煤矿注浆堵水技术的新进展

煤矿注浆堵水技术的新进展煤矿注浆堵水技术的新进展 1 概述概述 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 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 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 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 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 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 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 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