水泥—水玻璃雙液注漿在底板注漿改造中的技術(shù)應(yīng)用

祁新波 毛維林 張彥賓

(鄭煤集團(tuán) 超化煤礦，河南 新密452385)

0 引言

在煤礦開采中，底板注漿改造是區(qū)域性治理工作面底板突水的一項有效措施。在工作面回采前向回采工作面的下部承壓含水層中施工一定數(shù)量的注漿改造鉆孔，用高壓泥漿泵向其中注入水泥漿或水泥粘土（黃土）混合漿液，讓漿液充填承壓含水層和底板隔水層中的裂隙和溶洞。 將煤層底板的隔水層和含水層粘結(jié)成一體，將含水層改造成隔水層，增強(qiáng)煤層底板的隔水能力，最終達(dá)到防煤層底板突水的目的。

而在實際施工中經(jīng)常遇到地下動水，長時間注漿不起壓，且間歇注漿效果不好，造成漿液流失時，起不到效果。采用水泥—水玻璃雙液注漿，將混合漿液通過注漿孔送入孔底，在孔底附近一定范圍內(nèi)凝固，對回采工作面區(qū)域范圍內(nèi)底板含水層進(jìn)行改造，確保工作面的安全回采。

1 采用技術(shù)原理

雙液注漿主要作用是封堵裂隙，將松散地層固結(jié)為整體，隔離水源，堵塞水點(diǎn)，以減少涌水量，改善施工條件，達(dá)到最終的底板注漿改造目的。 水泥漿和水玻璃溶液混合后立即發(fā)生反應(yīng)，很快形成具有一定強(qiáng)度的固結(jié)體。隨著反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，結(jié)石體強(qiáng)度不斷增加，早期強(qiáng)度主要是水玻璃反應(yīng)的結(jié)果，后期強(qiáng)度主要是水泥水化反應(yīng)的結(jié)果。 其主要適用于：

（1）工作面預(yù)注漿、壁后注漿、堵特大涌水點(diǎn)注漿封堵等。

（2）斷層泥帶，當(dāng)裂隙寬度小于1mm，或滲透系數(shù)K≥1×10-5m/s時，加固壓漿優(yōu)先選用水泥—水玻璃雙液注漿。

（3）斷層破碎帶，當(dāng)裂隙寬度（或粒徑）大于1mm，或滲透系數(shù)K≥5×10-4m/s 時，堵水注漿時。

（4）對于底板注漿加固，下套管孔內(nèi)有水固管時，需采用水泥—水玻璃雙液注漿特殊注漿工藝。

2 注漿應(yīng)用

2.1 注漿擴(kuò)散半徑

漿液擴(kuò)散半徑（漿液的有效范圍）與巖石裂隙大小、漿液粘度、凝固時間、注漿速度和壓力、壓注量等因素有關(guān)。水泥—水玻璃漿液實際的有效擴(kuò)散半徑見表1。

表1 有效擴(kuò)散半徑

2.2 注漿壓力

注漿壓力大小影響注漿效果，其大小決定于涌水壓力（工作面靜水壓力、突水的動壓力）、裂隙大小和漿液的性質(zhì)各濃度、要求的擴(kuò)散半徑等。 注漿壓力可參考下列經(jīng)驗公式：

地表注漿 P=(0.02～0.05)H1

井下注漿 P=(0.02～0.05)H1K

式中：H1——孔口至靜水位高度（m）;

K——修正系數(shù)，K=1.2～2.0;

P——注漿壓力（MPa）。

2.3 漿注濃度

水泥—水玻璃漿液的配方就綜合考慮凝結(jié)時間、結(jié)石體強(qiáng)度以及施工操作等因素。底板巖石裂隙越大，用漿也越濃。每次壓漿時應(yīng)先稀后濃。 漿液的常用配方見表2。

表2 水泥—水玻璃漿液組成及配方

表2 說明：

Ⅰ）模數(shù)描述水玻璃中二氧化硅與堿金屬氧化物物質(zhì)的量之比。

Ⅱ）濃度以Be'（波美比）表示。 波美度與比重的換算公式為：

Ⅲ）水泥—水玻璃漿液的適宜體積比宜通進(jìn)行試驗確定。

2.4 注漿壓力的控制及漿液配比的變換

注漿過程中，合理地選擇與控制注漿壓力，適時地變換漿液配合比，并使它們之間很好地配合，是保證注漿質(zhì)量的重要因素。

（1）注漿壓力的選擇與控制

水泥—水玻璃漿液的膠凝，充塞過程不同于水泥漿液。 水泥—水玻璃注漿壓力控制通常根據(jù)該孔所需漿量，在規(guī)定壓力下，每一級濃度漿液的累計吸漿量達(dá)到一定限度后，調(diào)換漿液配比，逐級加濃，隨著漿液濃度的逐級增加，裂隙逐漸被填充，單位吸漿量逐漸減少，直到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時，即結(jié)束注漿。

（2）漿液濃度的選擇與變換

由于各孔段裂隙大小、分布情況各疏密程度都不一樣，每一注漿段中各種寬度的裂隙所占的比例也不相同，合理的注漿濃度需適應(yīng)上述二種情況。為適應(yīng)大小不同的裂隙，一般是先壓稀漿后壓濃漿。漿液濃度的變換，是在同一濃度下一步注漿持續(xù)一定時間后，或壓入量達(dá)到一定數(shù)量，而注漿壓力、吸漿量均無顯著改變時，即可加濃一級。 若加濃后壓力顯著增大，或吸漿量突減時，均說明濃度變換可能不當(dāng)，應(yīng)立即換原來濃度。

2.5 漿液注入量

漿液壓入Q，可根據(jù)擴(kuò)散半徑及巖層裂隙率進(jìn)行粗略估算，作為施工參考。

Q=πr2Hηβ(m3)

式中：r——漿液擴(kuò)散半徑(m);

H——壓漿段長度(m)；

η——巖層裂隙率，一般取1%～5%；

β——漿液在裂隙內(nèi)的有效充填系數(shù)，約0.3～0.9，視巖層性質(zhì)而定。

對于大的溶裂、大的溶洞，η（裂隙率）>5%時，漿液注入量難以計算，因此，在這種情況下，宜用注漿壓力控制注漿量， 注漿量只能按注漿終壓規(guī)定值時的注漿總量來決定。

2.6 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，一般以兩個指標(biāo)表示，一是最終吸漿量；另一是達(dá)到預(yù)定設(shè)計壓力（即終壓）時的持續(xù)時間。一般水泥—水玻璃雙液結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)是：注漿壓力達(dá)到設(shè)計終壓；吸漿量為40L/min，穩(wěn)定約30min 即可結(jié)束。

在正常的情況下，一般采用定壓注漿，當(dāng)注漿壓力達(dá)到或接近終壓時結(jié)束注漿，而當(dāng)壓力接近終壓或達(dá)到終壓的80%時，如出現(xiàn)較大的跑漿，經(jīng)間歇注漿后達(dá)到或接近終壓也可結(jié)束注漿。

3 應(yīng)用效果

在鄭煤集團(tuán)超化煤礦21121 工作面注漿堵水中，由于出水點(diǎn)附近底板破碎， 造成各鉆孔施工后注漿期間出現(xiàn)不同程度的串孔現(xiàn)象，在加骨料海帶、黃沙均不起作用的情況下，我們試驗試用了水泥—水玻璃雙液漿注漿，注漿配比經(jīng)平地試驗后，現(xiàn)場調(diào)試，由平地注漿泵站往井下壓送水泥漿，井下注漿泵壓送稀釋后的水玻璃，兩趟管路在注漿孔口通過特制三通混合器混合后壓入孔內(nèi)，采用上行連續(xù)注漿的方式注漿，起到了良好的注漿效果。

4 總結(jié)

通過在超化煤礦21121 工作面注漿堵水中的實驗、 試用， 對水泥—水玻璃雙液注漿技術(shù)在煤礦底板預(yù)注漿及斷層治理中的作用進(jìn)行了重點(diǎn)研究，總結(jié)水泥—水玻璃雙液注漿在煤礦巖層注漿改造中的不利因素，并逐一改進(jìn)，從根本上促進(jìn)了煤礦底板加固和斷層預(yù)注漿加固質(zhì)量的提高，提高生產(chǎn)效率。 為采掘工作面的掘進(jìn)、回采工作提供了安全保證，為煤礦底板水、斷層水的防治工作提供了有效的方式。