摘要:采礦鉆探主要施工的地層是由沉積巖構(gòu)成,這種地層主要包括復(fù)雜的礦物地層和松散的沖積巖層,其土質(zhì)松軟且水敏性較強(qiáng),因此,一旦鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)要穿過(guò)這些沉積巖,就會(huì)打破該地底巖層的原始平衡,造成不良后果,給采礦鉆探帶來(lái)了極大的困難。因此,在施工時(shí),必須要切實(shí)做好鉆孔護(hù)臂的堵漏工作。
關(guān)鍵詞:采礦鉆探;化學(xué)漿液;護(hù)臂堵漏
中圖分類(lèi)號(hào):TD263 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-2374(2013)14-0096-02
1 脲醛樹(shù)脂注漿材料在采礦鉆探過(guò)程對(duì)鉆孔護(hù)臂進(jìn)行“快速堵漏”
作為一種水溶性樹(shù)脂,脲醛樹(shù)脂在酸性條件下可以迅速凝固并形成一種具有一定機(jī)械強(qiáng)度的固結(jié)體,因此,它適合用作鉆孔護(hù)臂堵漏的化學(xué)漿液注漿材料。
(1)脲醛樹(shù)脂是由尿素和甲醛水溶液合成的一種聚合物,原料極易獲得,且成本低、配置簡(jiǎn)單,還能人為地調(diào)節(jié)控制其性能和固化時(shí)間,是一種毒素較低的化學(xué)注漿材料。近年來(lái),人們通過(guò)對(duì)脲醛樹(shù)脂生產(chǎn)工藝、性能調(diào)整以及注漿設(shè)備等方面進(jìn)行研究,多將其應(yīng)用在鉆孔護(hù)臂堵漏的技術(shù)上。
(2)尿素與甲醛的反應(yīng)包括反應(yīng)、縮聚和固化三個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)階段。首先,是在弱堿或弱酸性介質(zhì)中,尿素與甲醛發(fā)生加成反應(yīng),生成脲的羥甲基(-CH?2OH)衍生物;接著,開(kāi)始進(jìn)行縮合反應(yīng),得到縮聚的初產(chǎn)物——脲醛樹(shù)脂;最后,在使用時(shí),以鹽酸等酸性催化劑將樹(shù)脂固化成不溶的固結(jié)體。
這種脲醛樹(shù)脂的固結(jié)體呈網(wǎng)狀體型結(jié)構(gòu),且在固化時(shí),由兩個(gè)時(shí)間段組成。首先是在酸性催化劑加入后,使脲醛樹(shù)脂失去流動(dòng)性,這段時(shí)間被稱(chēng)為初凝時(shí)間;然后是酸性催化劑的加入,使得脲醛樹(shù)脂失去彈性,這段時(shí)間被稱(chēng)為終凝時(shí)間。此外,為了使脲醛樹(shù)脂的固化體具有一定的機(jī)械強(qiáng)度,在終凝之后,一般還需將固化在水中養(yǎng)護(hù)16~24h。
實(shí)驗(yàn)證明,脲醛樹(shù)脂的固化過(guò)程與酸性催化劑的強(qiáng)弱和用量密切相關(guān)。其中,伴隨強(qiáng)酸濃度的增加,脲醛樹(shù)脂的凝固時(shí)間相應(yīng)縮短;并且,當(dāng)弱酸的濃度一定時(shí),脲醛樹(shù)脂的固化時(shí)間伴隨其用量的增加而縮短。目前常用的酸性催化劑是濃度在3%~36%之間的工業(yè)純鹽酸和硫酸,可以將初凝時(shí)間控制在幾秒到數(shù)十分鐘的范圍之內(nèi)。此外,在灌注漿液時(shí)還應(yīng)考慮到孔內(nèi)溫度的影響,實(shí)驗(yàn)證明,脲醛樹(shù)脂的固化速度隨著溫度的升高而加快。
(3)目前在脲醛生產(chǎn)過(guò)程中,常采取向脲醛內(nèi)加入苯酚或苯酚-聚乙烯醇等材料來(lái)改變尿素與甲醛反應(yīng)生成物化學(xué)結(jié)構(gòu)的方法,達(dá)到提高脲醛樹(shù)脂強(qiáng)度和韌性的目的。由于苯酚的加入,使得羥甲基苯酚參與到羥甲基脲進(jìn)行混合接枝以及鑲嵌的過(guò)程,進(jìn)而改善樹(shù)脂的粘結(jié)力和機(jī)械強(qiáng)度。
其中在脲醛固化過(guò)程中,添加苯酚對(duì)樹(shù)脂物力機(jī)械性能的影響見(jiàn)表1:
2 水玻璃注漿材料在采礦鉆探過(guò)程中對(duì)鉆孔護(hù)臂進(jìn)行堵漏
水玻璃是一種能夠溶于水的硅酸鹽,價(jià)格較低,貨源豐富,配置簡(jiǎn)便,因而仍然是目前鉆探過(guò)程中大量使用的一種無(wú)機(jī)類(lèi)的注漿材料。
(1)水玻璃是由堿金屬和二氧化硅依照不同比例組合而成。常用的水玻璃有硅酸鈉(Na2O·nSiO2)和硅酸鉀(K2O·nSiO2)等。一般將組成水玻璃的二氧化硅與金屬氧化物的克分子摩爾數(shù)之比叫做模數(shù),用M來(lái)表示。當(dāng)M=1時(shí),水玻璃能在常溫水中溶解;伴隨M的增加,能夠溶解水玻璃的水溫也相應(yīng)增加;當(dāng)M>3時(shí),水玻璃的溶解需要在4×105Pa以上的蒸汽當(dāng)中進(jìn)行。當(dāng)M較低時(shí),水玻璃晶體分組較多,因而粘結(jié)能力比較差;而當(dāng)M數(shù)較高時(shí),水玻璃交替組合相應(yīng)增加,同時(shí)提高了水玻璃的粘結(jié)力,但與之對(duì)應(yīng)的溶解溫度也在增大。綜合考慮,當(dāng)M值處于2.0~3.5之間時(shí),水玻璃的粘結(jié)力和溶解性均達(dá)到一個(gè)最佳狀態(tài)。
(2)通常狀態(tài)下,水玻璃的粘度隨著溫度的降低而下降,其模數(shù)會(huì)隨著水玻璃濃度的增加而上升。此外,為了加速水玻璃的硬化,常常向水玻璃中加入占其重量12%~15%的硅氟酸鈉,以加快其凝結(jié)速度。
3 利用聚丙酰胺漿液的全絮凝作用,達(dá)到對(duì)鉆孔護(hù)臂堵漏的效果
該過(guò)程是利用聚丙酰胺的完全絮凝,將清水從粗泥漿中分離出來(lái)并迅速漏走,保留絮凝物堵在裂隙之中達(dá)到堵漏的作用。這種對(duì)鉆孔護(hù)臂絮凝堵漏的方法操作簡(jiǎn)便,成本低廉,適合在孔壁易塌、裂隙漏水或者活石比較多的地段加以應(yīng)用。
其中用于絮凝堵漏的聚丙酰胺漿液的具體配方是:取1000ppm的PHP(濃度為1%)以及5~10kg的惰性材料,從孔口直接灌入到粘度為308/m3、相對(duì)密度為1.2kg/m3以上的普通泥漿中,再進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄嚢?,然后保?6h的靜止時(shí)間,便可達(dá)到堵漏的效果。
采礦鉆探過(guò)程中,當(dāng)?shù)貙勇┦闆r比較嚴(yán)重時(shí),為了提高漿液的濃度,可以適當(dāng)向聚丙酰胺漿液中加入6%左右的水泥;當(dāng)?shù)貙拥牧严侗容^大時(shí),可以適當(dāng)向聚丙酰胺漿液中加入0.1%~1%的水玻璃進(jìn)行調(diào)和;至于一般裂隙較小的鉆探地層,可以在漿液中加入少量的惰性材料適當(dāng)降低灌注漿液的濃度。
4 堵漏鉆孔的布置以及風(fēng)控注漿泵的選用
一般采取鉆頭直徑在65mm的便攜式防突鉆機(jī)打孔,并根據(jù)合成樹(shù)脂9~10m的致密區(qū),將堵漏鉆孔的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)在6~8m的范圍之內(nèi),保持其傾角、方位與抽采鉆孔一致,位置則設(shè)計(jì)在抽采鉆孔左上方,兩者距離在0.3m左右。
封孔注漿泵一般選用額定流量為0~24L/min、注漿壓力為0~6MPa的2ZBQ-9/3型雙液注漿泵,該設(shè)備結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定、質(zhì)量輕便、操作簡(jiǎn)單,并且可以同時(shí)輸送兩種介質(zhì),注漿效率極高。
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作者簡(jiǎn)介:曹曉軍(1987—),男,山西朔州人,供職于山西平朔集團(tuán)井工一礦綜采隊(duì),研究方向:煤礦開(kāi)采技術(shù)。
(責(zé)任編輯:文 森)
中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)·綜合版2013年5期