一种用于松软煤层抽采的高强高透钻孔支撑材料及其制备方法和清孔工艺

本发明涉及土层或岩石的钻进，尤其涉及一种用于松软煤层抽采的高强高透钻孔支撑材料及其制备方法和清孔工艺。

背景技术：

1、瓦斯抽采是煤层气开采的最主要手段，也是防治瓦斯灾害的最有效途径。受煤体硬度小的影响，松软煤层瓦斯抽采钻孔易变形、坍塌，极大降低了瓦斯抽采效率，严重限制了矿井瓦斯抽采达标进程。

2、目前，提高抽采钻孔稳定性技术主要是向已经成孔的钻孔内插入瓦斯抽采筛管(护孔管)，起到支撑孔壁的作用，即使钻孔坍塌也能借助筛管的管身强度为瓦斯流动提供通道。例如公开号为cn104863625a的中国发明专利公布了一种煤矿井下顺煤层钻孔内支撑管抽采瓦斯的方法，该方法在煤矿井下煤层中沿煤层倾向或走向施工岩层瓦斯抽采钻孔，钻孔成孔后，用压风吹净钻孔内煤粉，下入内支撑式聚氯乙烯管到达设计位置后封孔，然后联网抽采煤层瓦斯，通过内支撑式聚氯乙烯管为瓦斯流动和抽采提供畅通渠道。但工程实践发现，采用筛管护孔存在明显的缺点，一方面，筛管多为皮塑管对孔壁的支撑能力有限，另一方面，筛管表面的筛孔极易被破碎煤粉堵塞，抽采后期存在瓦斯浓度断崖式下跌的弊端。

3、公开号为cn111287710a的中国发明专利则提供了一种用于松软煤层瓦斯抽采钻孔的防护用球，该防护用球包括球体和球形中空结构，球形中空结构处于球体的中部，球形中空结构内部设有形状为正四面体的支撑结构；在球体表面向球形中空结构开设多个小孔，多个小孔以球体的球心为中心、呈放射式均匀分布在球体内；球形中空结构通过各个小孔与球体外部连通。该发明在填充瓦斯抽采钻孔后能对钻孔起到一定的支撑作用，降低钻孔发生垮塌、变形的可能性，而且在钻孔垮塌后，仍然能保持形成的瓦斯抽采通道顺畅。球体的直径为所需填充的瓦斯抽采钻孔直径的0.5～0.85，钻孔发生垮塌时，垮塌的小煤块只能堵住部分小孔，并不能将所有小孔堵住。该设计仅解决了坍塌时小煤块造成的堵孔影响，但其小孔缝隙无法避免抽采过程中低粒径的煤粉堵孔现象。当煤粉堵塞发生时，若采用高压水对堵孔的煤粉进行冲洗，其所需的压强在实际工程条件下难以实现，并且其内支撑的形式也无法对防护用球内部进行有效清理，应用其可持续性不足。

4、基于以上问题，如果采用大孔混凝土作为瓦斯抽采孔的支撑材料，可以避免因为表面筛孔堵塞而产生的抽采效率低下的问题。但是传统的大孔混凝土存在强度低、耐久性差、凝结时间长，同时，现阶段没有相关的清孔工艺可以借鉴，因此，难以直接应用于瓦斯抽采钻孔的支撑。若能制备一种高强度、高透气、短凝结时间的大孔混凝土作为钻孔支撑材料，并提出相应的瓦斯抽采孔支撑清孔工艺，将有效解决瓦斯抽采中的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的上述缺陷，在本发明的第一方面，提供了一种高强度、高透气、凝结时间短的钻孔支撑材料，其原料包括如下重量份的组分：

2、3.8～4.5份水泥、0.45～0.65份石灰石粉、0.75～0.95份硅灰、0.9～1.2份石英粉、16～19份石英砂、0.8～1.2份水、0.05～0.065份减水剂、0.3～0.45份速凝剂。

3、优选的，所述水泥的标号为52.5r，水泥颗粒的中值粒径(d50)为20μm。

4、优选的，所述石灰石粉的粒径分布范围为0.3～200μm，中值粒径(d50)为10μm。

5、优选的，所述硅灰的粒径分布范围为0.02～100μm，中值粒径(d50)为0.2μm。

6、优选的，所述石英粉的粒径分布范围为0.125～0.2mm；所述石英砂的粒径分布范围为10～20目。

7、优选的，所述减水剂采用聚羧酸型高效液体减水剂，其减水效率≥30％。

8、优选的，所述速凝剂采用无碱型液体速凝剂，其ph为2.5～3.0，初凝时间＜5min，终凝时间＜15min。

9、以上钻孔支撑材料的组分选择和优选参数是基于松软煤层抽采瓦斯的工程实践需求所确定的，该材料凝结后具有高强度、高透气、短凝结时间的特点。高强度可以提升钻孔的稳定性，降低塌孔风险；钻孔支撑材料具有大孔及多孔结构，塌孔后仍有足够的孔与外界连通，保持抽采效率，尤其是实现了采用高压水对堵孔的煤粉进行定期冲洗，以疏通抽采通道，提升了抽采钻孔的韧性与可持续性。钻孔支撑材料的流动性佳，结合井下高压注浆设备可实现连续泵送的要求，提高钻孔支撑工艺的施工效率。

10、在本发明的第二方面，提供了一种钻孔支撑材料的制备方法，包括如下步骤：

11、(1)根据比例准备相应组分的原料，将水泥、石灰石粉、硅灰、石英粉、石英砂混合均匀，确保粉体材料充分包裹在石英砂周围；

12、(2)在混合所得的粉体与石英砂体系中，加入占总水使用量20～50％的水，混合均匀；

13、(3)继续加入占总水使用量30～40％的水和减水剂，混合至浆体完全流动后，再添加余量的水，继续混合直至组分均匀；

14、(4)最后向所得砂浆中加入速凝剂，混合均匀，得到钻孔支撑材料。

15、基于本发明钻孔支撑材料的组分性质，制备中使如水泥、石灰石粉、硅灰、石英粉的粉体材料充分包裹在石英砂周围是得到目标结构的关键。该步骤充分利用粉体的润滑与粘结作用，在保证孔隙率的同时，以实现较高的强度与大的流动度。

16、在本发明的第三方面，提供了一种作业方便、便于养护的钻孔支撑材料用于松软煤层抽采的清孔方法，包括如下步骤：

17、s1、对预抽采的松软煤层进行打孔作业，形成抽采钻孔，将抽采管道放置于抽采钻孔的中心；

18、s2、将预制的钻孔支撑材料浆体泵送至抽采钻孔，并于抽采管道外围完成填充，浆体凝固后即可进行瓦斯抽采作业；

19、s3、为应对粉碎煤粉造成的堵孔，于抽采的养护周期将水加压通入抽采管道，对抽采管道和钻孔支撑材料中堵孔的煤粉进行冲洗，即可完成疏通。

20、优选的，所述抽采管道包括管路及沿管路延伸方向设置在外壁的支撑片；所述管路由设有若干透气孔的管件构成。

21、施工作业中，操作人员可以根据实际钻孔的深度来调节注浆压力，松软煤层的瓦斯钻孔深度一般为70～90m，以上深度采用0.5～3.0mpa的压力即可满足注浆需求。浆体正常凝固0.5～3.0h后即可安装抽采装置进行抽采，简便高效，节省了施工时间。瓦斯抽采的养护周期可以根据钻探处的地质条件进行调节，正常抽采6～12月后，利用高压水冲洗，即可使堵孔重新疏通。

22、结合上述技术方案，本发明的发明构思在于，为兼顾对松软煤层瓦斯抽采孔的支撑与抽采效率，基于骨料堆积原理设计浆体材料配合比，结合单级配骨料设计，加入无碱促凝材料制备高强、高透气钻孔支撑材料。该材料具有高强度、高透气、短凝结时间优点，可提升抽采钻孔的稳定性并降低塌孔风险。钻孔支撑材料和抽采管道共同构成完成的瓦斯抽采通路，并可根据实际施工需求调节抽采管道透气孔的数量，即使出现塌孔也可保证较高的瓦斯流通性。同时，采用将含有支撑片的具有预留孔的管路预埋于抽采钻孔内，可实现定期清洁透气孔的功能，解决破碎煤粉产生的堵孔问题。本发明不仅可以解决传统瓦斯抽采筛管对孔壁的支撑能力有限的问题，还可以具有自清洁的功能，避免筛管表面的筛孔被破碎煤粉堵塞，规避了抽采后期存在瓦斯浓度断崖式下跌的弊端。

23、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

24、本发明提供了一种钻孔支撑材料，针对瓦斯的抽取及维护需求，采用特定组分的原料，具有高强度、高透气、凝结时间短的特点，其施工性能良好，具有优异的支撑效果。

25、本发明提供了一种钻孔支撑材料的制备方法，步骤简便，根据此方法可便捷地制备所需结构的钻孔支撑材料。

26、本发明还提供了一种钻孔支撑材料用于松软煤层抽采的清孔方法，将钻孔支撑材料与抽采管道结合，清孔流程中作业方便，且便于养护，解决了抽采后期存在瓦斯浓度断崖式下跌的技术问题。