一种含弱结构体煤岩层固化成孔方法技术

本发明专利技术涉及一种含弱结构体煤岩层固化成孔方法，步骤包括：1.钻进若干固化孔：固化孔根据欲加固煤岩层弱结构体范围进行布置；2.利用注浆管向孔内依次加压注菌液、固定液和胶结液，通过MICP原位灌浆技术诱导碳酸钙结晶；3.待微生物浆液将固化孔周围的裂隙和弱结构固结后，再在该固化位置按照后续工序组织生产。本方法一方面微生物吸附于钻孔周围的孔隙及裂隙表面，高效诱导碳酸钙沉淀，使煤(岩)层内表面黏合胶结，将松软特性的围岩固化胶结形成具有一定力学性能的整体，增强孔壁围岩强度；另一方面，微生物浆液为溶液或悬浊液，浆液粘度低、流动性好、渗透性强，与化学处理方法相比极限注浆压力小、固化半径大及钻孔围岩胶结强度可调控。

【技术实现步骤摘要】
一种含弱结构体煤岩层固化成孔方法
本专利技术涉及煤岩层加固领域，具体涉及一种含弱结构体煤岩层固化成孔方法
技术介绍
在我国一次能源生产和消费结构中，煤炭占据主导地位，在总消费量中的占比为65％左右，这一比例远远高于世界平均水平30％。随着一次能源消费结构的不断优化，尽管煤炭所占的比重不断下降，但总量还在保持增长，据预测在未来的半个世纪内煤炭仍将是我国能源安全的重要支撑。但由于我国煤层赋存条件复杂多变，含瓦斯煤层多，煤层瓦斯含量和煤层瓦斯压力大，因而我国煤炭工业长期受到各种自然灾害的威胁，严重影响着矿井的安全生产和可持续发展。瓦斯灾害即是煤矿开采过程中最严重的灾害之一，尤其是近年来随着开采深度的不断增加，矿井瓦斯涌出强度不断增大，大量浅部低瓦斯矿井逐渐转变为高瓦斯矿井，据统计2010年全国突出矿井煤炭产量3.825亿吨，约占全国煤矿产量32.4亿吨位的11.8％。高瓦斯矿井煤炭产量估计约占30％左右。为此，我国《煤矿瓦斯抽采暂行规定》(2012年)第三条规定:“开采高瓦斯及有煤与瓦斯突出危险的煤层(松软煤层)必须先抽采瓦斯，抽采效果达到标准要求后方可安排采掘作业。”目前，我国治理高瓦斯和突出煤层最普遍的办法是对开采工作面煤层瓦斯提前预抽，并辅以钻孔造穴、水力压裂、水力割缝、深孔预裂爆破等增透技术。但煤岩长钻孔过泥岩、构造带和软煤层是公认的技术难题，在含弱结构体的煤岩层钻孔钻进过程中，经常发生喷孔、塌孔、堵孔、卡钻、夹钻等动力失稳现象，致使成孔难，成孔率低，钻进深度浅，严重制约着高瓦斯和突出矿井的瓦斯治理效果。目前煤矿井下钻孔失稳的解决方法主要包括方面：一是从钻进工艺上采取措施保障成孔率，如压风排屑钻进、干湿混合钻进等；二是使用套管以保证成孔，但套管护孔材料供应、运输工作量较大，且在松软煤层中起拔困难；三是改进钻具，提高成孔效果，如采用大功率的钻机和三角形、螺旋形等异形钻杆提高排渣效率。但上述方法都无法从根本上解决过弱结构煤岩长钻孔动力失稳问题。近年来，生物岩土工程学作为一门新兴的交叉学科得到迅速发展。利用微生物改善岩土体性能具有巨大的应用潜能。MICP原位灌浆技术—即通过向原位岩土体中灌注特定微生物制备的菌液以及胶结溶液(通常为尿素-Ca2+混合液)，使微生物诱导形成的碳酸钙沉积在孔隙、裂隙中，从而将松散含弱结构体的岩土体胶结起来，使其得到加固。
技术实现思路
本专利技术是基于MICP原位灌浆技术这一研究成果，提出一种含弱结构体煤岩层固化成孔方法，对含弱结构体煤岩层注入巴氏生孢八叠球菌，诱导其在钻孔周围软弱煤岩层孔隙、裂隙中生成碳酸钙结晶，人为改善钻孔壁围岩松软特性的研究思路。一方面微生物吸附于钻孔周围的孔隙及裂隙表面，高效诱导碳酸钙沉淀，使煤(岩)层内表面黏合胶结，将松软特性的围岩固化胶结形成具有一定力学性能的整体，增强孔壁围岩强度；另一方面，微生物浆液为溶液或悬浊液，浆液粘度低、流动性好、渗透性强，与化学处理方法相比极限注浆压力小、固化半径大及钻孔围岩胶结强度可调控；此外，微生物浆液成本低、污染友好，属于低能耗、低排放材料。本专利技术采用如下技术方案：一种含弱结构体煤岩层固化成孔方法，包括以下步骤：1、钻进若干固化孔：固化孔根据欲加固煤岩层弱结构体范围进行布置。首先根据注浆试验确定极限注浆压力，即注浆终压Pmax，然后计算浆液扩散半径r，再据此选择固化孔布置方式：单排孔或多排孔方式布置。2、利用注浆管向固化孔内依次加压注菌液、固定液和胶结液，通过MICP原位灌浆技术诱导碳酸钙结晶，并控制菌液浓度和胶结液成分以形成特定的胶结形式，从而具备较高的胶结强度。采用间歇性分步注浆法，向固化孔内带压注浆，即先向固化孔中注入菌液，然后以每立方米弱结构体固化体积每分钟灌入10-15L的速度灌入固定液CaCl2，利用Ca2+的絮凝作用实现微生物在围岩中的均匀固定，以每立方米弱结构体固化体积每分钟灌入2-6L的速度灌入胶结液尿素-Ca2+混合液，胶结液连续灌浆24h后间歇24h，使得附存在围岩孔隙及裂隙中的微生物诱导促进碳酸钙晶体析出。通过控制灌浆速度、浆液浓度和浆液成分等控制胶结物质沉淀的沉淀速率、产量及结晶形态。3、待微生物浆液将固化孔周围的裂隙和弱结构固结后，再在该固化位置按照后续工序组织生产。本专利技术的步骤1中确定极限注浆压力，即注浆终压Pmax有以下考虑：浆液的扩散能力主要取决于注浆压力的大小。因此，在保证注浆质量的前提下，尽量采用较高的注浆压力，以提高灌浆深度减少固化孔数量。高注浆压力还可使煤岩层中的弱结构体中的微细孔隙张开，提高浆液的可注性。但注浆压力过高，超过极限注浆压力后，会导致跑浆现象严重，并破坏钻孔围岩结构，进而对固化岩体造成不利影响。注浆压力根据注浆试验曲线确实，实验过程中逐步提高注浆压力，绘制注浆压力与注浆量之间的关系曲线，当注浆压力升至某一值pmax时，注浆量突然增大，表明煤岩层已发生劈裂，因而这一注浆压力定为注浆终压。实践中采用定压注浆，当注浆压力接近或达到注浆终压时，结束注浆。注浆压力的取值需遵循小于注浆终压，即：p≤pmax上式中，p为注浆压力，pmax为注浆终压。本专利技术步骤(1)的浆液扩散半径r计算如下：上式中，k为浆液在围岩中的渗透系数，cm/s；r0为注浆管半径，cm；p为注浆压力，105Pa；t为注浆时间，s；β为浆液黏度，Pa·s；n为岩层的孔隙率，一般取0.5％～3.0％。本专利技术步骤1中，根据注浆结果及各类钻孔过弱结构区域范围确定注浆孔布置方案，有两种布置方式：在以下工程条件下，注浆孔单排布置：单一煤层或局部区域瓦斯治理钻孔；穿层瓦斯抽采钻孔；单一薄煤层大面积条带或全面积均匀布孔等钻孔/群小区域内过含弱结构体煤岩层钻进成孔时，需先进行多排孔注浆加固。在以下工程条件下，注浆孔多排布置：大面积煤岩层钻孔群；防治突出钻孔/群；揭煤多排钻孔；采掘工作面超前钻孔等钻孔/群大范围过含弱结构体煤岩层钻进成孔时，需先进行多排孔注浆加固。本专利技术的步骤(2)使用的菌液中产脲酶细菌为巴氏芽孢杆菌，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号：CGMCCNo.1.3687。本专利技术步骤(2)是利用注浆管向孔内依次加压注菌液、固定液和胶结液。不同浆液的灌浆顺序为：菌液→固定液→胶结液。菌液浓度OD600＝2.0，固定液浓度＝0.05mol/L，胶结液浓度＝0.4～1.0mol/L。其中，固化液主要成分是CaCl2。胶结液主要成分为等摩尔浓度的钙盐、尿素溶液，钙盐为CaCl2、Ca(CH3COO)2等至少一种。以CaCl2作为钙源时，碳酸钙晶型以六面体的方解石为主，碳酸钙产率较大，产物结构更加密实；以Ca(CH3COO)2为钙源时，碳酸钙晶型以针簇状的文石为主，固化后的钻孔围岩抗拉强度更大，孔径分布更加均匀。本专利技术步骤2需要调节培养条件控制胶结物质的沉淀速率、产量及结晶形态。细菌适宜的生存温度(T＝20℃～37℃)，温度越高，脲酶活性越高，一般井下煤岩层温度满足微生物代谢要求，无需调节。细菌适宜的生存PH＝6.0～9.0，使用0.1mol/L的NaOH和HCl溶液进行调节。本专利技术步骤3需要待微生物浆液将固化孔周围的裂隙和弱结构固结后，再在预设位置施工。注浆压力达到设计要求时，停止注浆。退出注浆本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含弱结构体煤岩层固化成孔方法，其特征在于，该方法步骤如下：步骤1，钻进若干固化孔：固化孔根据欲加固煤岩层弱结构体范围进行布置，首先根据注浆试验确定极限注浆压力，即注浆终压P

【技术特征摘要】
1.一种含弱结构体煤岩层固化成孔方法，其特征在于，该方法步骤如下：步骤1，钻进若干固化孔：固化孔根据欲加固煤岩层弱结构体范围进行布置，首先根据注浆试验确定极限注浆压力，即注浆终压Pmax，然后计算浆液扩散半径r，再根据浆液扩散半径r选择固化孔布置方式：单排孔或多排孔方式布置；步骤2，利用注浆管向固化孔内依次加压注菌液、固定液和胶结液通过MICP原位灌浆技术诱导碳酸钙结晶，并控制菌液浓度和胶结液成分以形成胶结形式，采用间歇性分步注浆法，向固化孔内带压注浆，即先向固化孔中注入菌液，然后以每立方米弱结构体固化体积每分钟灌入10-15L的速度灌入固定液CaCl2，利用Ca2+的絮凝作用实现微生物在围岩中的均匀固定，以每立方米弱结构体固化体积每分钟灌入2-6L的速度灌入胶结液尿素-Ca2+混合液，胶结液连续灌浆24h后间歇24h，使得附存在围岩孔隙及裂隙中的微生物诱导促进碳酸钙晶体析出；所述菌液中产脲酶细菌为巴氏生孢八叠球菌(Sporosarcinapasteurii)，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号：CGMCCNo.1.3687；所述菌液浓度OD600＝2.0，固定液浓度＝0.05mol/L，胶结液浓度＝0.4～1.0mol/L；控制细菌适宜的生存条件：温度(T＝20℃～37℃)，PH＝6.0～9.0，使用NaOH和HCl调节PH；步骤3,待微生物浆液将固化孔周围的裂隙和弱结构固结后，再在该固化位置按照后续工序组织生产。2.根据权利要求1所述的含弱结构体煤岩层固化成孔方法，其特征在于：步骤1所述根据注浆试验确定极限注浆压力，即注...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋晨鹏，卢义玉，张旋，张守平，葛兆龙，夏彬伟，汤积仁，贾云中，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50