煤矿注浆堵水技术的新进展

煤矿注浆堵水技术的新进展
宋彦波 马念杰 景魁英

1.概述
煤矿水害影响矿山工程施工的进度和质量、恶化工人的劳动环境、增加矿井的排水设施及排水费用、给煤矿生产带来了不安全因素、严重者甚至发生淹井事故、造成生命和财产的重大损失[1]。我国煤田水文地质条件复杂，目前我国约有18%待开采的煤炭储量受到较为严重的水害威胁，对其进行防治工作具有十分重要和十分迫切的现实意义。注浆堵水是矿井水防治的重要方法之一，具有减轻矿井排水负担，节省排水用电，降低吨煤成本，提高工效和质量，加固井巷薄弱地段，减少突水机率、延长矿井服务年限的明显优点[2]。
2.注浆堵水技术的发展历程
注浆堵水作为注浆技术的一个分支，是随着注浆技术的发展而发展的。注浆堵水技术作为工程技术的一个新领域不过只有一百多年的历史。1802年法国首次把注浆法应用于俢复挡潮闸[3]，英国于1856年第一次将水泥用于注浆，1882年~1920年相继研制了气动注浆机和水玻璃-氯化钙化学浆液，此后又相继研制出铬木素、丙烯酰胺等浆液材料。二十世纪四十年代以来，各种新的化学浆液(如木质素类、脲醛树脂类、丙烯酰胺类、聚氨酯类等)和改性水泥浆相续问世，将注浆堵水技术推向一个新的高度。注浆堵水技术在国内的发展是从20世纪50年代初期煤矿井筒井壁注浆堵水开始的[4]，从60年代后，我国相继开发了一系列无机或有机注浆材料，并逐渐建立了适用于特定浆液的注浆理论、注浆工艺。进入21世纪后，注浆堵水技术的研究与应用进入一个鼎盛时期，在注浆堵水技术许多方面，包括材料品种、设备器材等都获得了一定发展。注浆堵水技术近年来在各种岩土工程中得到广泛应用，技术效益及社会效益也很显著，但注浆堵水技术本身还不成熟，还需不断完善。
3注浆堵水技术的研究现状与研究成果
注浆堵水技术包括硬件和软件两部分：硬件部分又包括注浆材料和注浆设备，软件部分可简单地分类注浆工艺和注浆参数计算理论。
3.1注浆堵水材料
目前煤矿井巷堵水注浆材料大都选用水泥类浆材或水泥—水玻璃类浆材，其主要优点是成本低、材料来源广，但由于其硬化后易收缩而产生细小裂隙，在水力冲刷下裂隙逐渐扩大，堵水效果不理想，且因其为颗粒性材料，对细小裂隙难以压入，因此其应用范围有一定的局限性。中国业大学（北京）研制的有机高水材料(HWM)具有粘度低、凝胶时间可在几秒至几小时的时间范围内人为调节并能准确控制、易于被压注进岩体深部微细裂隙内，所形成的凝胶体要求结石率高、渗透性低的特点，已成功地应用于透水岩层注浆堵水工程。其反应过程及与含水流砂反应生成的固结体如图1所示。
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3.2 注浆堵水设备
注浆设备组成中的关键设备是注浆泵，目前国内注浆堵水工程中所使用的大都是电动调速高压注浆泵，但因其重量较大，使用不便。近年国内开发了以乳化液为动力的双液注浆泵[38]，可以输送包括聚氨酯在内的多种注浆堵水材料，但其需要由乳化液作动力，使用不便。
中国矿业大学（北京）研制的QB-25(12)系列高压双液注浆泵，如图2所示，具有性能可靠、使用方便安全，最大注浆压力可达30MPa，能适用于井下狭小空间。并已成功地应用于煤矿井下透水岩层注浆堵水工程中。
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3.3 注浆堵水工艺
采用注浆法对裂隙岩体进行注浆堵水时，浆液经过注浆孔靠外力作用被压注到岩体内部的空隙中去。有机高水材料结合QB-25(12)型注浆泵在煤矿井下的注浆堵水工艺如图3所示。
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近年来，注浆技术发展很快，注浆方法种类繁多，除上述几种典型的注浆方法外，注浆法从脉状注浆、渗透注浆发展到应用较多材料品种的复合注浆法或综合注浆法；从无压注浆到通电、抽水、压气、喷射、旋喷等多种诱导注浆法；从钻杆锚固注浆、双管胀圈式注浆、储能复合注浆、布袋注浆、袖管注浆、以水顶浆注浆、爆破注浆发展到多种形式的综合注浆技术方法，通过预处理以及孔内爆破等方法，大大提高了同等条件下的浆液的可注性，扩大了注浆法的适用范围。
3.4注浆堵水理论研究现状
注浆堵水理论是研究浆液在岩体裂隙内的流动规律，揭示注浆参数之间的本质联系。
3.4.1岩体裂隙网络渗流规律分析
天然岩体内部分布着大量的裂隙，彼此连通的裂隙形成网络对岩体的渗流具有控制作用。在岩体裂隙网络渗流场中，流体的渗透性可用渗透率张量和渗透系数张量来描述。岩体的空间内不同点上渗透率张量构成了岩体系统内介质的渗透率张量场。设岩体由多组裂隙组成，第i个方向上的裂隙组的密度（单位长度上的裂隙个数）为Si，平均裂隙宽度为 ，则第i方向上裂隙组构成介质的裂隙度为 ，则岩体裂隙的等效渗透率张量为：
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渗透系数张量是描述岩体介质和介质内流动的流体在空间同一点上不同方向上的渗透性能的量，其值可表示为：
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3.4.2注浆堵水参数计算理论[5]
近几十年来，国外学者对渗透注浆法进行了广泛而深入的研究，发展了一系列注浆理论，如孔隙土体渗透注浆理论（其中马格理论即球形扩散理论、柱形扩散理论、卡罗尔理论等最具代表性）、裂隙岩体渗透注浆理论、劈裂注浆理论等。国内学者田开铭、速宝玉、刘嘉材等也分别提出了不同状态下的裂隙注浆理论。这些理论大都是基于稳定渗流的基础上而建立的，近年国内开发的具有膨胀性能的浆液在注浆过程中不仅具有粘度随注浆过程增加的特性，而且还具有二次渗透压力现象，从而使浆液的渗流规律有所改变。
采用具有二次渗透特性的浆液进行注浆堵水，在浆液与水反应的过程中，所生成的气体摩尔数越多，则在一定的注浆压力作用下，注浆压力就越容易克服静水阻力和因浆液凝固所产生的粘滞阻力，也就越有利于注浆的进行，在裂隙网络注浆堵水时注浆参数的计算公式为：
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裂隙的粗糙度对浆液渗透性的影响可用粗糙度系数来对注浆参数计算公式进行修正:
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以上具有二次渗透特性的注浆参数计算理论的建立极大地丰富了注浆理论内涵，并基本上形成了比较完整准确的注浆理论体系。
4结论
注浆堵水是将各种堵水材料制成的浆液压入岩层预定地点,如突水点、含水岩层储水空洞等，并使浆液扩散、凝固和硬化，从而起到堵塞空隙、隔绝水源，增大岩层整体强度和隔水性能的目的，可以减少突水机率、延长矿井服务年限。作为注浆技术的一个分支，其是随着注浆技术的发展而发展的，近年来，注浆堵水技术无论是在堵水材料、注浆设备的研制方面，还是在堵水注浆理论研究方面都取得了长足进展，新型注浆堵水材料、注浆设备的研制成功，提高了注浆堵水效率和效果；具有二次渗透特性注浆堵水参数计算理论的提出，丰富了注浆理论内涵，结合前人以稳定渗流为基础建立的裂隙注浆理论，形成了比较完整准确的注浆堵水理论体系，从而为矿井注浆堵水提供了可靠的技术手段和理论指导。

参考文献
1. 陈兆炎,苏文智,郑世书.煤矿水文地质. 北京:煤炭工业出版社,1987
2. 葛亮涛，叶贵钧，高洪烈.中国煤田水文地质学.北京：煤炭工业出版社,2001
3．Bedient PB, Rifai HS,Newell CJ.Groundwater contamination:Transport and remediation.New Jersey:Prentice—Hall,1994,225-227.
4. 黄德发,王宗敏,杨彬.地层注浆堵水与加固施工技术.徐州:中国矿业大学出版社,2003
5. 宋彦波. 有机高水材料注浆堵水机理及其工程应用研究.中国矿业大学博士论文.2005(1)
作者简介：宋彦波 (1965-),男，河北深泽人，2005年毕业于中国矿业大学（北京），获博士学位，现为中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院岩土工程博士后流动站博士后，电话：010-83048556，手机：13803191708，E-mail:s67388@sina.com。