本發(fā)明涉及煤巖層加固領(lǐng)域，具體涉及一種含弱結(jié)構(gòu)體煤巖層固化成孔方法

背景技術(shù)：

在我國一次能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)中，煤炭占據(jù)主導(dǎo)地位，在總消費量中的占比為65％左右，這一比例遠遠高于世界平均水平30％。隨著一次能源消費結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，盡管煤炭所占的比重不斷下降，但總量還在保持增長，據(jù)預(yù)測在未來的半個世紀內(nèi)煤炭仍將是我國能源安全的重要支撐。

但由于我國煤層賦存條件復(fù)雜多變，含瓦斯煤層多，煤層瓦斯含量和煤層瓦斯壓力大，因而我國煤炭工業(yè)長期受到各種自然災(zāi)害的威脅，嚴重影響著礦井的安全生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展。瓦斯災(zāi)害即是煤礦開采過程中最嚴重的災(zāi)害之一，尤其是近年來隨著開采深度的不斷增加，礦井瓦斯涌出強度不斷增大，大量淺部低瓦斯礦井逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦咄咚沟V井，據(jù)統(tǒng)計2010年全國突出礦井煤炭產(chǎn)量3.825億噸，約占全國煤礦產(chǎn)量32.4億噸位的11.8％。高瓦斯礦井煤炭產(chǎn)量估計約占30％左右。

為此，我國《煤礦瓦斯抽采暫行規(guī)定》(2012年)第三條規(guī)定:“開采高瓦斯及有煤與瓦斯突出危險的煤層(松軟煤層)必須先抽采瓦斯，抽采效果達到標準要求后方可安排采掘作業(yè)?！蹦壳埃覈卫砀咄咚购屯怀雒簩幼钇毡榈霓k法是對開采工作面煤層瓦斯提前預(yù)抽，并輔以鉆孔造穴、水力壓裂、水力割縫、深孔預(yù)裂爆破等增透技術(shù)。但煤巖長鉆孔過泥巖、構(gòu)造帶和軟煤層是公認的技術(shù)難題，在含弱結(jié)構(gòu)體的煤巖層鉆孔鉆進過程中，經(jīng)常發(fā)生噴孔、塌孔、堵孔、卡鉆、夾鉆等動力失穩(wěn)現(xiàn)象，致使成孔難，成孔率低，鉆進深度淺，嚴重制約著高瓦斯和突出礦井的瓦斯治理效果。

目前煤礦井下鉆孔失穩(wěn)的解決方法主要包括方面：一是從鉆進工藝上采取措施保障成孔率，如壓風(fēng)排屑鉆進、干濕混合鉆進等；二是使用套管以保證成孔，但套管護孔材料供應(yīng)、運輸工作量較大，且在松軟煤層中起拔困難；三是改進鉆具，提高成孔效果，如采用大功率的鉆機和三角形、螺旋形等異形鉆桿提高排渣效率。但上述方法都無法從根本上解決過弱結(jié)構(gòu)煤巖長鉆孔動力失穩(wěn)問題。

近年來，生物巖土工程學(xué)作為一門新興的交叉學(xué)科得到迅速發(fā)展。利用微生物改善巖土體性能具有巨大的應(yīng)用潛能。MICP原位灌漿技術(shù)—即通過向原位巖土體中灌注特定微生物制備的菌液以及膠結(jié)溶液(通常為尿素-Ca²⁺混合液)，使微生物誘導(dǎo)形成的碳酸鈣沉積在孔隙、裂隙中，從而將松散含弱結(jié)構(gòu)體的巖土體膠結(jié)起來，使其得到加固。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是基于MICP原位灌漿技術(shù)這一研究成果，提出一種含弱結(jié)構(gòu)體煤巖層固化成孔方法，對含弱結(jié)構(gòu)體煤巖層注入巴氏生孢八疊球菌，誘導(dǎo)其在鉆孔周圍軟弱煤巖層孔隙、裂隙中生成碳酸鈣結(jié)晶，人為改善鉆孔壁圍巖松軟特性的研究思路。一方面微生物吸附于鉆孔周圍的孔隙及裂隙表面，高效誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀，使煤(巖)層內(nèi)表面黏合膠結(jié)，將松軟特性的圍巖固化膠結(jié)形成具有一定力學(xué)性能的整體，增強孔壁圍巖強度；另一方面，微生物漿液為溶液或懸濁液，漿液粘度低、流動性好、滲透性強，與化學(xué)處理方法相比極限注漿壓力小、固化半徑大及鉆孔圍巖膠結(jié)強度可調(diào)控；此外，微生物漿液成本低、污染友好，屬于低能耗、低排放材料。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種含弱結(jié)構(gòu)體煤巖層固化成孔方法，包括以下步驟：

1、鉆進若干固化孔：固化孔根據(jù)欲加固煤巖層弱結(jié)構(gòu)體范圍進行布置。首先根據(jù)注漿試驗確定極限注漿壓力，即注漿終壓P_max，然后計算漿液擴散半徑r，再據(jù)此選擇固化孔布置方式：單排孔或多排孔方式布置。

2、利用注漿管向固化孔內(nèi)依次加壓注菌液、固定液和膠結(jié)液，通過MICP原位灌漿技術(shù)誘導(dǎo)碳酸鈣結(jié)晶，并控制菌液濃度和膠結(jié)液成分以形成特定的膠結(jié)形式，從而具備較高的膠結(jié)強度。采用間歇性分步注漿法，向固化孔內(nèi)帶壓注漿，即先向固化孔中注入菌液，然后以每立方米弱結(jié)構(gòu)體固化體積每分鐘灌入10-15L的速度灌入固定液CaCl₂，利用Ca²⁺的絮凝作用實現(xiàn)微生物在圍巖中的均勻固定，以每立方米弱結(jié)構(gòu)體固化體積每分鐘灌入2-6L的速度灌入膠結(jié)液尿素-Ca²⁺混合液，膠結(jié)液連續(xù)灌漿24h后間歇24h，使得附存在圍巖孔隙及裂隙中的微生物誘導(dǎo)促進碳酸鈣晶體析出。通過控制灌漿速度、漿液濃度和漿液成分等控制膠結(jié)物質(zhì)沉淀的沉淀速率、產(chǎn)量及結(jié)晶形態(tài)。

3、待微生物漿液將固化孔周圍的裂隙和弱結(jié)構(gòu)固結(jié)后，再在該固化位置按照后續(xù)工序組織生產(chǎn)。

本發(fā)明的步驟1中確定極限注漿壓力，即注漿終壓P_max有以下考慮：

漿液的擴散能力主要取決于注漿壓力的大小。因此，在保證注漿質(zhì)量的前提下，盡量采用較高的注漿壓力，以提高灌漿深度減少固化孔數(shù)量。高注漿壓力還可使煤巖層中的弱結(jié)構(gòu)體中的微細孔隙張開，提高漿液的可注性。但注漿壓力過高，超過極限注漿壓力后，會導(dǎo)致跑漿現(xiàn)象嚴重，并破壞鉆孔圍巖結(jié)構(gòu)，進而對固化巖體造成不利影響。

注漿壓力根據(jù)注漿試驗曲線確實，實驗過程中逐步提高注漿壓力，繪制注漿壓力與注漿量之間的關(guān)系曲線，當(dāng)注漿壓力升至某一值p_max時，注漿量突然增大，表明煤巖層已發(fā)生劈裂，因而這一注漿壓力定為注漿終壓。

實踐中采用定壓注漿，當(dāng)注漿壓力接近或達到注漿終壓時，結(jié)束注漿。

注漿壓力的取值需遵循小于注漿終壓，即：

p≤p_max

上式中，p為注漿壓力，p_max為注漿終壓。

本發(fā)明步驟(1)的漿液擴散半徑r計算如下：

上式中，k為漿液在圍巖中的滲透系數(shù)，cm/s；r₀為注漿管半徑，cm；p為注漿壓力，10⁵Pa；t為注漿時間，s；β為漿液黏度，Pa·s；n為巖層的孔隙率，一般取0.5％～3.0％。

本發(fā)明步驟1中，根據(jù)注漿結(jié)果及各類鉆孔過弱結(jié)構(gòu)區(qū)域范圍確定注漿孔布置方案，有兩種布置方式：

在以下工程條件下，注漿孔單排布置：單一煤層或局部區(qū)域瓦斯治理鉆孔；穿層瓦斯抽采鉆孔；單一薄煤層大面積條帶或全面積均勻布孔等鉆孔/群小區(qū)域內(nèi)過含弱結(jié)構(gòu)體煤巖層鉆進成孔時，需先進行多排孔注漿加固。

在以下工程條件下，注漿孔多排布置：大面積煤巖層鉆孔群；防治突出鉆孔/群；揭煤多排鉆孔；采掘工作面超前鉆孔等鉆孔/群大范圍過含弱結(jié)構(gòu)體煤巖層鉆進成孔時，需先進行多排孔注漿加固。

本發(fā)明的步驟(2)使用的菌液中產(chǎn)脲酶細菌為巴氏芽孢桿菌，保藏于中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心，保藏編號：CGMCC No.1.3687。

本發(fā)明步驟(2)是利用注漿管向孔內(nèi)依次加壓注菌液、固定液和膠結(jié)液。不同漿液的灌漿順序為：菌液→固定液→膠結(jié)液。菌液濃度OD₆₀₀＝2.0，固定液濃度＝0.05mol/L，膠結(jié)液濃度＝0.4～1.0mol/L。

其中，固化液主要成分是CaCl₂。膠結(jié)液主要成分為等摩爾濃度的鈣鹽、尿素溶液，鈣鹽為CaCl₂、Ca(CH₃COO)₂等至少一種。以CaCl₂作為鈣源時，碳酸鈣晶型以六面體的方解石為主，碳酸鈣產(chǎn)率較大，產(chǎn)物結(jié)構(gòu)更加密實；以Ca(CH₃COO)₂為鈣源時，碳酸鈣晶型以針簇狀的文石為主，固化后的鉆孔圍巖抗拉強度更大，孔徑分布更加均勻。

本發(fā)明步驟2需要調(diào)節(jié)培養(yǎng)條件控制膠結(jié)物質(zhì)的沉淀速率、產(chǎn)量及結(jié)晶形態(tài)。細菌適宜的生存溫度(T＝20℃～37℃)，溫度越高，脲酶活性越高，一般井下煤巖層溫度滿足微生物代謝要求，無需調(diào)節(jié)。細菌適宜的生存PH＝6.0～9.0，使用0.1mol/L的NaOH和HCl溶液進行調(diào)節(jié)。

本發(fā)明步驟3需要待微生物漿液將固化孔周圍的裂隙和弱結(jié)構(gòu)固結(jié)后，再在預(yù)設(shè)位置施工。注漿壓力達到設(shè)計要求時，停止注漿。退出注漿管并回填封堵固化孔。含弱結(jié)構(gòu)體煤巖層中的孔隙、裂隙被誘導(dǎo)生成的碳酸鈣充填和粘結(jié)，施工區(qū)域中的弱結(jié)構(gòu)體固結(jié)成具有一定強度和自身的承載能力的整體，為后期生產(chǎn)作業(yè)鉆孔高效成孔提供了有力保障。

本發(fā)明步驟3在預(yù)設(shè)位置施工的內(nèi)容可包括瓦斯測壓孔、壓裂鉆孔或抽采鉆孔等過泥巖、構(gòu)造帶或軟煤層煤巖深孔鉆進作業(yè)。

可見，本發(fā)明通過鉆孔向原位裂隙巖體中灌注菌液，并提供豐富的Ca²⁺及氮源的營養(yǎng)鹽，微生物在注漿壓力及自身運動作用下，沿裂隙擴散、滲流到軟弱煤巖層鉆孔孔壁細小裂縫和孔隙中，通過調(diào)控微生物代謝條件，使微生物在適宜生存條件下大量繁殖，并誘導(dǎo)控制其以自身為晶核在孔隙及裂隙中快速析出大量具有優(yōu)異膠結(jié)性能的方解石型碳酸鈣結(jié)晶，從而將松散的含弱結(jié)構(gòu)體的煤巖層膠結(jié)起來，使其形成具有一定力學(xué)性能的整體。這樣本發(fā)明通過布置少量固化孔即實現(xiàn)對于含弱結(jié)構(gòu)區(qū)域的有效固化，為提高水力壓裂、瓦斯抽采、瓦斯壓力測壓孔成孔率，防治鉆孔發(fā)生動力失穩(wěn)現(xiàn)象提供了有力保障。

本發(fā)明針含弱結(jié)構(gòu)體煤巖層深孔鉆進技術(shù)提出的一種固化成孔方法，通過MICP原位注漿技術(shù)，實現(xiàn)了對于鉆孔周圍軟弱煤巖體的強化改造，可以提高鉆孔周圍松軟煤巖層的力學(xué)性能，本發(fā)明不僅易于實現(xiàn)、價格低廉，而且是一項綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的工程技術(shù)，對于提高壓裂鉆孔、抽采鉆孔和測壓鉆孔等井下鉆孔專業(yè)成孔率，保證相關(guān)作業(yè)順利實施，解決松軟煤巖層深孔鉆進過程中的動力失穩(wěn)問題具有重要意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的注漿施工循環(huán)圖。

圖2是本發(fā)明的注漿施工順序圖。

圖3是本發(fā)明的單排孔鉆孔布置圖。

圖4是本發(fā)明的鉆孔受力示意圖。

圖5是本發(fā)明的多排孔布置及排間最優(yōu)搭配示意圖。

圖6是圖5的I部放大圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明：

如圖1、圖2、圖3所示，含弱結(jié)構(gòu)體煤巖層固化成孔方法包括以下步驟：

確定鉆場位置后，根據(jù)圖1注漿施工循環(huán)圖表：

I準備：首先進行準備工作，鉆機就位之前，對鉆孔所需的材料、工具和設(shè)備進行檢查并確保及時到位，正常工作；安檢員、瓦檢員隨時測定空氣成分保證作業(yè)環(huán)境安全并及時與調(diào)度室聯(lián)系。

Ⅱ搬入：準備工作完成后，進行搬入工作：平整、墊實安裝場地，搬入并安裝鉆孔設(shè)備。

Ⅲ安排：設(shè)備就位后，根據(jù)設(shè)計進行安排施工工作：根據(jù)施工工藝流程安排各施工人員作業(yè)內(nèi)容。

Ⅳ鉆孔布置：相關(guān)技術(shù)人員及工人依據(jù)設(shè)計進行確定鉆孔的位置、方位、深度和數(shù)量；進行注漿試驗確定極限注漿壓力，即注漿終壓P_max，然后計算漿液擴散半徑r，再據(jù)此選擇固化孔布置方式：單排孔或多排孔方式布置。

如圖3所示，單排孔注漿圓球必須相交才能形成一定厚度。厚度b按下式計算：

b＝2×R_p

上式中，b為注漿體厚度；R_p為鉆孔圍巖塑性區(qū)半徑。

鉆孔圍巖塑性區(qū)半徑R_p按下式計算，鉆孔受力示意圖如圖4：

上式中，式中，r_a為鉆孔半徑；p₀為圍壓，Pa；p_i為鉆孔內(nèi)壓力，Pa；其中為內(nèi)摩擦角，°；其中c為內(nèi)聚力，N。

固化孔孔距l(xiāng)的取值根據(jù)下式：

上式中，l為固化孔孔距。

對于多排孔布置：

當(dāng)l接近于零時，仍不能滿足要求，或采用多排孔注漿固化孔鉆孔數(shù)量比單排孔更少，應(yīng)考慮采用多排孔注漿。多排孔布置及排間最優(yōu)搭配如圖5和圖6所示，排距R_m按下式取值：

R_m＝r+R_p

多排孔最大注漿有效厚度B_m的計算式如下：

奇數(shù)排：B_m＝(N-1)r+(N+1)R_p，N為奇數(shù)

偶數(shù)排：B_m＝Nr+NR_p，N為偶數(shù)。

Ⅴ鉆探：確定注漿鉆孔信息后，進行鉆探：技術(shù)員向施工人員貫徹施工措施后進行開鉆。

Ⅵ漿液調(diào)配，與此同時，安排人員進行漿液調(diào)：配制菌液、固化液和膠結(jié)液。

Ⅶ封堵鉆孔：鉆孔完畢后，根據(jù)設(shè)計確定鉆孔內(nèi)部注漿范圍(圖2中a所示)，插入注漿管，封堵鉆，將注漿管接入注漿系統(tǒng)，進行注漿工作，利用注漿管向孔內(nèi)依次加壓注菌液、固定液和膠結(jié)液，通過MICP原位灌漿技術(shù)誘導(dǎo)碳酸鈣結(jié)晶，并控制菌液濃度和膠結(jié)液成分以形成特定的膠結(jié)形式，從而具備較高的膠結(jié)強度。采用間歇性分步注漿法，向固化孔內(nèi)帶壓注漿，即先向鉆孔圍巖中注入一定量的菌液，然后低速注入低濃度的CaCl₂溶液(固定液)，利用Ca²⁺的絮凝作用實現(xiàn)微生物在圍巖中的均勻固定，最后以低速間歇性注入膠結(jié)液(尿素-Ca²⁺溶液)，使得附存在圍巖孔隙及裂隙中的微生物誘導(dǎo)促進碳酸鈣晶體析出。通過控制灌漿速度、漿液濃度和漿液成分等控制膠結(jié)物質(zhì)沉淀的沉淀速率、產(chǎn)量及結(jié)晶形態(tài)。漿液灌注完畢后，拔出注漿管(圖2中d所示)，回填注漿鉆孔(圖2中e所示)保證密封質(zhì)量。

Ⅷ移動安裝：完成注漿作業(yè)后，移動安裝設(shè)，進入下一鉆場。

Ⅸ后續(xù)工作、Ⅹ搬離設(shè)備：原作業(yè)鉆場，進行后續(xù)工，即在該固化位置按照后續(xù)工序組織生產(chǎn)，并搬離鉆探及注漿設(shè)備。

本方法一方面微生物吸附于鉆孔周圍的孔隙及裂隙表面，高效誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀，使煤(巖)層內(nèi)表面黏合膠結(jié)，將松軟特性的圍巖固化膠結(jié)形成具有一定力學(xué)性能的整體，增強孔壁圍巖強度；另一方面，微生物漿液為溶液或懸濁液，漿液粘度低、流動性好、滲透性強，與化學(xué)處理方法相比極限注漿壓力小、固化半徑大及鉆孔圍巖膠結(jié)強度可調(diào)控；此外，微生物漿液成本低、污染友好，屬于低能耗、低排放材料。

本發(fā)明中的實施例并非對本發(fā)明的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍。