水泥基复合材料带压注浆封孔测压技术研究

摘要

造成瓦斯压力测定成功率较低除了人为因素等原因之外，其中一个重要的原因就是测压封孔不严密，目前封孔存在的主要问题有：封孔的起始位置选择不合理、封孔长度难以确定、封孔工艺和注浆压力不合理、封孔材料不适用，难以封堵巷道周围煤岩体的裂隙等。本文通过对与煤层瓦斯压力测定中封孔质量密切相关的巷道周围煤岩体应力应变及蠕变效应、封孔注浆材料、封孔起始位置、封孔长度和注浆压力进行理论、数值模拟计算、实验室实验以及现场工程应用检验等方面的研究。
　　本研究主要内容包括：⑴对巷道周围岩体物理力学特性进行研究，之后进行了巷道周边应力应变以及塑性区的数值模拟，同时对成庄煤矿煤巷的蠕变效应进行研究，得出了巷道蠕变效应对钻孔密封性的影响，找出了合理的封孔起始位置（钻孔孔口向里6.8m以上）和合理的封孔长度（11m），为达到改善封孔效果，准确测定煤层瓦斯压力奠定了理论基础。得出了埋深越深、巷道断面越大，蠕变效应对巷道的影响越大，弹塑性区的范围也就越大，因而在封孔时必须考虑埋深和巷道断面因素对封孔起始位置和封孔长度的影响。⑵对钻孔周边应力应变进行了数值模拟研究，得出了钻孔周边应力应变及塑性区模型。封孔距离较短时时，选择球形注浆理论，封孔距离较长时，选择柱面注浆理论，本文采用柱面注浆理论进行注浆研究，并建立了钻孔注浆模型。⑶加入了复配早强剂与缓凝剂改性后，超细硫铝酸盐注浆材料性能有了很大的提高，优化选取早强改性剂、流动性改性剂和煤体表面浸润性改善剂的配比，使得掺加了多种外加剂的硫铝酸盐注浆材料可以保证注浆材料注入煤体后能够以较快的速度反应凝结，同时产生较强的抗压强度以及在注入煤体前具有良好的流动性，同时超细化以后注浆材料对于微裂隙的充填也有很好的效果，且凝固后体积也并未出现收缩。⑷通过对成庄矿的现场本煤层钻孔测压真实情况进行数值模拟和实测验证，研究了巷道蠕变效应对钻孔封孔起始位置以及封孔段长度的影响。采用了注改性后的硫铝酸盐水泥基注浆材料进行现场注浆封孔试验，试验结果表明：改性后的超细硫铝酸盐水泥基注浆材料可以对煤壁裂隙进行扩散充填，且填充效果良好。采用数值模拟确定了合理的注浆压力5MPa。采用―两堵一注‖封孔方式压注改性后的硫铝酸盐水泥基注浆材料的封孔技术进行压力测定的结果为0.24MPa-0.63MPa，对比先前矿上测得的相对瓦斯压力值不到0.1MPa提高了2-6倍，实测的煤层瓦斯压力值与根据实测瓦斯含量间接计算得到的煤层瓦斯压力吻合度高，相对误差2.04％-10.71%，平均为5.85%。

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1. 引言

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 存在的问题

1.4 研究内容和方法

2 巷道蠕变效应对封孔起始位置和封孔长度的影响研究

2.1 巷道周围岩体的力学性质

2.2 围压对岩体变形特征的影响

2.4 不考虑蠕变效应的巷道周围应力应变数值模拟研究

2.5 考虑蠕变效应的巷道弹塑性区研究

2.6 本章小结

3钻孔密封理论研究

3.1钻孔周边的应力应变理论研究

3.2钻孔塑性区对钻孔封孔的影响

3.3渗透注浆扩散理论

3.4 钻孔周边裂隙注浆密封模型

3.5 本章小结

4 硫铝酸盐水泥基注浆材料性能和改性剂研究

4.1 注浆材料材质选择

4.2 超细化对注浆材料性能的影响

4.3 硫铝酸盐水泥基注浆材料改性剂研究

4.4 本章小结

5 煤与水泥基注浆材料界面研究

5.1 实验方法

5.2 煤-水泥石界面过渡区分析

5.3 界面形成机理

5.4 煤-水泥石界面改善研究

5.5 本章小结

6 顺层钻孔封孔与测压技术研究以及工程应用

6.1测压封孔存在的问题

6.2顺层钻孔测压关键技术及装备工程应用

6.3 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 创新点

7.2 工作展望

参考文献

作者简历

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