煤礦注漿堵水技術的新進展

煤礦注漿堵水技術的新進展
宋彥波 馬念杰 景魁英

1.概述
煤礦水害影響礦山工程施工的進度和質量、惡化工人的勞動環境、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[1]。我國煤田水文地質條件復雜，目前我國約有18%待開采的煤炭儲量受到較為嚴重的水害威脅，對其進行防治工作具有十分重要和十分迫切的現實意義。注漿堵水是礦井水防治的重要方法之一，具有減輕礦井排水負擔，節省排水用電，降低噸煤成本，提高工效和質量，加固井巷薄弱地段，減少突水機率、延長礦井服務年限的明顯優點[2]。
2.注漿堵水技術的發展歷程
注漿堵水作為注漿技術的一個分支，是隨著注漿技術的發展而發展的。注漿堵水技術作為工程技術的一個新領域不過只有一百多年的歷史。1802年法國首次把注漿法應用于俢復擋潮閘[3]，英國于1856年第一次將水泥用于注漿，1882年~1920年相繼研制了氣動注漿機和水玻璃-氯化鈣化學漿液，此后又相繼研制出鉻木素、丙烯酰胺等漿液材料。二十世紀四十年代以來，各種新的化學漿液(如木質素類、脲醛樹脂類、丙烯酰胺類、聚氨酯類等)和改性水泥漿相續問世，將注漿堵水技術推向一個新的高度。注漿堵水技術在國內的發展是從20世紀50年代初期煤礦井筒井壁注漿堵水開始的[4]，從60年代后，我國相繼開發了一系列無機或有機注漿材料，并逐漸建立了適用于特定漿液的注漿理論、注漿工藝。進入21世紀后，注漿堵水技術的研究與應用進入一個鼎盛時期，在注漿堵水技術許多方面，包括材料品種、設備器材等都獲得了一定發展。注漿堵水技術近年來在各種巖土工程中得到廣泛應用，技術效益及社會效益也很顯著，但注漿堵水技術本身還不成熟，還需不斷完善。
3注漿堵水技術的研究現狀與研究成果
注漿堵水技術包括硬件和軟件兩部分：硬件部分又包括注漿材料和注漿設備，軟件部分可簡單地分類注漿工藝和注漿參數計算理論。
3.1注漿堵水材料
目前煤礦井巷堵水注漿材料大都選用水泥類漿材或水泥—水玻璃類漿材，其主要優點是成本低、材料來源廣，但由于其硬化后易收縮而產生細小裂隙，在水力沖刷下裂隙逐漸擴大，堵水效果不理想，且因其為顆粒性材料，對細小裂隙難以壓入，因此其應用范圍有一定的局限性。中國業大學（北京）研制的有機高水材料(HWM)具有粘度低、凝膠時間可在幾秒至幾小時的時間范圍內人為調節并能準確控制、易于被壓注進巖體深部微細裂隙內，所形成的凝膠體要求結石率高、滲透性低的特點，已成功地應用于透水巖層注漿堵水工程。其反應過程及與含水流砂反應生成的固結體如圖1所示。

3.2 注漿堵水設備
注漿設備組成中的關鍵設備是注漿泵，目前國內注漿堵水工程中所使用的大都是電動調速高壓注漿泵，但因其重量較大，使用不便。近年國內開發了以乳化液為動力的雙液注漿泵[38]，可以輸送包括聚氨酯在內的多種注漿堵水材料，但其需要由乳化液作動力，使用不便。
中國礦業大學（北京）研制的QB-25(12)系列高壓雙液注漿泵，如圖2所示，具有性能可靠、使用方便安全，最大注漿壓力可達30MPa，能適用于井下狹小空間。并已成功地應用于煤礦井下透水巖層注漿堵水工程中。

3.3 注漿堵水工藝
采用注漿法對裂隙巖體進行注漿堵水時，漿液經過注漿孔靠外力作用被壓注到巖體內部的空隙中去。有機高水材料結合QB-25(12)型注漿泵在煤礦井下的注漿堵水工藝如圖3所示。

近年來，注漿技術發展很快，注漿方法種類繁多，除上述幾種典型的注漿方法外，注漿法從脈狀注漿、滲透注漿發展到應用較多材料品種的復合注漿法或綜合注漿法；從無壓注漿到通電、抽水、壓氣、噴射、旋噴等多種誘導注漿法；從鉆桿錨固注漿、雙管脹圈式注漿、儲能復合注漿、布袋注漿、袖管注漿、以水頂漿注漿、爆破注漿發展到多種形式的綜合注漿技術方法，通過預處理以及孔內爆破等方法，大大提高了同等條件下的漿液的可注性，擴大了注漿法的適用范圍。
3.4注漿堵水理論研究現狀
注漿堵水理論是研究漿液在巖體裂隙內的流動規律，揭示注漿參數之間的本質聯系。
3.4.1巖體裂隙網絡滲流規律分析
天然巖體內部分布著大量的裂隙，彼此連通的裂隙形成網絡對巖體的滲流具有控制作用。在巖體裂隙網絡滲流場中，流體的滲透性可用滲透率張量和滲透系數張量來描述。巖體的空間內不同點上滲透率張量構成了巖體系統內介質的滲透率張量場。設巖體由多組裂隙組成，第i個方向上的裂隙組的密度（單位長度上的裂隙個數）為Si，平均裂隙寬度為 ，則第i方向上裂隙組構成介質的裂隙度為 ，則巖體裂隙的等效滲透率張量為：

滲透系數張量是描述巖體介質和介質內流動的流體在空間同一點上不同方向上的滲透性能的量，其值可表示為：

3.4.2注漿堵水參數計算理論[5]
近幾十年來，國外學者對滲透注漿法進行了廣泛而深入的研究，發展了一系列注漿理論，如孔隙土體滲透注漿理論（其中馬格理論即球形擴散理論、柱形擴散理論、卡羅爾理論等最具代表性）、裂隙巖體滲透注漿理論、劈裂注漿理論等。國內學者田開銘、速寶玉、劉嘉材等也分別提出了不同狀態下的裂隙注漿理論。這些理論大都是基于穩定滲流的基礎上而建立的，近年國內開發的具有膨脹性能的漿液在注漿過程中不僅具有粘度隨注漿過程增加的特性，而且還具有二次滲透壓力現象，從而使漿液的滲流規律有所改變。
采用具有二次滲透特性的漿液進行注漿堵水，在漿液與水反應的過程中，所生成的氣體摩爾數越多，則在一定的注漿壓力作用下，注漿壓力就越容易克服靜水阻力和因漿液凝固所產生的粘滯阻力，也就越有利于注漿的進行，在裂隙網絡注漿堵水時注漿參數的計算公式為：

裂隙的粗糙度對漿液滲透性的影響可用粗糙度系數來對注漿參數計算公式進行修正:

以上具有二次滲透特性的注漿參數計算理論的建立極大地豐富了注漿理論內涵，并基本上形成了比較完整準確的注漿理論體系。
4結論
注漿堵水是將各種堵水材料制成的漿液壓入巖層預定地點,如突水點、含水巖層儲水空洞等，并使漿液擴散、凝固和硬化，從而起到堵塞空隙、隔絕水源，增大巖層整體強度和隔水性能的目的，可以減少突水機率、延長礦井服務年限。作為注漿技術的一個分支，其是隨著注漿技術的發展而發展的，近年來，注漿堵水技術無論是在堵水材料、注漿設備的研制方面，還是在堵水注漿理論研究方面都取得了長足進展，新型注漿堵水材料、注漿設備的研制成功，提高了注漿堵水效率和效果；具有二次滲透特性注漿堵水參數計算理論的提出，豐富了注漿理論內涵，結合前人以穩定滲流為基礎建立的裂隙注漿理論，形成了比較完整準確的注漿堵水理論體系，從而為礦井注漿堵水提供了可靠的技術手段和理論指導。

參考文獻
1. 陳兆炎,蘇文智,鄭世書.煤礦水文地質. 北京:煤炭工業出版社,1987
2. 葛亮濤，葉貴鈞，高洪烈.中國煤田水文地質學.北京：煤炭工業出版社,2001
3．Bedient PB, Rifai HS,Newell CJ.Groundwater contamination:Transport and remediation.New Jersey:Prentice—Hall,1994,225-227.
4. 黃德發,王宗敏,楊彬.地層注漿堵水與加固施工技術.徐州:中國礦業大學出版社,2003
5. 宋彥波. 有機高水材料注漿堵水機理及其工程應用研究.中國礦業大學博士論文.2005(1)
作者簡介：宋彥波 (1965-),男，河北深澤人，2005年畢業于中國礦業大學（北京），獲博士學位，現為中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院巖土工程博士后流動站博士后，電話：010-83048556，手機：13803191708，E-mail:s67388@sina.com。