水泥—水玻璃雙液注漿在底板注漿改造中的技術應用

祁新波 毛維林 張彥賓

(鄭煤集團 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成一體，將含水層改造成隔水層，增強煤層底板的隔水能力，最終達到防煤層底板突水的目的。

而在實際施工中經常遇到地下動水，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凝固，對回采工作面區域范圍內底板含水層進行改造，確保工作面的安全回采。

1 采用技術原理

雙液注漿主要作用是封堵裂隙，將松散地層固結為整體，隔離水源，堵塞水點，以減少涌水量，改善施工條件，達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生反應，很快形成具有一定強度的固結體。隨著反應連續進行，結石體強度不斷增加，早期強度主要是水玻璃反應的結果，后期強度主要是水泥水化反應的結果。 其主要適用于：

（1）工作面預注漿、壁后注漿、堵特大涌水點注漿封堵等。

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

（3）斷層破碎帶，當裂隙寬度（或粒徑）大于1mm，或滲透系數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 注漿應用

2.1 注漿擴散半徑

漿液擴散半徑（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。水泥—水玻璃漿液實際的有效擴散半徑見表1。

表1 有效擴散半徑

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各濃度、要求的擴散半徑等。 注漿壓力可參考下列經驗公式：

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，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時間、結石體強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）模數描述水玻璃中二氧化硅與堿金屬氧化物物質的量之比。

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該孔所需漿量，在規定壓力下，每一級濃度漿液的累計吸漿量達到一定限度后，調換漿液配比，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，直到結束標準時，即結束注漿。

（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上述二種情況。為適應大小不同的裂隙，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一定時間后，或壓入量達到一定數量，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，應立即換原來濃度。

2.5 漿液注入量

漿液壓入Q，可根據擴散半徑及巖層裂隙率進行粗略估算，作為施工參考。

Q=πr2Hηβ(m3)

式中：r——漿液擴散半徑(m);

H——壓漿段長度(m)；

η——巖層裂隙率，一般取1%～5%；

β——漿液在裂隙內的有效充填系數，約0.3～0.9，視巖層性質而定。

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定值時的注漿總量來決定。

2.6 注漿結束標準

注漿結束標準，一般以兩個指標表示，一是最終吸漿量；另一是達到預定設計壓力（即終壓）時的持續時間。一般水泥—水玻璃雙液結束標準是：注漿壓力達到設計終壓；吸漿量為40L/min，穩定約30min 即可結束。

在正常的情況下，一般采用定壓注漿，當注漿壓力達到或接近終壓時結束注漿，而當壓力接近終壓或達到終壓的80%時，如出現較大的跑漿，經間歇注漿后達到或接近終壓也可結束注漿。

3 應用效果

在鄭煤集團超化煤礦21121 工作面注漿堵水中，由于出水點附近底板破碎， 造成各鉆孔施工后注漿期間出現不同程度的串孔現象，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，注漿配比經平地試驗后，現場調試，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，采用上行連續注漿的方式注漿，起到了良好的注漿效果。

4 總結

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在煤礦底板預注漿及斷層治理中的作用進行了重點研究，總結水泥—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，從根本上促進了煤礦底板加固和斷層預注漿加固質量的提高，提高生產效率。 為采掘工作面的掘進、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。