煤礦用注漿堵水劑

■沈永毅，徐 堯，劉小燕

■1.大眾報業集團，山東 濟南 250014;2.濟南大學土木建筑學院，山東 濟南 250022;3.威海市經濟技術開發區建筑設計院，山東 威海 264205

煤礦水害是指在煤礦修建和生產過程中遇到的水的干擾和危害，是最常見的煤礦病害。煤礦水害影響礦山工程施工的進度和質量、造成洞內空氣潮濕，惡化工人的勞動環境，影響施工人員身體健康，機械設備銹蝕，絕緣設備失效，電路短路，漏電傷人，增加礦井的排水設施及排水費用、給煤礦生產帶來了不安全因素、嚴重者甚至發生淹井事故、造成生命和財產的重大損失。

注漿是治理水害的有效方法。注漿是將一定量的注漿材料通過注漿壓力，沿裂隙流動擴散，當其遠離注漿孔，壓力梯度降低到臨界壓力時，漿液流速減小，粘滯性增大，流速很低最后停止流動，堵塞裂隙，漿液內材料與水之間發生化學反應，改變水流流動狀態，漿液逐漸凝聚產生強度，最后封堵住水流通道。

國內外開發和使用的注漿堵水材料分為水泥類和化學類材料。水泥類，包括普通水泥、超細水泥、改性水泥和水泥-水玻璃漿液等。化學漿液包括:環氧類、聚氨酯類、丙烯酰胺類、甲基丙烯酸酯類、丙烯酸鹽類、水玻璃類等。煤炭行業現所用材料主要有水泥類、水泥水玻璃類和化學高分子聚合物堵水劑類。

1 水泥類漿液

水泥作為注漿材料具有強度高、耐久性好、無毒、材料來源廣、價格低廉等優點。它是使用最早、應用最廣的注漿材料之一，一般注漿施工優先選用普通水泥。在細裂隙和微孔地層中，其可灌性雖不如化學漿材好，但若采用劈裂灌漿原理，則不少弱透水地層都可用水泥漿進行有效的加固。因此，水泥漿在國內外灌漿工程中一直是用途最廣和用量最大的漿材。以水泥為主包括添加一定量的外加劑，用水配制成漿液，采用單液方式注入，這樣的漿液稱為單液水泥漿。所謂外加劑，系指水泥的早強劑、速凝早強劑、塑化劑、懸浮劑等。

(1)純水泥漿的主要特點是材料來源廣泛，成本較低，無毒性，施工工藝簡單，粘度隨水灰比而變，凝結時間從數小時到數十小時結石率可達99%，但穩定性差，易沉淀析水，在水流較大的條件下注漿時，漿液易受水的沖刷和稀釋，僅適用于靜水條件下注漿，固結體為脆性材料，地層運動易產生新水流通道。

(2)超細水泥漿液又叫MC漿液，其平均粒徑為4μm。最大粒徑為10μm。這個特性使MC漿液能夠滲入滲透系數為10-3～10-4cm/s的細砂層和巖石的細裂隙中。超細水泥是以極細的磨細水泥顆粒組成的無機注漿材料，配成漿液有極好的滲透性和耐久性。漿液的凝結時間可以用水玻璃在20s至幾分鐘的范圍內調節，結石體抗壓強度可達25MPa，且具有良好的工作環境，無毒，固砂體滲透系數可達1.0×10-6cm/s，適用于堵水工程。但超細水泥在高壓水堵水中和水量較大時，雖然凝結時間短，強度上升時間長，粘結力差，易被水流沿裂隙通道沖散，導致堵水失敗;材料抗拉、抗剪強度低，經常需要重復注漿堵水。

2 水泥-水玻璃類漿液

水泥漿中加入水玻璃有兩個作用，一是作為速凝劑使用，摻量較少，約占水泥重的3% ～5%;另一是作為主材料使用，摻量較多，即是水泥-水玻璃漿液，俗稱CS漿液(C代表水泥，S代表水玻璃)。CS漿液克服了水泥漿液凝膠時間長，難以控制，注入地層后易被地下水稀釋，無法保持其原有凝膠化性能的缺陷。CS漿液的出現是水泥注漿的大發展，提高了效果，擴大了適用范圍。這種漿液不僅具備水泥漿的全部優點，而且兼備化學漿液的某些優越性，例如凝膠時間快，可以從幾秒到幾十分鐘內準確控制，結石率高達95% ～98%，適用于防滲和加固灌漿，在地下水流速較大的地層中，采用這種混合型漿材也可達到快速堵漏的目的。

3 高分子聚合物類

高分子聚合物包含丙烯酰胺類及無毒丙凝、聚氨酯、脲醛樹脂、環氧樹脂等。

⑴丙烯酰胺類漿材國內稱丙凝。丙烯酰胺類漿液的性能主要是指其凝膠時間和抗壓強度，它的抗壓強度一般來講是比較低的，改變配方對抗壓強度的影響不大，而其凝膠時間則可以控制在幾秒到幾個小時之間。丙凝漿液及固結體的主要特點為:

①漿液屬于真溶液，其粘度與水甚接近，其可灌性非常好，漿液能滲入粒徑小于0.01毫米的土層或滲透系數大于10-4cm/s的被灌體。

②漿液從制備到凝結所需的時間，可以在幾秒鐘到幾小時內精確地加以控制。

③漿液的粘度在凝結前維持不變，這就能使漿液在灌漿過程中維持同樣的滲入能力。

⑵聚氨酯類漿材是一種防滲和加固效能都很高的高分子化學灌漿材料，它屬于聚氨基甲酸酯類的高聚物，是由異氰酸酯和多羥基化合物反應而成。主要性能如下:

①漿液相對密度1.036～1.125，遇水反應，因此不易被地下水沖稀，止水效果好。

②漿液遇水反應時，放出CO2氣體，使漿液產生膨脹，向四周滲透擴散，直到反應結束時止。漿液黏度低，可注性能好，工藝設備簡單;

③固結體抗壓強度高，可作為補強材料;抗滲性能好，滲透系數可達10-8～10-13cm/s。固結體無毒性、耐久性好。

⑶脲醛樹脂是由脲素和甲醛縮合而成的高分子聚合物。脲醛樹脂漿液有脲醛樹脂漿液、脲-甲醛漿液、改性脲醛樹脂漿液。脲醛樹脂在固化前是一種水溶性樹脂，用水配制成水溶液，這種溶液在酸性條件下，在常溫、常壓下就能迅速固化，并且具有一定的強度。但該材料一般較脆，抗滲性較差，與巖石粘結力不強，且毒性較強，不利于使用。

⑷環氧樹脂是一種高分子材料，它具有強度高，粘結力強，收縮率小，化學穩定性好，并能在常溫下固化等特點;但它作為灌漿材料則存在一些問題，例如漿液的粘度大，可灌性小，憎水性強，與潮濕裂縫粘結力差等。

總結現有注漿堵水材料，一般水泥—水玻璃類材料價格低，初凝時間可控，凝結后強度高，耐久性好，無毒。但漿液含固體顆粒，對微裂隙滲透能力低，齡期長，雖然初凝時間可控，但強度上升緩慢，在封堵大流量涌水是容易被水流沖散，堵水效果差;固結體為脆性材料，抗拉、抗剪強度低，在煤巖體再次受力變形時會產生新的水流通道，導致注漿體滲漏水;另外水泥漿堵水設備笨重，材料運輸量大，工人勞動強度高，不利于井下運輸和施工。

目前采用較多的高分子聚合物堵水劑漿液無顆粒，經設備壓力和遇水膨脹力能滲透到微裂隙中，凝膠時間可準確控制，強度上升時間短，遇水膨脹后與煤巖體高度粘合，封堵水流通道，適用于各類地質水害的治理;礦用高分子聚合物堵水劑施工時無需施做止漿墻，可現場調節注漿速度防止漏漿，保證注漿堵水效果，減少準備工作量;具有一定的延展性和柔韌性，可防止煤巖體的再次變形運動產生新的裂隙造成滲漏水。

[1]龔曉南.地基處理手冊[M].中國建筑工業出版社，2000∶297-354.