一种含弱结构体煤岩层固化成孔方法与流程

本发明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

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明是基于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。

本发明采用如下技术方案：

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P_max，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。

本发明的步骤1中确定极限注浆压力，即注浆终压P_max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p_max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≤p_max

上式中，p为注浆压力，p_max为注浆终压。

本发明步骤(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％。

本发明步骤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。

本发明的步骤(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：CGMCC No.1.3687。

本发明步骤(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。

本发明步骤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。

本发明步骤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。退出注浆管并回填封堵固化孔。含弱结构体煤岩层中的孔隙、裂隙被诱导生成的碳酸钙充填和粘结，施工区域中的弱结构体固结成具有一定强度和自身的承载能力的整体，为后期生产作业钻孔高效成孔提供了有力保障。

本发明步骤3在预设位置施工的内容可包括瓦斯测压孔、压裂钻孔或抽采钻孔等过泥岩、构造带或软煤层煤岩深孔钻进作业。

可见，本发明通过钻孔向原位裂隙岩体中灌注菌液，并提供丰富的Ca²⁺及氮源的营养盐，微生物在注浆压力及自身运动作用下，沿裂隙扩散、渗流到软弱煤岩层钻孔孔壁细小裂缝和孔隙中，通过调控微生物代谢条件，使微生物在适宜生存条件下大量繁殖，并诱导控制其以自身为晶核在孔隙及裂隙中快速析出大量具有优异胶结性能的方解石型碳酸钙结晶，从而将松散的含弱结构体的煤岩层胶结起来，使其形成具有一定力学性能的整体。这样本发明通过布置少量固化孔即实现对于含弱结构区域的有效固化，为提高水力压裂、瓦斯抽采、瓦斯压力测压孔成孔率，防治钻孔发生动力失稳现象提供了有力保障。

本发明针含弱结构体煤岩层深孔钻进技术提出的一种固化成孔方法，通过MICP原位注浆技术，实现了对于钻孔周围软弱煤岩体的强化改造，可以提高钻孔周围松软煤岩层的力学性能，本发明不仅易于实现、价格低廉，而且是一项绿色、环保、可持续发展的工程技术，对于提高压裂钻孔、抽采钻孔和测压钻孔等井下钻孔专业成孔率，保证相关作业顺利实施，解决松软煤岩层深孔钻进过程中的动力失稳问题具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的注浆施工循环图。

图2是本发明的注浆施工顺序图。

图3是本发明的单排孔钻孔布置图。

图4是本发明的钻孔受力示意图。

图5是本发明的多排孔布置及排间最优搭配示意图。

图6是图5的I部放大图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

如图1、图2、图3所示，含弱结构体煤岩层固化成孔方法包括以下步骤：

确定钻场位置后，根据图1注浆施工循环图表：

I准备：首先进行准备工作，钻机就位之前，对钻孔所需的材料、工具和设备进行检查并确保及时到位，正常工作；安检员、瓦检员随时测定空气成分保证作业环境安全并及时与调度室联系。

Ⅱ搬入：准备工作完成后，进行搬入工作：平整、垫实安装场地，搬入并安装钻孔设备。

Ⅲ安排：设备就位后，根据设计进行安排施工工作：根据施工工艺流程安排各施工人员作业内容。

Ⅳ钻孔布置：相关技术人员及工人依据设计进行确定钻孔的位置、方位、深度和数量；进行注浆试验确定极限注浆压力，即注浆终压P_max，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。

如图3所示，单排孔注浆圆球必须相交才能形成一定厚度。厚度b按下式计算：

b＝2×R_p

上式中，b为注浆体厚度；R_p为钻孔围岩塑性区半径。

钻孔围岩塑性区半径R_p按下式计算，钻孔受力示意图如图4：

上式中，式中，r_a为钻孔半径；p₀为围压，Pa；p_i为钻孔内压力，Pa；其中为内摩擦角，°；其中c为内聚力，N。

固化孔孔距l的取值根据下式：

上式中，l为固化孔孔距。

对于多排孔布置：

当l接近于零时，仍不能满足要求，或采用多排孔注浆固化孔钻孔数量比单排孔更少，应考虑采用多排孔注浆。多排孔布置及排间最优搭配如图5和图6所示，排距R_m按下式取值：

R_m＝r+R_p

多排孔最大注浆有效厚度B_m的计算式如下：

奇数排：B_m＝(N-1)r+(N+1)R_p，N为奇数

偶数排：B_m＝Nr+NR_p，N为偶数。

Ⅴ钻探：确定注浆钻孔信息后，进行钻探：技术员向施工人员贯彻施工措施后进行开钻。

Ⅵ浆液调配，与此同时，安排人员进行浆液调：配制菌液、固化液和胶结液。

Ⅶ封堵钻孔：钻孔完毕后，根据设计确定钻孔内部注浆范围(图2中a所示)，插入注浆管，封堵钻，将注浆管接入注浆系统，进行注浆工作，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，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，即先向钻孔围岩中注入一定量的菌液，然后低速注入低浓度的CaCl₂溶液(固定液)，利用Ca²⁺的絮凝作用实现微生物在围岩中的均匀固定，最后以低速间歇性注入胶结液(尿素-Ca²⁺溶液)，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。浆液灌注完毕后，拔出注浆管(图2中d所示)，回填注浆钻孔(图2中e所示)保证密封质量。

Ⅷ移动安装：完成注浆作业后，移动安装设，进入下一钻场。

Ⅸ后续工作、Ⅹ搬离设备：原作业钻场，进行后续工，即在该固化位置按照后续工序组织生产，并搬离钻探及注浆设备。

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；此外，微生物浆液成本低、污染友好，属于低能耗、低排放材料。

本发明中的实施例并非对本发明的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。