注漿材料在煤礦開采中的應(yīng)用研究

耿 罡

(西山煤電股份有限公司西曲礦，山西 古交 030200)

引 言

山西省古交礦區(qū)煤層儲(chǔ)量豐富，煤質(zhì)優(yōu)良，大多為焦煤和肥煤。目前已列為國(guó)家重點(diǎn)煤炭工業(yè)基地。西曲礦是礦區(qū)第一個(gè)開工建設(shè)的礦井。因此，西曲礦的開采應(yīng)用也對(duì)周圍其它礦的開采有借鑒意義。由于煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，周圍多水溝，而且位于汾河附近，周圍土層含水豐富，在煤礦建設(shè)及開采過(guò)程中勢(shì)必會(huì)有井筒涌水情況發(fā)生，根據(jù)之前相關(guān)經(jīng)驗(yàn)分析西曲煤礦注漿情況，對(duì)不同的注漿材料進(jìn)行研究，分析其適用情況。根據(jù)煤礦采用的注漿材料探討注漿漿液相關(guān)性質(zhì)。

1 漿液材料分類

注漿材料主要分為化學(xué)注漿和非化學(xué)注漿。目前廣泛應(yīng)用的注漿材料為傳統(tǒng)注漿材料，也就是非化學(xué)注漿材料，如圖1所示。傳統(tǒng)注漿材料的優(yōu)點(diǎn)在于材料廣泛而且價(jià)格不高，但缺點(diǎn)也比較明顯，漿液滲透性不高，導(dǎo)致在滲水量較大的地方不宜使用，漿液難以滲透到微小孔隙。化學(xué)注漿漿液其滲透性要比傳統(tǒng)注漿漿液要好，膠凝時(shí)間也比較快，但是化學(xué)注漿材料價(jià)格較高，有些化學(xué)漿液有毒，會(huì)對(duì)礦井周圍環(huán)境產(chǎn)生危害。目前，注漿堵水已廣泛用于礦井井筒注漿、封堵突水點(diǎn)、恢復(fù)被淹礦井、井巷堵水過(guò)含水層或?qū)當(dāng)鄬印⑨∧蛔{堵水截流、減少礦井涌水量、底板注漿加固防止突水等方面，并取得了良好的效果[1]。

圖1 注漿材料分類

2 水泥水玻璃漿材料

西曲煤礦的滲水處理主要采用水泥漿液，對(duì)涌水地方進(jìn)注漿堵漏，針對(duì)煤礦涌水較大的情況，傳統(tǒng)的注漿材料難以及時(shí)進(jìn)行止水，但對(duì)于富含水層，傳統(tǒng)的水泥單漿漿液不能很好地進(jìn)行堵水，因此需要對(duì)水泥漿進(jìn)行改良。因此對(duì)于富水地層，注漿材料大多選用水泥-水玻璃漿液，因?yàn)樗嗨Ａ{液的膠凝時(shí)間可控，可根據(jù)不同的涌水情況，調(diào)整水泥與水玻璃的配比情況。

西曲煤礦工作面水文地質(zhì)條件復(fù)雜，工作面主要充水水源為8#煤上部三層(L1廟溝灰?guī)r、K2毛兒溝灰?guī)r、L4斜道灰?guī)r)灰?guī)r巖溶裂隙水，L1灰?guī)r為8#煤直接頂板。工作面在掘進(jìn)中頂板正常涌水量0.5 m3/h～2 m3/h，工作面局部頂板有少量淋頭水，根據(jù)涌水情況分析，該含水層分布穩(wěn)定，巖溶裂隙局部較發(fā)育，富水性強(qiáng)，對(duì)回采工作面有一定影響。針對(duì)這一情況，采取注漿堵漏措施，在有涌水區(qū)域頂板周圍各備用一排鉆孔，單排布置，探灌處理，消除安全隱患。首先在工作面頂板滲水處進(jìn)行鉆孔，鉆孔直徑為3 cm，注漿打孔深度為2 m。按照水灰比1∶1的比例攪拌均勻，注漿壓力為0.2 MPa～0.5 MPa。由于水泥漿液膠凝時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致注漿以后，漿液被周圍富水稀釋，注漿效果難以堵漏。水泥具有結(jié)石體強(qiáng)度高、不污染環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，但是它的最大缺點(diǎn)就是膠凝時(shí)間長(zhǎng)，易被水稀釋。因此第二次注漿堵水時(shí)采用水泥水玻璃雙漿漿液，采用水泥為普通硅酸鹽水泥(PO 42.5)，水灰比為0.8;水玻璃采用35°Bé;水玻璃摻入量為12%。采用水泥-水玻璃濃度漿液以后注漿堵水效果良好[2-3]。

3 水泥-水玻璃漿液凝固特性試驗(yàn)研究

對(duì)于礦井堵水來(lái)說(shuō)，合適的膠凝時(shí)間直接關(guān)系著施工的可操作性，并對(duì)注漿、堵水工程的成敗具有直接影響。通過(guò)對(duì)水泥-水玻璃漿液進(jìn)行凝固特性研究，就不同水灰比條件下不同的水玻璃加量對(duì)漿液的膠凝時(shí)間和流動(dòng)度的影響規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)分析。

試驗(yàn)過(guò)程中采用的水玻璃模數(shù)為3.0～3.5，水玻璃濃度35°Bé;水泥為普通硅酸鹽水泥(PO 42.5)。水泥漿采用3種水灰比，分別為1、0.8和0.6，水玻璃用量按水泥漿體積的百分?jǐn)?shù)摻用。

從上面實(shí)驗(yàn)中可以看出，在加入水玻璃量一定的情況下，隨著水泥摻入量的提高，膠凝時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。結(jié)合之前的純水泥漿液的注漿效果，對(duì)于滲水較為嚴(yán)重的地方，水泥-水玻璃漿液應(yīng)當(dāng)選用較低的水灰比，在水灰比較低的情況下，漿液的凝膠時(shí)間較短，可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)破碎巖層周圍的縫隙進(jìn)行加固堵漏，提高注漿效果。

圖2a)中研究發(fā)現(xiàn)，雙槳漿液中，當(dāng)水玻璃的摻入量大于20%時(shí)，膠凝曲線速率開始平緩，當(dāng)水玻璃的摻入量再繼續(xù)增加時(shí)，漿液的凝膠時(shí)間也趨于穩(wěn)定。隨著水玻璃量的繼續(xù)增加膠凝改善不大，有關(guān)研究對(duì)于水泥-水玻璃漿液中，對(duì)于水泥水玻璃漿液摻入量使得膠凝時(shí)間最短的那一點(diǎn)的水玻璃摻入量稱為“凝結(jié)轉(zhuǎn)換比值”。根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)可知，硅酸鹽水泥的“凝結(jié)轉(zhuǎn)換比值為15%”減小漿液的凝膠時(shí)間還可以加入速凝劑，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，水玻璃的摻入量也會(huì)減小漿液的凝膠時(shí)間，可以調(diào)整合適的配比以達(dá)到合適的膠凝時(shí)間并可以節(jié)約成本[4]。

圖2b)為漿液流動(dòng)度與水灰比的關(guān)系圖，從圖中可以清楚的看出，漿體的流動(dòng)性隨水灰比的增大而增加;在同一水灰比的情況下，水泥水玻璃漿體的流動(dòng)性隨水玻璃用量的增加而減小。在水灰比較大的情況下，當(dāng)加大水玻璃的摻入量，漿液流動(dòng)度大大降低，流動(dòng)性基本趨于不流(流動(dòng)度用截頭圓錐體測(cè)得，流動(dòng)度<14 cm時(shí)認(rèn)為不具有流動(dòng)性);對(duì)三種摻入量進(jìn)行分析，當(dāng)水玻璃加量低于12%時(shí)，流動(dòng)度隨水玻璃加量增加而減小，且幅度較大。而當(dāng)水玻璃加量超過(guò)12%后，流動(dòng)曲線趨于平緩，隨水玻璃加量增加流動(dòng)度變化不大。因此在對(duì)于選擇合適配比的水泥水玻璃漿液中，不僅要考慮水灰比還要考慮水玻璃的摻入量[5]。

圖2 水泥-水玻璃漿液凝固實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)語(yǔ)

首先，當(dāng)水泥漿液注漿效果不理想時(shí)，可采用水泥水玻璃漿液注漿，水泥水玻璃漿液的流動(dòng)性與膠凝時(shí)間與水泥的水灰比有關(guān)。選擇合適的水泥和水玻璃配比對(duì)于注漿堵水很重要。

其次，水玻璃的摻入量影響漿液膠凝時(shí)間和流動(dòng)度，選取合適的水玻璃摻入量要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定，本次堵水注漿主要是縮短漿液的膠凝時(shí)間，因此注漿中水玻璃的摻入量較大。