無收縮灌漿料在煤層注水封孔工藝中的應用研究

陳善文 馬 威 劉 勇 黎 志 陳 芳

（1.山西中煤華晉能源有限責任公司，山西省河津市，043300；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區，400037）

煤層注水提高煤體水分含量是解決煤礦采掘工作面粉塵危害的根本性措施，它是通過預先施工的鉆孔注入壓力水使其滲透擴散到煤體內部，人為增加煤體水分，可以有效地降低煤體破碎時的產塵量。其中封孔是煤層注水工藝中最重要的環節之一，封孔的好壞直接決定煤層注水的防塵效果。目前，國內采用的封孔方式有水泥砂漿封孔、聚氨脂類材料封孔、封孔器封孔等，其中水泥砂漿封孔具有安全可靠、管理方便的特點，目前被廣泛使用，但水泥砂漿封孔存在一定的缺點，即凝固析水收縮，對于近水平鉆孔實用性較差。因此，需對水泥砂漿封孔工藝進行改進才可以滿足煤層注水防塵的需求。本文即是從封孔材料選取的角度出發，提出采用一種具有微膨脹的無收縮灌漿料作為煤層注水封孔材料，并通過現場試驗進行驗證，降塵效果明顯。

1 封孔材料的特點

無收縮灌漿料是以高強度材料作為骨料，以水泥、灌漿母料為介質，輔以高流態、微膨脹、防離析等外加劑配制而成。主要具有以下幾個方面的特點：

（1）使用方便。材料為粉末狀，現場加入一定量的水攪拌均勻后制成漿液即可用于封孔。

（2）自流性好。初期漿液較稀，自流性好，可利用封孔泵進行長距離灌漿施工。

（3）早強高強。漿體注入鉆孔0.5～1.5h 后漿體逐漸變稠，強度逐漸增加，2～3h 后漿體可凝固為固體，并永久保持，1～3d 強度高達30 MPa以上。

（4）微膨脹。漿液在壓力作用下可滲入鉆孔周圍裂隙中，凝固過程中逐漸膨脹，提高封孔性能。

（5）粘結強度高。與鋼筋握裹力不低于6 MPa。

（6）凝固時間可調。可以通過改變無收縮灌漿料中外加劑的配比，調節材料的凝固時間，滿足不同封孔作業需求。

2 現場應用

2.1 工程概況

圖1 回風巷道煤層注水鉆孔開孔位置示意圖

圖2 鉆孔布置方式及參數設計

本文選取山西中煤華晉王家嶺煤礦20107工作面為試驗對象，該工作面位于201 盤區西側，20107綜放工作面走向長度1317 m，傾向長度230m，傾角2°～4°，采用綜采放頂煤開采工藝，全部垮落法管理頂板，開采高度3 m，放頂高度3.28m，采放比1∶1.1。為了減少開采過程中的粉塵危害，根據礦井初步設計和安全生產情況，采取了煤層注水措施，選用布置于回風巷的單向長孔注水方式及動靜壓結合的注水系統。鉆孔開孔位置如圖1所示，鉆孔布置方式及技術參數如圖2 所示。其中，鉆孔深度200m，孔徑100 mm，間距10m，距離底板1.5～2.0 m （巷道高度3.4 m），注水鉆孔8 個，動靜壓結合，動壓5 MPa注水6 h，靜壓2 MPa注水18h，距離工作面50m 時停止注水。

2.2 封孔工藝

由于該工作面為近水平煤層，前期選用普通水泥添加膨脹劑的封孔工藝仍無法解決水泥凝固收縮、封孔不嚴、加壓跑水的問題。針對該情況，現擬選用無收縮灌漿料作為封孔材料進行試驗，所需封孔系統如圖3和圖4所示。先將10m 長的塑料管與1m 長的無縫鋼管重疊連接，深入鉆孔內部，并在孔底采用棉紗捆扎預處理，在孔口采用錨固劑預處理，同時另伸一長1.5m 的塑料管用于注漿，注漿時利用夾布膠管將注漿泵與注漿管連接。

圖3 封孔時孔內管路連接示意圖

圖4 封孔時孔外管路連結示意圖

具體封孔工藝如下：

（1）采用棉紗進行孔底預處理，采用錨固劑進行孔口預處理，按圖3和圖4連接注漿管路。

（2）鉆孔直徑100mm，封孔段長度10m，據此計算所需漿液用量，制備水灰比為1∶1的無收縮灌漿料，充分攪抖均勻，利用注漿泵注入封孔段。

（3）觀察注漿泵出口壓力，保持0.5～1.0 MPa壓力5min，使漿液能充分進入鉆孔周圍裂隙內部。

（4）待漿液注入完畢后，移至下一鉆孔或清洗注漿設備及管路。

2.3 效果分析

本次試驗在20107工作面回風巷選取一組8個鉆孔進行封孔，其中1＃～4＃鉆孔采用普通水泥添加膨脹劑的方式進行封孔，5＃～8＃鉆孔采用無收縮灌漿料進行封孔，通過考察鉆孔最大承受壓力（本孔或煤壁出水時的注水壓力）及割煤時司機處的降塵效率來對比兩種不同封孔方式的使用效果。測試結果如圖5和圖6所示。

圖5 不同鉆孔注水時最大承受壓力

圖6 不同封孔方式時采煤機司機處粉塵濃度

從圖5可以看出，采用普通水泥和膨脹劑的封孔方式時最大承壓僅為2.0 MPa （取平均值，下同），而采用無收縮灌漿料進行封孔時最大承壓可達到7.35 MPa。采用普通水泥封孔注水后采煤機割煤時司機處的總粉塵的降塵效率為25.0%，呼吸性粉塵的降塵效率為33.2%；而采用無收縮灌漿料封孔注水后司機處的總粉塵降塵效率為40.0%，呼吸性粉塵的降塵效率為47.9%。說明采用無收縮灌漿料的封孔效果要優于普通水泥封孔，進一步提高了煤層注水的降塵效率。

3 結論

（1）對于近水平煤層注水，無收縮灌漿料封孔效果要優化于普通水泥，最大承壓可達7.35MPa。

（2）相對于普通水泥封孔，采用無收縮灌漿料封孔注水后司機處總粉塵的降塵效率可提高15.0%，呼吸性粉塵的降塵效率可提高14.7%。

［1］ 李德文.粉塵防治技術的最新進展 ［J］.礦業安全與環保，2000 （2）

［2］ 馬威，徐厚學等.綜合防降塵技術在 “三軟”厚煤層綜放工作面的應用研究 ［J］ .礦業安全與環保，2013 （1）

［3］ 陳杰 .封孔技術在礦山安全生產中的研究與應用［D］.北京：北京科技大學，2004

［4］ 孟祥軍，王緒友等.綜放工作面高壓注水逾裂滲透降塵技術的應用 ［J］.中國煤炭，2012 （11）

［5］ 邢天亮，史文亮等.三軟厚煤層放頂煤工作面的注水降塵 ［J］.中國煤炭，1999 （12）

［6］ 龍廣成，孫振平.新型高性能水泥基灌漿材料的研究 ［J］.新型建筑材料，2005 （3）

［7］ 張連軍，常剛政等.新型PD 材料在瓦斯抽采鉆孔封孔中的應用 ［J］.煤炭工程，2013 （1）

［8］ 勾密峰，管學茂等.新型水泥基封孔灌漿料的研制［J］.煤炭技術，2007 （4）