CO2泡沫与自修复浆液联合修复抽采钻孔裂隙的施工方法

co2泡沫与自修复浆液联合修复抽采钻孔裂隙的施工方法
技术领域
1.本发明属于煤矿瓦斯抽采领域，具体涉及一种co2泡沫与自修复浆液联合修复抽采钻孔裂隙的施工方法。


背景技术：

2.目前，煤矿瓦斯抽采使用的封孔材料主要有粘土（黄泥）类、水泥基材料、高水材料、聚氨酯材料四种类型。
3.粘土（黄泥）类材料是使用最早的封孔材料，来源于广泛分布的质地细密、富有可塑性的半干粘土、 黄泥或黄泥—水泥混合物。此类封材料价格低廉、施工操作相对简单，但粘性较大，容易与钻孔孔壁粘连形成空隙漏气，且不易送到指定位置，不适于深孔封孔，已经很少采用。
4.水泥砂浆封孔。传统的水泥浆液凝固时间较长，且在固化的过程中会脱水、收缩，易使水泥封孔体内部产生裂隙，裂隙会不断扩展发育致使封孔段完全失效。
5.高水材料封孔。高水材料具有高水灰比迅速固化、强度提升较快、微膨胀性等优点。但是在钻孔周围裂隙的渗透性较差，抽采后期仍会开裂产生裂隙且不具有自修复力。
6.聚氨酯封孔。聚氨酯会在钻孔内发生化学反应，使聚氨酯快速膨胀，膨胀力增大了钻孔的径向作用力，这种作用力反向推动聚氨酯渗入裂隙，起到封堵钻孔的效果。但是受井下条件和聚氨酯材料在混合均匀40-60s后就开始反应的限制，封孔长度只有4m，不能有效的避开巷道的松动圈产生的裂隙进入钻孔内，直接导致瓦斯抽采浓度偏低，抽采浓度衰减快。
7.瓦斯抽采过程中受采动应力影响，钻孔孔壁周围的裂隙带会进一步扩张、发育，钻孔内的封堵材料也会产生裂隙，在抽放负压的作用下外界空气易从这些裂隙通道进入钻孔内，致使瓦斯抽采浓度下降。可见，采用现有的注浆材料进行裂缝修复施工时，一旦产生裂纹致使钻孔漏气，抽采效果会急剧下降，就需要重新打钻封孔，造成了极大的财力物力损失。因此，现急需一种能够能够有效修复抽采钻孔裂隙的施工方法，以提高瓦斯抽采效果。


技术实现要素：

8.为了解决现有技术的不足，本发明旨在提供一种co2泡沫与自修复浆液联合修复抽采钻孔裂隙的施工方法，本方法通过在钻孔密封端注入具有自修复特性的浆液材料，此浆液凝固可与co2和空气中的水分发生络合反应生成矿物质沉淀，从而实现裂隙的自动修复，进而提高钻孔瓦斯抽采浓度。
9.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种co2泡沫与自修复浆液联合修复抽采钻孔裂隙的施工方法，包括以下步骤：1）封孔前检查：对钻孔进行检查，确保钻孔完好且通畅；2）在瓦斯抽放管的首端和尾端对应套设封孔器，把封孔器的囊袋固定在瓦斯抽放管上；
3）将注浆管贯穿两个囊袋固定在瓦斯抽放管上，且注浆管在两个囊袋处设有对应的出浆口；两个囊袋之间、处于中部密封端的注浆管上设有爆破阀；并将回浆管伸入中部的密封端固定在注浆管上；4）将固定好封孔器和注浆管的瓦斯抽放管一起送到预定煤孔深度；5）将注浆管与注浆装置的注浆泵连通，注浆装置与气源连接，并调整好注浆装置的气压阀；6）向注浆装置中倒入清水，打开注浆装置的搅拌器，并倒入硅酸盐水泥和金属螯合剂混合的自修复浆液配料，搅拌完成后开始注浆；7）浆液通过出浆口首先注入两端囊袋，待囊袋浆液注满后继续注浆致使爆破阀爆破，浆液开始注入中间密封段，直至回浆管有浆液流出，此时关闭回浆管端口处的第二单向阀；8）停止注浆后，将钻孔口处注浆管堵死，之后去除注浆管，单孔注浆完成；9）待浆液凝固后连接抽采系统，定期对瓦斯抽采钻孔的瓦斯浓度、负压、流量进行检测；10）发现钻孔周围壁面或钻孔内部出现裂缝，导致钻孔漏气，致使瓦斯抽采浓度降低时，利用co2泡沫喷洒系统向钻孔围岩壁面喷射co2泡沫，co2泡沫渗入裂缝内与自修复材料反应生成新的结晶体自动修复裂隙。
10.其中，步骤2)中囊袋通过铁丝扎紧固定在瓦斯抽放管上。
11.步骤3)中注浆管与囊袋对应的出浆口处安装有第一单向阀。
12.步骤6)中浆液配料的物料成份为95%普通硅酸盐水泥和5%金属螯合剂。
13.步骤6)中金属螯合剂采用edta四钠。
14.步骤6)中自修复浆液的料水重量比为1：0.7。
15.步骤7)中爆破阀设定的爆破压力值为0.5mpa。
16.本发明具有的有益效果为：本发明提出的施工方法通过向钻孔中注入具有自修复特性的浆液材料，使得浆液凝固后一旦出现裂纹，便可与空气中的水分及co2发生络合反应生成矿物质沉淀，从而实现裂隙的自动修复。同时，利用co2泡沫喷洒系统向钻孔围岩壁面喷射co2泡沫，进一步封堵围岩裂隙通道，并为自修复浆液提供充足的co2气源，强化浆液的自修复能力，促使裂缝内生成大量难溶性晶体，从而封堵裂隙，提高瓦斯抽采效果。
附图说明
17.图1为本发明的施工作业示意图；图2为本发明瓦斯抽采负压作用下钻孔裂隙漏气模型；图3为本发明裂隙处络合沉淀反应机理。
具体实施方式
18.如图1所示，本发明提出了一种co2泡沫与自修复浆液联合修复抽采钻孔裂隙的施工方法，包括以下步骤：1)封孔前检查：对钻孔进行检查，确保钻孔完好且通畅，为安装封堵材料做准备。
19.2)在瓦斯抽放管3伸入钻孔内的首端和尾端对应套设封孔器，把封孔器的囊袋5通过铁丝扎紧固定在瓦斯抽放管3上。瓦斯抽放管3与瓦斯抽取器31相连。
20.3)将注浆管2贯穿两个囊袋5固定在瓦斯抽放管3上，并将回浆管4头部伸入中部的密封端处并固定在注浆管2上。其中，注浆管2在两个囊袋5处设有对应的出浆口，注浆管2与囊袋5对应的出浆口处安装有第一单向阀23。两个囊袋5之间、处于中部密封端的注浆管2上设有爆破阀22。注浆管2上还安装有压力表21。注浆管2的头部安装有瓦斯抽采筛管32。
21.4)将固定好封孔器和注浆管2的瓦斯抽放管3一起送到预定煤孔深度。
22.5)将注浆管2与注浆装置的注浆泵1连通，注浆装置与气源连接，并调整好注浆装置的气压阀。
23.6)向注浆装置中倒入清水，打开注浆装置的搅拌器，并倒入物料成份为95%普通硅酸盐水泥和5%金属螯合剂的自修复浆液配料，料水重量比为1：0.7，搅拌完成后开始注浆。金属螯合剂采用edta四钠，其内含活性基团与金属离子之间具有强结合作用。
24.7)注浆时，在第一单向阀23作用下浆液首先通过出浆口注入两端囊袋5。待囊袋5浆液注满后继续注浆，当注浆压力大于0.5mpa时，爆破阀22爆破，浆液开始注入中间的密封段，直至回浆管4有浆液流出，证明密封段浆液注满，此时关闭回浆管4端口处的第二单向阀41。
25.8)停止注浆后，将钻孔口处的注浆管2折死，用铁丝将其固定，去掉注浆管2，单孔注浆完成。
26.9)待浆液凝固后连接抽采系统，定期对瓦斯抽采钻孔的瓦斯浓度、负压、流量等参数进行检测。
27.10)发现钻孔周围壁面或钻孔内部出现裂缝，导致钻孔漏气，致使瓦斯抽采浓度降低时，利用co2泡沫喷洒系统6向钻孔围岩壁面喷射co2泡沫，利用co2泡沫封堵裂隙，同时利用裂缝内渗流的co2强化自修复材料修复效果，促使裂缝内生成大量难溶性晶体，从而封堵裂隙，提高瓦斯抽采效果。
28.如图2-3所示，本发明施工方法利用的自修复裂隙机理为络合-沉淀反应机理。自修复浆液水泥水化产生大量氢氧化钙和c-s-h凝胶，c-s-h凝胶具有包裹作用，导致部分水泥未水化和具有水化活性的物质未反应。当材料受应力产生裂隙时，金属螯合剂通过鳌合作用快速抢占裂隙处的ca
2
，并生成不稳定、易溶于水的钙络合物。钙络合物溶液在裂纹内部扩散，当钙络合物遇到部分未水化水泥、水泥凝胶体等这些具有较高活性的物质时，硅酸根、铝酸根等更稳定物质会夺取钙离子，生成不溶于水的结晶体从而实现裂隙的修复。
29.钙络合物失去钙离子后，金属螯合剂中的活性基团重新恢复活性。水为扩散介质，一旦封堵材料出现裂隙，水等介质进入，金属螯合剂中活性基团就能在裂隙处发生上述反应生成新的结晶体自动修复裂隙，使结构体具有自修复能力。
30.在抽采管内负压的作用下，co2泡沫喷洒系统向瓦斯抽采钻孔孔口围岩外壁喷洒的co2泡沫通过钻孔壁周围相互贯通的裂隙通道被“抽进”钻孔，co2泡沫进入裂隙处高ca
2
区域参与生成caco3，同时也会和上述含ca
2
的络合物反应生成难溶性caco
3，
进而实现裂隙的修复。