔钻探施工完毕,先对中间钻孔进行注浆,周围钻孔作敞口处理,以确保热量与水蒸气向外界散发,然后以此类推,由中心向外围层层推进,直至全部注浆完毕。4.2.2水固比调整:分析注浆孔的钻探、地质资料,预估注浆量。若某一浓度浆液的注入量已达设计量的2 0%以上,而注浆压力和单位吸浆量无明显变化时,应调浓一级或两级水固比灌注,在注浆后期泵压逐渐升高或吸浆量逐渐减小的情况下,不应改变其水固比。4.2.3注浆注意事项:注浆过程要采用定量定压,孔口压力要小,每个孔每次注浆量要小于5方,并随时观测孔口情况,避免出现水蒸气爆炸现象。当注浆量过大时,采用间歇式注浆方式。4.3单孔注浆结束标准4.3.1单孔设计注浆压力应通过现场灌注试验确定,初步设计注浆压力控制在1 MP a左右。在单孔注浆末期,泵压达到1 MP a时,可结束该孔的注浆施工。4.3.2当注入一定浆量,若地表裂隙出现大量跑浆时,也可结束该孔的注浆施工。5.结论(1)矸石山内部较为松散且高温,常规泥浆钻进容易跑浆、漏浆,泥浆蒸发引发汽爆,本文提出使用气动潜孔锤钻进。又鉴于矸石山内部火源遇空气有火势蔓延风险,将气动潜孔锤的介质空气替换为氮气。(2)矸石山自然堆积,内部结构破碎,如果用常规钻进,提出钻具后,孔内容易出现掉块、坍塌,造成孔内堵塞,无法下入套管。本文提出跟管钻进,套管与钻头钻杆同步,钻至层位后,反转钻头,提出钻具,套管自然落位,注浆孔一次成孔。(3)根据矸石山的温度、裂隙、堆积等情况,本文提出了灭火注浆材料的配方与配比,以及根据注浆压力和单位吸浆量来实时调整浓度配比。根据矸石山的裂隙特点以及以往注浆经验,本文提出了灭火注浆工艺与单孔注浆结束的标准。通过本文所述方法的实际应用,较为高效、安全的实现了矸石堆的治理,也为业内解决矸石山高温自燃问题提供了一种新的思路方法。参考文献1顾强.国内外矸石山灭火技术发展现状与展望J.煤矿环境保护,1 9 9 7,1 2(1):1 2-1 7.2张爱靑.大同矿区煤矸石山自燃防治及高效灭火技术J.洁净煤技术,2 0 1 0,1 6(1):1 1 0-1 1 2.310 水文地质、环境地质、工程地质