粘土水泥浆在葛泉矿东井9#煤底板及本溪灰岩注浆堵水可行性研究报告(最终稿)

PAGEPAGE35粘土水泥浆在葛泉矿东井9＃煤底板及本溪灰岩注浆改造可行性报告北京中煤矿山工程有限公司煤炭科学研究总院北京建井研究分院二〇〇八年八月十二日粘土水泥浆在葛泉矿东井9＃煤底板及本溪灰岩注浆改造可行性报告编写：王正胜宋雪飞袁辉审核：高岗荣徐润北京中煤矿山工程有限公司煤炭科学研究总院北京建井研究分院二〇〇八年八月十二日目录目录 I前言 11矿井概况 22葛泉矿井地质、水文地质条件 22.1地质地层 22.2水文地质条件 42.3构造 62.4煤层 72.5隔水层分析 83矿井水害历史与现状 94注浆改造的现实意义 95注浆站规划 105.1土建工程 105.2粘土上料造浆系统 115.3射流造浆系统 125.4注浆系统 125.5供水系统 135.6供电系统 136CL-C注浆材料研究 136.1CL-C浆液发展历史简介 136.2CL-C浆液堵水机理 146.2.1粘土水泥浆的时间稳定性和耐久性 146.2.2粘土水泥浆的可注性和流变性 146.2.3粘土水泥浆的凝结性 156.3CL-C浆液性能研究 166.3.1CL-C浆液用土分析 166.3.2浆液不同配比条件下比重、粘度、析水率的实验研究 186.3.3不同配比条件下浆体塑性强度的实验研究 196.3.4正交试验结果分析 206.4CL-C浆液的特点 217工业性试验 217.1注浆孔的布置 217.2注浆机具 257.3注浆工艺 257.3.1注浆材料 267.3.2浆液比重 277.3.3注浆段长 277.3.4注浆量和注浆终压 287.3.5注浆方式 297.3.6注浆结束压力标准 297.3.7注浆质量的检查 297.4注浆成果 297.4.1注浆孔参数 297.4.2注浆成果分析 297.5注浆效果对比 327.6粘土水泥浆、单液水泥浆的适应性 338粘土水泥浆注浆经济效益分析 338.1粘土水泥浆与单液水泥浆每立方浆液用原料成本对比 338.2注浆工期效益 349结论 35粘土水泥浆在葛泉矿东井9＃煤底板及本溪灰岩注浆改造可行性报告前言葛泉矿东井是葛泉井田下组煤试采区矿井，2007年2月8日建成投产，设计年生产能力30万吨，主采9#煤。9#煤底板至本溪灰岩间距平均20m左右，底板岩层裂隙发育程度较高，本溪灰岩承压水在局部地段存在原始导升高度，底板裂隙密集发育段可直接到9#煤底板。存在本溪灰岩水沿导水裂隙上升突破9#煤层底板，造成井巷突水危害。另据探查钻孔资料显示，本溪灰岩单孔涌水量均大于50m3/h，并且疏放效果很不明显；工作面上段个别钻孔钻进至本溪灰岩含水层顶部有发生掉钻、涌水量猛增现象，单孔涌水量最大可达200m3/h（孔径75mm）；本溪灰岩含水层与奥陶系灰岩含水层水位一致，并且从水质化验资料来看，部分钻孔本溪灰岩水质已呈奥灰水质特征，可见，本溪灰岩水与奥灰水之间有一定的水力联系，所以为了矿井的安全生产、煤层的顺利开采，对9#煤基于本矿井注浆改造工作的必要性和重要性以及试采区水文地质条件的复杂性，在前期试采过程中采用了注浆加固9#煤底板及9#煤下伏本溪灰岩含水层注浆堵水防治技术措施，并进行带压开采。从2006年初，葛泉矿东井便开始进行煤层底板水泥浆注浆改造工程，到目前为止已成功加固了1192、1190、1194三个回采工作面，并全部回采完毕。前期注浆工程主要使用单液水泥浆，总注入水泥3.2万吨，采出原煤63万吨。但是注浆水泥用量大、成本高。为了降低注浆改造成本、取得更好的注浆改造效果，近阶段葛泉矿对东井部分9#煤层底板以及本溪灰岩含水层采用了粘土水泥浆（CL-C浆液）进行注浆改造试验。工业性试验证明，CL-C浆液成本低、悬浮性好、浆液扩散距离大，注浆堵水效果较好。所以，粘土水泥浆作为葛泉矿东井开采下组煤底板及下伏本溪灰岩注浆改造材料是完全可行的。1矿井概况葛泉矿井位于沙河市下解村附近，东距京广铁路褡裢站10km，北距邢台市约18km。本矿井铁路专用线与京广铁路相通，公路交通四通八达，交通相当便利。葛泉矿东井为葛泉矿井田的一部分，位于葛泉井田南翼，处于大油村向斜内，F13断层以北，北以F12-1断层及9#煤露头线为界，南以F13断层为界，西以F6、F12-1为界，东以9#煤层露头线为界，走向长约2200m，倾斜宽约1900m，面积3.8km2，葛泉矿东井位于西油村、大油村一带，距葛泉矿约2.5km。为葛泉矿下组煤试采区，开采水平为-150m，主采9#煤，设计生产能力为30万吨/年，矿井服务年限为2004年3月5日葛泉矿东井建设项目正式开工，2006年8月1日成立葛泉矿东井，2006年9月1日开始联合试运转，2007年2月8日投产。目前葛泉矿东井已回采1192、1190与1194三个工作面。2葛泉矿井地质、水文地质条件2.1地质地层葛泉井田地表全为新生界地层所覆盖，根据钻孔及井巷揭露，井田内发育的地层自老至新依次为奥陶系中统马组与峰峰组；石炭系中统本溪组、上统太原组；二叠系下统山西组、下石盒子组，上统上石盒子组以及第四系。现分组叙述如下：Ⅰ奥陶系（O）奥陶系中统下马家沟组（O2x）下段（O21x）：厚7～17m，一般12m左右。岩性为薄层钙质页岩，俗称“贾旺页岩”中段（O22x）：厚17～78m，平均47.5m上段（O23x）：厚75～110m，平均95m。下部为灰岩与角砾状白云质灰岩，局部夹薄层泥岩；中部为粉红色花斑状灰岩，俗称“云雾灰岩”奥陶系中统上马家沟组（O2s）下段（O21s）：厚17～80m，一般35.1m中段（O22s）：厚59.39～102.06m，一般73.82上段（O23s）：厚76.55～91.00m，一般83.78奥陶系中统峰峰组（O2f下段（O21f）：厚66.81～82.63m上段（O22f）：厚18.62～35.87mⅡ石炭系（C）石炭系中统本溪组（C2b）该组地层厚9.76～33.94m，平均厚22.88m。岩性主要由深灰色泥岩、粉砂岩及石灰岩组成，夹不稳定薄煤层（10石炭系上统太原组（C2t）该组地层厚130.28～181.00m，平均厚153.7Ⅲ二叠系（P）二叠系下统山西组（P1s）该组地层厚44.10～87.65m，平均厚59.53m。为过度相碎屑沉积，是井田又一主要含煤地层。岩性由灰色中细砂岩、粉砂岩和煤组成。砂岩和粉砂岩中夹鳞木、芦木、苛达松、羊齿类等植物化石。中下部含煤2～4层。上界为下石盒子组底部的“骆驼脖二叠系下统下石盒子组（P1x）该组地层厚169.62～191.12m，平均厚183.76m。为陆相沉积，岩性由泥岩、粉砂岩和中细粒砂岩组成。中部偏下部在两层中粗砂岩之间夹一层铝土岩，最下部一层砂岩通称“骆驼脖”砂岩，呈灰色，含云母片及泥质包体，全区普遍发育，是一辅助对比标志。该层顶界为一层沉积稳定的富含菱铁质鲕状及豆状铝土质泥岩，俗称“桃花二叠系上统上石盒子组（P2S）该组平均厚260mⅣ第四系（Q）覆盖于各时代地层之上，与各地层呈角度不整合接触关系。下更新统（Q1）该层厚15.10～164.82m，一般厚45m左右。为间冰期堆积物，又称底部冰渍卵砾层，卵砾石直径0.01～1中更新统（Q2）该层厚34～85m。底部由数层含细砾中粗砂组成，砂层之间夹薄层状、透镜状砂质粘土。其上为又一间冰期形成的砾石、卵石层。上更新统（Q3）厚度不一，且不连续，为坡、洪、冲积物，岩性由粘土、粉砂、卵砾石等组成，为中更新统沉积的改造物。全新统（Q4）厚度40m2.2水文地质条件在区域水文地质单元分区上，葛泉矿位于百泉奥灰岩溶水文地质单元南部迳流区的沙河-邢台-百泉迳流带和高店村-张宽-百泉迳流带之间的相对强迳流地带。东井对煤层开采有影响的含水层主要是大青灰岩、本溪灰岩以及奥灰含水层，现根据井巷开拓过程中所表现出的特征叙述如下。（一）大青灰岩裂隙岩溶承压含水层大青灰岩平均厚度5.3m。通过东井石门掘进阶段大青灰岩水预疏放工程，石门穿过大青灰岩含水层时，水位降低到-150m水平，目前涌水量稳定在100m3/h左右，说明该含水层富水性中等。同时在疏放过程中，不同位置、结构相同的放水孔涌水量差异很大，因此可以判断本区大青灰岩含水层富水性很不均匀。在8#、9#煤层之间夹矸厚度较小的巷段，大青灰岩为8#、9#煤层合层的直接顶板，大青灰岩水以顶板淋水的形式向掘巷充水。随着工作面巷道向浅部掘进，8#、9#（二）本溪灰岩裂隙岩溶承压含水层东井区本溪灰岩平均厚度7.5m，井下钻探揭露区平均厚度为9m。探查孔钻进至本溪灰岩含水层顶部及进入本溪灰岩时单孔涌水量均大于50m3/h，并且疏放效果很不明显，试疏放过程中本溪灰岩水质资料中标志离子没有大的变化。1192首采工作面底板注浆加固钻孔资料揭露，工作面下段大部分钻孔穿过10#煤时水量有明显增加，工作面上段个别钻孔钻进至本溪灰岩含水层顶部即发生掉钻水量猛增现象，单孔涌水量最大可达200m3/h（孔径本溪灰岩承压水在局部地段存在原始导升高度，底板裂隙密集发育段可直接到9#煤底板。因此，存在本溪灰岩水沿导水裂隙上升突破9#煤层底板对井巷工程充水的危险性。此外，本区本溪灰岩与奥陶系灰岩含水层之间隔水层厚度最大为16.68m，最薄处只有8.08m，区内平均厚度为13.2m。井下钻孔本溪灰岩含水层与奥陶系灰岩含水层水位一致，并且从水质化验资料来看，部分钻孔本溪灰岩水质已呈奥灰水质特征。因此，本溪灰岩水与奥灰水之间有一定的水力联系，可能存在奥灰水垂向越流补给现象或其它形式的补给方式。2.3构造东井区位于大油村向斜F13断层以北范围。从9#煤底板等高线图整体形态看，本区整体为一褶皱较宽缓、两翼不对称的向斜构造。东翼地层较陡，最大西翼F12、SF4断层附近地层倾角相对较缓，倾角在5°左右。9#煤埋深标高在-10～-310m之间变化，埋藏最浅处在葛56孔附近为-10m，埋藏最深处在补30孔与葛68孔之间为-310m。规律性强图1葛泉井田构造纲要图本区内有大小断层共计20条，西部边界F12、F12-1、F6；南部边界F13；北部边界F11；通过三维地震勘探在区内新发现断层12条，全部是正断层。落差大于等于10m，小于30m的断层3条，落差大于等于5m，小于10m的断层3条，落差小于5m的断层6条。巷道施工过程中实见断层3条，分别是Nf101此外，通过三维地震综合勘探在测区内解释陷落柱1个，该陷落柱位于测区中部葛37孔西侧，轴长50m左右，富水的可能性不大。在测区边界9#煤露头附近还解释4个地质异常体。四个地质异常体从平面展布形态看，类似于陷落柱。SX2区内最大直径220m，SX3区内最大直径190m；SX2、SX3地质异常体含水性较差，但两个地质异常体处于大青强富水条带内。SX4地质异常体位于测区北部，平面形态为一椭圆形，长轴长约90m，短轴长2.4煤层东井区内煤系地层为石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。本井田开采的9#煤赋存于太原组地层。区内主要可采煤层为7、9(8+9)#煤层。7#煤：位于太原组中部，上距伏青灰岩10～14m。据区内见煤钻孔统计，煤层总厚度0.64～1.23m，平均1.03m，结构较简单，距9#煤约29.16m。层位厚度稳定，仅有少量钻孔煤厚小于最低可采厚度。在全井田变化不大，大部分地区均可采，属于稳定煤层。8#煤：位于太原组下部，其顶板为大青灰岩，煤层层位不稳定。8#煤层厚度变化大，煤层厚度0.95m～2.10m，平均1.57m。与9#煤最大间距为17m，在本区中部与9#煤合并。8#9#煤层：本煤层位于太原组下部，是本井田厚度最大的可采煤层。据井田内见煤钻孔(受断层影响者除外)统计，煤层总厚度最小2.30m，最厚达6.49m，平均厚度4.89m，本区中部与8#2.5隔水层分析=1\*GB2⑴9#煤层与奥灰间隔水层综合分析9#煤层底板至奥陶系灰岩含水层的隔水岩层厚度41～45m，平均约43m。岩性组合以粉砂岩、细砂岩、中细砂岩、灰岩和铝土质粉砂岩为主。其中，粉砂岩、细砂岩占总厚度的56%左右；本溪灰岩厚度占总厚度的21%；可塑性比较强的铝土质软岩类厚度占总厚度的23%左右。这种软硬相间且具有一定厚度的隔水层结构在未受构造破坏的情况下，具有较好的阻水性能。9#煤底板以下至奥灰含水层隔水层结构如表1表19#煤底板隔水层岩层结构岩石名称平均层厚（m）岩性特征9#煤5.3由镜煤、亮煤组成，硬度中等铝土质粉砂岩4.5灰色、细腻，含黄铁矿9#下煤0～0.29区内发育不稳定，有时尖灭中细砂岩11.0细粒结构、分选好，泥硅质胶结，沿层面含铁质粉砂岩5.0结构致密、块状构造、性脆本溪灰岩9.0隐晶和细晶结构，致密，中上部有时夹10#煤溶隙发育且不均匀，偶见小溶洞铝土质粉砂岩5.5块状构造、质较纯、细腻细砂岩3.5泥质胶结、夹薄层粉砂岩粉砂岩4.5块状无层理、偶见菱铁质成分、结构致密、坚硬奥陶系灰岩=2\*GB2⑵9#煤层与本灰间隔水层分析9#煤底板至本溪灰岩间距13.4～27.5m，平均20.5m，岩层结构以粉砂岩、砂岩为主，裂隙发育程度较高阻水性能一般，底板裂隙发育方向多为30～35°，本溪灰岩承压水在局部地段存在原始导升高度。3矿井水害历史与现状目前，葛泉矿东井下组煤试采区尚未发生过灾害性涌水。但在巷道掘进阶段，多处发生底板渗水，此外在巷道掘进过程中，针对底板的超前探测钻孔均有涌水，局部钻孔在煤层底板下1～2m处即揭露本溪灰岩水。目前，矿井正常涌水量在182m3/h，主要以大青灰岩水、本溪灰岩水为主，大青灰岩水占整个矿井涌水量的60%以上，采空区的本溪灰岩及其它水占整个矿井涌水量的20%。见表2葛泉矿东井区矿井涌水量构成情况一览表涌水位置水源涌水量(m3/h)井筒淋水野青及上部水6放水孔大青灰岩33西翼大巷东翼大巷大青灰岩大青灰岩24581192工作面采空区本溪灰岩及其它水81190工作面采空区1194工作面采空区本溪灰岩及其它水本溪灰岩及其它水262其它巷道及生产用水混合水25合计182虽然目前矿井涌水量较小，但是随着开采水平的延伸和开采范围的扩大，矿井涌水量将逐步增加。4注浆改造的现实意义据测算，目前，东井9#煤试采区9#煤层资源保有储量达2578万吨，其中-150m以浅1266.2万吨，-150m以深1311.8万吨，总之东井9#煤层资源储量相当可观。但是，本区9#煤开采受到底板水害的严重威胁，主要表现为以下几个方面：⑴由于本区处于百泉奥灰岩溶水文地质单元南部迳流区的沙河-邢台-百泉迳流带和高店村-张宽-百泉迳流带之间的相对强迳流地带。地下水补给充分，径流条件畅通。因此，本区奥陶系灰岩含水层历年最高水位+76.33m，富水性较强，-150m水平9#煤层底板承受的最大水压力达2.15MPa，突水系数最高可达⑵9#煤下伏本溪灰岩含水层厚度大（9m左右），岩溶裂隙发育，富水性强，且与奥陶系灰岩含水层之间存在密切的水力联系，两者已经复合为一个含水体；⑶本溪灰岩含水层普遍发育导升裂隙，局部发育高度甚至直达9#煤底板。综合上述，本区9#煤带压开采水文地质条件表现出“一薄、二强、三高”的特点：“一薄”——本灰与奥灰之间隔水层薄；“二强”——奥灰岩溶发育，巨厚、富水性极强；本灰厚度大、岩溶裂隙发育、与奥灰之间存在水力联系，富水性较强；“三高”——奥灰水压高、本灰导升高、突水系数高。复杂的水文地质条件使本区防治水工作形势严峻，迫使葛泉矿东井不得不进一步重新认识矿井地质、水文地质条件，重新评价和定位矿井面临的水害类型，采取切实可行的矿井防治水技术路线和符合矿井水害特点的矿井防治水方法与措施，以确保矿井生产安全。因此，研究适合本区的科学合理的带压开采防治水技术是我们必须直接面对的重要课题。为此，葛泉矿东井制订了以疏放顶板大青灰岩水，注浆加固9＃煤底板及全面注浆改造下伏的本溪灰岩含水层，使其成为弱含水层或相对隔水层，增加9＃煤至奥陶纪灰岩含水层的有效隔水层厚度，封堵奥灰水的垂向导升通道的防治水技术路线。故注浆加固9＃煤底板及全面注浆改造本溪灰岩是东井防治水工作的重要一环。5注浆站规划根据葛泉矿东井开采下组煤防治水技术路线，9#煤底板及下部本溪灰岩含水层必须进行注浆堵水。为此，由北京煤科总院建井研究分院进行地面注浆站总体设计和设备选型，山东肥城博达工贸公司于2006年3月在东井建成了地面注浆站并投入使用。实施对东井9#煤底板及其下部本溪灰岩含水层进行注浆堵水。根据现场实际情况，结合井上、下位置关系综合考虑道路、供电、通讯、水源等因素选择合理的注浆站位置。5.1土建工程在地面整平夯实的基础上，以结构紧凑、布局合理、施工操作方便为原则，建造储土注浆棚，粗浆池，废浆池、精浆池、搅拌吸浆池、散装水泥罐平台，清水池、蓄水池、配电室、微机监控室，办公室、电工维修室、值班室等土建工程。其中储土注浆棚1座：790㎡，有效储土部分430㎡，为棚架结构，棚身为金属支架，棚顶为石棉瓦或玻璃钢瓦。粗浆池2个：直经3m，深度2m，墙厚0.3m，上口高出地面0.4废渣池1个：长4m，宽1m，高出地面精浆池2个：直经6m，深度2.5m，墙厚0.3m,上口高出地面0.4搅拌吸浆池（混浆池）4个：直经2m，深度2m，其中吸浆部分低于池底0.5m，墙厚0.3水泥罐平台一个，安装4个罐，单罐载荷重按60T设计，为钢筋混凝土结构，平台高出地面0.8m高位储水池1个，长6m，宽5m，深2m，储水部分高出地面4m，池顶面以下0.2m设观测管（φ25清水池2个，长1.5m，宽1.5m，深1m办公室6间，包括微机监控室、会议室、配电室、值班室、电工维修室、更衣室等，为砖混结构。5.2粘土上料造浆系统由粘土皮带输送机、高位水池、NL20型制浆机、粗浆池、液下多用泵、除砂器、精浆池、搅拌机等组成。⑴皮带输送机：机身长10m，皮带宽0.6⑵高位水池：通过2寸管路和管道加压泵与制浆机连接，阀门控制水量，负责向制浆机供给造浆用水及冲洗制浆机用水。⑶NL20型制浆机：规格为1700×1700×1700mm（长×宽×高），是制造粘土浆的主要设备，主电机功率30kw，有粉碎、搅拌、筛选三种功能，具有定量上料，连续造浆的特点。额定造浆量20m3=4\*GB2⑷粗浆池：容积14m3,主要用于储存粘土粗浆，并安设搅拌机1台，液下多用泵两台。=5\*GB2⑸液下多用泵：型号DYWS50—20，排量50m3/h，功率5.5kw，用于输送粗浆经除砂器除砂后进入精浆池。=6\*GB2⑹潜污泵：型号为QWK系列，每台排量15m3/h，扬程15m，功率2.2kw，由精浆池输送浆液入射流造浆系统。=7\*GB2⑺旋流除砂器：具有除砂去渣功能，经净化后颗粒较粗的砂粒等废渣进废渣池，浆液进精浆池。=8\*GB2⑻精浆池：容积70m3，用于储存精浆，精浆池上安设搅拌机一台，及时搅拌以免沉淀。⑼粘土水泥浆搅拌机：因粘土浆、水泥浆经过一段时间易沉淀，需要安装搅拌机进行搅拌方能注浆。搅拌机采用淄博电机厂生产的BLD5—71—5.5型行星摆线式针轮减速机制造，功率5.5kw，传速比：71。5.3射流造浆系统由散装水泥罐、气动下料、调速螺旋、计量螺旋、变频调速控制柜、注浆控制系统等组成。（1）散装水泥罐：设计4个，罐体直经2.6m，高6.3m，总高11.2m，含除尘和料位控制，可储存水泥50（2）射流造浆监控系统。射流造浆是射流泵输送的粘土浆经射流造浆器产生的高压射流体和水泥混合，从而制造粘土水泥浆。同传统的搅拌造浆相比，具有抗干扰能力强、可靠性高、造浆性能稳定、效率高、场地占用少等优点，在注浆治水中得到越来越广泛的应用。与此相适应，配备水泥气动下料装置和注浆控制系统。注浆控制系统由煤矿注浆专用微机（带显示器）、打印机、亚当I/O模块、集线柜、R232连线、组态王开发软件（加狗）、注浆控制专家管理系统、压力变送器、液位计、开关电源、变频调速螺旋机、计量螺旋机、变频调速控制柜、射流造浆器组成。根据设定的注浆方式（单液水泥浆、粘土水泥浆、复合浆）、注浆密度和注浆压力，通过对现场有关参数的采集处理，进而实现对造浆、注浆过程的跟踪控制。5.4注浆系统由泥浆泵、压力表、电磁流量计、微机工业密度计、注浆管路、送料孔组成：（1）泥浆泵：是输送浆液的主要设备，采用NBB260/7型泥浆泵，五级变速，流量分别为260、167、106、60、35L/min，电机功率45kw，工作压力7～10MPa，最大工作压力12MPa。由石家庄煤机有限责任公司与肥矿集团联合开发。（2）压力表：量程不低于6MPa，用于观测注浆系统压力，量程与泥浆泵、管路及规定注浆压力范围等配套。安装在泥浆泵及井下注浆孔孔口上。（3）注浆管路：与地面泥浆泵、电磁流量计、微机工业密度计、送料孔及井下钻孔相连，泥浆泵与送料孔用高压胶管连接，用于输送浆液，采用直经50×6mm5.5供水系统供水系统：包括水源井或水塔、水泵、高位储水池、清水池、水管等。水源井或水塔的供水量不低于30m3/h，确保注浆站连续造浆、注浆用水。储水池容量不小于60m3，储水部分高出地面45.6供电系统本注浆站共设计电动设备63台件，合计功率450kw左右，常用设备功率420kw左右,可根据此功率考虑供电线路及配电设备。6CL-C注浆材料研究6.1CL-C浆液发展历史简介粘土作为一种注浆材料，我国50年代在煤矿注浆中已有应用，当时粘土只是作为一种悬浮剂，规模较小。80年代中后期，煤矿建井越来越深，注浆材料消耗也随之增大，如华北某矿井，420～750m共330m注浆井筒，注入水泥24258.80t，注浆材料成本1100万元之多，每米井筒注浆材料费用3.67万元。为降低成本、提高注浆效率，煤科总院建井分院（原建井所）1991年研制出CL-C注浆材料并在山东枣庄矿务局付村西风井应用成功。此后，在地面预注浆中CL-C浆液全面代替了以水泥为主的注浆材料，该科研成果获1995年国家科技进步二等奖。截至目前，已有80余个井筒应用CL-C浆液进行地面预注浆。国外同类注浆材料在前苏联国家、东欧地区、美国及南非等国家上世纪六、七十年代陆续应用。薄层灰岩注浆改造，1986年在山东肥城等地已开始，注浆材料为水泥浆。苏联“注浆与地质勘探专业联合公司（STG）”，从70年代就广泛采用粘土水泥浆进行岩溶裂隙和不稳定地层注浆。山东肥城先由煤炭科学研究总院建井研究分院进行了CL-C浆液室内配方及模型注浆研究，然后进行工业性试验。从1991年底后便大量推广使用粘土水泥浆对薄层灰岩进行注浆改造。实践证明：薄层灰岩注浆改造是防止奥灰水突出的有效措施，CL-C浆液是良好的注浆材料，其技术、工艺是成功的。6.2CL-C浆液堵水机理6.2.1粘土水泥浆的粘土水泥浆三态变化是其成功堵水的内因，在粘性状态下浆液具有良好的悬浮稳定性、流动性和扩散性；塑性强度增加可防止浆液沿单一裂隙超扩散,防止地下水渗透、稀释、冲走；弹性状态保证形成密实的堵水帷幕，并具有长时间的耐久性。6.2.2粘土水泥浆的可注性和流变性粘度和屈服应力主要受水化时间影响,少量析水后浆液的粘度和屈服应力也会增大,但不致失去流动性，浆液流动过程中脱水并逐渐密实与这一特性有关。假定浆液在一圆管中流动(经计算发生层流的可能性较大)，其流速分布如图2所示。浆液流速与其粘度成反比，析出的水粘度小，其流速大于浆液流速，在图2塑性流体在圆管中的层流流速分布示意R——圆管半径；r0——塞流半径；vr0——塞流流速；vr1——半径为r1处流速(r0≤r1≤R)流动过程中逐渐汇聚在浆液前部，相对落后的浆液密度渐渐增大，浆液在圆管中的停留时间分布与流速分布相反，停留时间越靠近管壁处越长，浆液粘度和屈服应力随时间增大到一定程度后，失去流动性，进入塑性状态。中心处浆液对周围浆液挤压，使其束缚的水释放出来，从而使浆液的密度显著增大，密实性提高。随着中心可流动区域的逐渐缩小，浆液流动阻力逐渐升高。浆液停止流动后，其中的水泥彻底水化，吸收了剩余的水，并形成具有一定密度、强度的结石体。长期大量的工业性试验表明，粘土水泥浆既具有浆液扩散所需要的流动性，又可脱水密实形成较高结石强度的堵水帷幕。6.2.3粘土水泥浆以粘土为主剂，水泥为结构生成剂，另加S型结构促成剂（水玻璃）共三种成分组成。其主要反应如下：粘土是含水铝硅酸盐，其矿物成分多为高岭土、蒙脱石、伊利石，具有吸水能力。水泥、水玻璃为水硬性材料，凝结过程对浆液性能影响较大。由于粘土、水泥、水玻璃之间的反应速度不同，使粘土水泥浆在凝结过程中发生了从流态到固态所产生的具有流动性的粘性状态、形成网状结构、流动性下降的塑性状态、形成化学力相连接的新固相，具有一定强度的弹性状态。三种状态连续演变，无明显的初凝、终凝。(一)粘性状态粘土颗粒通常小于0.005mm，和水结合生成胶体分散体系，其中二氧化硅微粒表面吸附了钠、钾、钙离子，形成了一定厚度的离子扩散层。当水泥颗粒均匀地分散到粘土浆后，因粘土的悬浮作用，水泥颗粒处于相对稳定的状态。水泥矿物水化后，氢氧化钙与土粒发生离子交换反应，钙离子使土颗粒分散度降低，稳定性下降。加入水玻璃后，水玻璃与氢氧化钙反应，生成一定强度的产物，其表面积较大，同时也因水玻璃中的钠离子重新置换了粘土颗粒上的钙离子，因而粘土颗粒的分散度有所提高。宏观现象也证实了这个过程，即粘土浆中加入水泥后粘度增大不明显，析水倾向性增大；加入水玻璃后粘度增加幅度大，稳定性提高。土颗粒、水泥粒子、水玻璃间发生了上述反应后，有明显的胶凝现象，粘度增大，但因水泥水化速度慢，只有很少一部分粒子水化，这时的主要反应是(4)和(5)。浆液还不具备抵抗外力的能力，具有良好的流动性和稳定性。(二)塑性状态随着水泥水化的进行，生成大量以物理力相互连接的胶体颗粒，形成一种网状结构并包围粘土颗粒，浆液表现出塑性。在外力的作用下网状结构被破坏，释放出束缚的水，颗粒分散，外力解除后网状结构可以恢复，浆液表现出塑性，具有塑性强度。(三)弹性状态生成大量水泥水化粒子后，在液相中形成以化学力相连接的新固相，具有不可逆性，抵抗外力的能力较高，这个过程主要按反应式(2)进行的。同时水泥水化产物氢氧化钙与粘土发生粒子交换，粘土颗粒凝聚。因此粘土水泥浆结石体强度、密实性与水泥含量有直接关系。通过以上堵水机理及凝结性分析，CL-C粘土水泥浆在粘性状态具有很好的流动性和稳定性，在塑性状态有一定塑性强度，在弹性状态结石体有一定强度，虽然水泥含量较少，抗压强度较低，但仍能够抵抗地下水的压力而不被从裂隙中挤出，因而能够起到堵水作用。CL-C粘土水泥浆的粘度决定其流动性和可注性，析水率决定浆液的结石率，塑性强度决定浆液的扩散性能和抵抗地下水挤压的能力，因此粘土水泥浆的主要性能包括粘度、析水率和塑性强度。6.3CL-C浆液性能研究通过实验室大量实验研究，对粘土水泥浆的比重、粘度、析水率、塑性强度等性能进行了较为系统的研究，并取得良好结果。6.3.1CL⑴实验室实验用土实验粘土取自邢台南河县的表土层，粘土外观特征为紫褐色粘土（N1），粘土样品送至中科院地质研究所测试物化性能，分析结果见表3。表3粘土水理性质及物质组成液限(%)塑限(%)塑性指数自由膨胀率(%)颗粒组成(mm，％)活性指数(PI/＜2UM)蒙脱石(％)有机质(％)CaCO3(％)工程定名备注＞0.0750.075～0.005＜0.005＜0.00252.6427.1325.5160.000.2330.3369.4457.080.4524.603.988.59高塑性、弱胀缩性粘土N1滨湖粘土具有铁质胶结表4粘土颗粒组成编号液限(%)塑限(%)塑性指数自由膨胀率(%)颗粒组成(mm，％)有机质(％)CaCO3(％)蒙脱石(％)工程定名2-0.50.5-0.250.25-0.0750.075-0.005＜0.005＜0.002申庄村南51.230.121.1551.04.06.035.054.033.00.300.036.20粘土申庄-柳沟41.824.517.3432.77.68.745.535.523.00.260.035.53粘土北祁村63.030.332.7680.30.71.022.076.063.50.270.038.33粘土西葛泉南38.424.014.42414.32.43.053.327.020.00.301.418.20粉质粘土⑵工业性试验用土对注浆工程使用粘土进行了物性分析，分析结果如表4所示。由表中分析结果以及结合成本，表中所列粘土均可作为本注浆工程用土。⑶注浆粘土使用标准表土段粘土种类繁多、成分复杂，不同地域的粘土物化成分差别也较大，好的粘土是粘土浆堵水成功的前提和关键。依据CL-C注浆材料研究理论、粘土浆堵水机理以及实验室研究和工程应用实例证明，注浆用粘土应符合如下标准：粘土的塑性指数＞10；粘土颗粒（粒径＜0.005mm）＞25％；含砂量＜5％；有机物＜3％。总之，符合以上标准并工程定名为粘土的土样均可以作为注浆材料使用，注浆时粘土具体使用量（粘土原浆的比重）要根据不同的土样、受注地层、注浆工艺、注浆参数以及实验研究配方等因素灵活调整。6.3.2浆液不同配比条件下比重、粘度、析水率的实验根据设计的三因素四水平正交试验，测得不同实验条件下浆液的性能参数——比重、粘度、析水率，具体实验测定结果见表5。表5粘土水泥浆正交试验设计及性能测定结果正交实验编号粘土原浆水泥用量/g水玻璃用量/mL粘土水泥浆比重/(g·mL)粘度/s用量/mL比重/(g·mL)粘度*/s析水率/％11.1316.12956.710010.01.1925.162.021.1717.41933.315016.71.2767.25＜1.031.2119.87910.020023.31.33滴流＜0.541.2525.50886.725030.01.40滴流＜0.551.1316.41926.715023.31.2352.840.861.1717.50936.710030.01.2410.0滴1.071.2119.50906.725010.01.36滴流＜0.581.2525.53916.620016.71.37滴流＜0.591.1316.37903.320030.01.2683.250.5101.1717.40893.425023.31.3393.0滴0.5111.2119.66950.010016.71.274.0滴＜0.5121.2525.80940.015010.01.34滴流＜0.5131.1316.04900.025016.71.2936.721.0141.1717.35923.320010.01.2952.940.8151.2119.56920.015030.01.30滴流＜0.5161.2525.64943.410023.31.31滴流＜0.5注：*－此列中的“滴流”表示浆液太稠，测试过程中浆液从呈股流下状态转为滴流，“滴流”前的数字表示滴流之前所用的时间。6.3.3不同配比条件下浆体塑性强度的根据不同的试验条件，先配制好浆液，然后室温下圆模成型，最后将圆模放于SHBY－40A型水泥标准养护箱中养护，以供塑性强度测试。浆液的塑性强度（τ）由公式（式-1）计算所得。其中测试深度用改进后的水泥凝结时间测定仪测定，试锥锥入圆模上水平面的深度即为测试深度。（式-1）式中：τ——塑性强度，kPa；G——作用在试块上的力，大小为2.5N；α——为试锥的夹角，大小为30°；h——测试深度，mm；π——为圆周率常数，此处取3.14。根据式（式-1）的计算方法，测得不同正交试验条件下（其中配制浆液体积均为1000mL，水泥和水玻璃用量均以1000mL浆液需要量计算）试样龄期与塑性强度之间的关系，如图3。图3浆体塑性强度与龄期间的的关系a—原浆比重1.13；b—原浆比重1.17；c—原浆比重1.21；d—原浆比重1.251-水泥100g，添加剂10.0mL；2-水泥150g，添加剂16.7mL；3-水泥200g，添加剂23.3mL；4-水泥250g，添加剂30.0mL；5-水泥150g，添加剂23.3mL；6-水泥100g，添加剂30.0mL；7-水泥250g，添加剂10.0mL；8-水泥200g，添加剂16.7mL；9-水泥200g，添加剂30.0mL；10-水泥250g，添加剂23.3mL；11-水泥100g，添加剂16.7mL；12-水泥150g，添加剂10.0mL；13-水泥250g,添加剂16.7mL；14-水泥200g，添加剂10.0mL；15-水泥150g，添加剂30.0mL；16-水泥100g，添加剂23.3mL6.3.4⑴粘度分析随着原浆比重增大、水泥用量增大、水玻璃用量增大，粘土水泥浆的粘度增大，通过对表5中不同水泥和水玻璃用量下的粘度数据进行正交分析，有T3＞T1＞T2，即三个因素对浆液粘度的影响情况：水玻璃的影响最大，原浆比重的影响较大，而水泥用量的影响最小。⑵塑性强度分析随着原浆比重增大、水泥用量增大、水玻璃用量增大，粘土水泥浆的塑性强度增长速度加快，将各龄期的塑性强度进行正交试验分析，各龄期（2h～24h）的计算结果均为T3＞T1＞T2。说明水玻璃对浆体早期的塑性强度（24h）影响最大，原浆比重的影响次之，水泥用量的影响最小。⑶注浆配方选择分析根据不同因素对浆液粘度以及对浆体早期（24h）塑性强度的影响分析可知，在一般地层注浆时，原浆的比重宜在1.13～1.20之间，水泥的用量宜在100～150kg/m3浆液，水玻璃的用量宜在10～30L/m3浆液。6.4CL-C浆液的特点通过以上探讨和实验研究，可以看出，与传统的单液水泥浆相比，CL-C粘土水泥浆有以下主要特点：（1）在粘性状态不沉淀、不稀释，具有良好的流动性和稳定性，保证了浆液在裂隙中足够的扩散距离。（2）在粘性状态下有较高的粘度，并在一定时期后进入塑性状态，其粘度及塑性强度可以通过原浆比重、水泥加量及水玻璃加量进行控制和调节，因此可以有效控制浆液的超扩散，在合理的注浆量范围内达到设计压力，满足注浆工艺的要求。（3）因主要成份粘土颗粒更细，更容易注入较细小的裂隙，且结石体具有良好的抗渗性、稳定性和耐久性，堵水效果更好。（4）因粘土矿物和水玻璃的作用，析水率低，结石率高（可达95%以上，而水灰比1:1的单液水泥浆的结石率为85%），对于一个注浆段一次注浆就可以结束，而单液水泥浆需要小段高多次复注才能达到要求。因此采用CL-C浆液可以大大减少注浆次数，提高注浆效率，使注浆工期缩短60～80%。（5）水泥用量可减少70～80%，降低注浆成本30～50%，经济效益显著。正因为CL-C浆液具有以上特点，堵水效果优于单液水泥浆，注浆效率高，成本低，适用于基岩含水层地下水的封堵与防治，从而得到广泛的应用。7工业性试验7.1注浆孔的布置本阶段粘土水泥浆注浆堵水工作主要实施于葛泉矿东井东翼运输大巷、东翼轨道大巷和1193工作面的部分地段。注浆钻孔具体布置图如图4所示，分别为试验1孔、试验2孔、CQ-9孔、CQ-10孔、DGCQ-6孔和DGCQ-7孔，其中1193工作面外加15注浆孔未在图中标出，另外图4中还包含了本溪放水试验的水文观测孔——观7孔和观9孔。图4葛泉矿东井部分注浆钻孔布置图图5-图10分别列出了部分注浆钻孔的成果剖面图（东翼运输大巷注浆试验1孔、东翼运输大巷注浆试验2孔、东翼轨道大巷DGCQ-6孔、1193加15孔、东翼运输大巷CQ-9孔和东翼轨道大巷DGCQ-5孔）。其中成果剖面图中均包含了本注浆层位的详细地质情况，另外图中还画出了各个钻孔的结构示意图，并相应标注了注浆孔的方位、标高以及注浆孔的孔径、注浆段长度等注浆参数。由注浆钻孔成果剖面图可知，注浆段主要位于铝土质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩以及本溪灰岩层位中，钻孔涌水可能主要来自于砂岩以及本溪灰岩中的微裂隙水，煤层底板可能隐伏导水裂隙带。加之本区岩溶异常体比较发育，因此，本溪灰岩水与奥灰水之间水力联系较好，可能存在奥灰水垂向越流补给现象或其它形式的补给方式。另据地质资料分析，含水裂隙开度较小，所以注浆堵水材料的粒径和粘度不应太大。图5东翼运输大巷注浆试验1孔钻探成果剖面图图6东翼运输大巷注浆试验2孔钻探成果剖面图图7东翼轨道大巷DGCQ-6孔钻探成果剖面图图81193加15孔钻探成果剖面图图9东翼运输大巷CQ-9孔钻探成果剖面图图10东翼轨道大巷DGCQ-5孔钻探成果剖面图7.2注浆机具表6中列出了注浆所用主要设备。表6注浆用主要设备表序号设备名称规格及型号结构类型及主要参数数量备注1制浆机NL20外形1.7×1.7×1.7m。流量20m3/h，30KW3台2皮带输送机YD60机身长10m、宽0.5m，油浸式电动滚筒5.5kw2台3搅拌机BLD5-71-5.51.7m，2.7m，5.7m8台4泥浆泵（注浆泵）NBB260/75级变速，45kw6台5液下多用泵DYWS50-205.5KW（粗浆池用）4台6清水泵IS-80-65-1602台7潜污泵QWK2.2KW（精浆池用）8台8旋流振动除砂器JSN-2B40m3/h～80m2台9配电盘PGL注浆站配套专用12台10散装水泥罐50tΦ2.6×6.3×11.2m。含除尘和料位控制2台11气动下料装置专利产品含空压机、气动柱阀、螺旋闸门及破拱装置2台12在线工业密度计KF-102含射源容器、探测器、主机等4台13电磁流量计LDG-50泥浆专用4台14注浆控制系统1套7.3注浆工艺粘土经人工上料，通过皮带运输机进入制浆机，粘土上料前先开启高位储水池与制浆机连接阀门，开启管道泵，按浆液的浓度要求控制水量，向制浆机供水造浆，粘土经制浆机粉碎、搅拌、筛选后制出最初的粘土浆既粗浆放入粗浆池。通过现场测试比重及时调整粘土量及供水量，使粘土浆的比重控制在1.10～1.18左右，粘度控制在17～25秒之间。粗浆经液下多用泵、通过旋流除沙器除砂后变成精浆进精浆池。精浆经搅拌测试后用潜污泵进入射流造浆系统，水泥用量由微机控制，按需要的比例配制，粘土水泥浆进入吸浆池以备注浆。开始注浆时先将吸浆笼头放入吸浆池，之后开启泥浆泵，浆液通过泥浆泵、电磁流量计、微机工业密度计、注浆管路、送料孔、井下管路进入注浆孔受注层（如工艺流程示意图11）。图11注浆站工艺流程示意图7.3.1注浆材料工业性试验采用“邢台南河县”粘土、P.O32.5普通硅酸盐水泥为主要注浆材料，其中要求水泥性能稳定，不变质，不过期，颗粒均匀，无硬块。水玻璃作为粘土水泥浆的外加剂，在地面预注浆工程应用中加入量通常控制在10～30L/m3，而在葛泉东井9#煤层底板和本溪灰岩含水层实际注浆过程中，水玻璃的加入量控制在0～10L/m3。水玻璃加入量的减少乃至不添加原因主要与本受注地层特点有关，本地层溶蚀裂隙较发育、富水性大，结合前期单液浆水灰比为4:1的浆液仍难以注入，可知导水裂隙开度小。水玻璃加入量大，相应浆液粘度高，导致地层吃浆困难、升压快、注入量少，注浆堵水效果差。综上，水玻璃加入量根据注浆的实际情况进行了灵活调整，其加入量比地面预注浆要低，在每次注浆结束前必须加入适量的水玻璃，达到早期高强度注浆材料结束注浆的目的，进而缩短泄压周期。表7是本阶段工业性试验各注浆孔注浆材料用量汇总表。表7注浆材料用量汇总表孔号注浆段长（m）注浆材料用量水泥/t粘土/t水玻璃/L试验1孔66.111.626.2857CQ-9孔126.249.579.11400试验2孔66.225.421.6525DGCQ-6孔107.711.914350DGCQ-7孔124.66.38.6/CQ-10孔100.840.977.513751193加15孔8218.921.8/7.3.2浆液比重试验采用的粘土原浆比重为1.10～1.13，添加入水泥、水玻璃后的浆液比重在1.12～1.32，从试验结果看，该浓度范围可以满足注浆堵水要求。制浆时要每半小时测定粘土浆的比重、粘度，根据测试情况及时调整供水量及粘土量，严格控制浆液浓度在规定范围之内。适宜的粘土原浆比重1.10～1.18，粘土水泥浆比重为1.12～1.30。注浆过程中还要测定粘土水泥浆的粘度、塑性强度等指标。对于地层堵水而言，浆液比重是注浆材料一项重要参数。浆液比重大意味着浆液中含有的堵水有效成分（粘土、水泥）干料多，越有利于注浆堵水，堵水效果也越好。但对于特殊地层，比如本受注地层，浆液的比重若是太高，升压太快、注浆量太少，进而可能导致注浆效果不理想后果。所以综合考虑，本阶段浆液的比重不高，实际浆液比重如表8所示。表8浆液比重汇总表孔号注浆段长（m）原浆比重浆液比重试验1孔66.11.10～1.131.14～1.22CQ-9孔126.21.101.12～1.22试验2孔66.21.101.13～1.20DGCQ-6孔107.71.101.13～1.22DGCQ-7孔124.61.101.12～1.28CQ-10孔100.81.101.12～1.321193加15孔821.101.14～1.22制浆时每半小时测定粘土浆的比重、粘度，根据测试情况及时调整供水量及粘土量，严格控制浆液浓度在规定范围之内。经射流造浆后，制成的粘土水泥混合浆的比重为1.12～1.3之间。7.3.3注浆段长本次试验以钻孔深度为一次段长，段长为66.1～126.2m。可以根据钻孔出水量，钻孔注浆参数等，适当缩短注浆段长，每30～50m为一段长，以提高注浆质量。钻孔先以Φ108mm钻头开孔，根据地层特点，钻至一定深度之后改换相应钻具组合，直至钻至终孔，部分注浆孔段长统计列于表9。表9注浆孔段长汇总表孔号Φ108mm段长/mΦ89mm段长/mΦ73mm段长/m注浆段总长/m试验1孔102234.166.1CQ-9孔810108.2126.2试验2孔102036.266.2DGCQ-6孔183059.7107.7DGCQ-5孔183061.2109.2地面预注浆工程中段高一般根据含水层的位置及合适止浆位置，再结合段高不应太长的原则划分（一般以50～80m为宜）。而在本研究中，由于受注地层是间距小的9#煤层底板及本溪灰岩含水层，并且钻孔是斜穿孔，所以注浆以钻孔的总长为一注浆段，不另分段高。7.3.4注浆量和注浆终压各注浆孔的实际注入量和注浆终压列于表10中。试验采用的注浆终量35L/min，注浆终压:地面3.3～6.0MPa，井下6.5～8.0MPa，分别达到孔口静水压力的3倍和5表10注浆量和注浆终压汇总表孔号孔口静水压（MPa）注浆终压（MPa）注浆量泵终压井下终压水泥/t粘土/t水玻璃/L试验1孔1.65.28.011.626.2857CQ-9孔1.66.07.949.579.11400试验2孔1.64.07.025.421.6525DGCQ-6孔1.64.88.011.914350DGCQ-7孔1.64.07.06.38.6/CQ-10孔1.25.37.940.977.513751193加15孔1.03.36.518.921.8/7.3.5注浆方式以连续注浆为主。若单孔注浆量较大时，可考虑间歇注浆，间歇时间一般为8小时，间歇期间必须将注浆管路冲洗干净。7.3.6注浆结束压力标准孔口压力达到水压的3倍以上，泵量为35L/min，并持续20min以上可以7.3.7注浆质量的检查注浆结束后对注浆质量的检查是评价此次注浆效果的最好途径。本阶段粘土水泥浆注浆结果主要采用了两种方式检验：⑴在注浆结束后，分别对于相应的注浆孔取芯，取芯发现注入的粘土水泥浆均呈膏状物，并具有一定的可塑性，可以预见在高压下浆液脱水，形成的浆体具有较好的堵水效果。⑵注浆孔均在有1.6MPa左右静水压的煤层底板或者本溪灰岩层，所以在受注地层注浆结束之后，打相应的检查孔是检验注浆效果的另一有力途径。因为，若是含水裂隙堵水效果不理想，则在静水压力下检查孔仍会有水流出。在7.4.2节中表12讨论可知，本次粘土水泥浆注浆是成功的。7.4注浆成果7.4.1注浆孔参数表11罗列了部分注浆孔孔位以及涌水量等参数。此次注浆的目的是对9#煤底板及本溪灰岩含水层进行注浆改造，所以注浆孔位基本延伸至本溪灰岩底板以下。7.4.2注浆成果分析表12汇入了试验1孔、CQ-9孔、试验2孔、DGCQ-6孔、DGCQ-7孔、CQ-10孔以及1193加15孔共7个注浆孔的注浆成果内容。鉴于地层原因，钻孔吃浆困难，注压升高较快，为了达到理想注浆堵水效果，在实际注浆过程中对原浆比重进行了灵活调整，原浆比重基本控制在1.10左右，加入水泥之后的浆液比重也基本稳定在1.32以下。所以保证了浆液有较大的扩散半径，同时也提高了注浆量，并最终达到较好的注浆堵水效果。从表8中的注浆前后的钻孔涌水数据可以看出，本次粘土水泥浆对9#煤层底板以及本溪灰岩水的堵水效果很好，剩余涌水量均在1.5m3/h以下，其中CQ-9、CQ-10两孔注浆量最大，堵水效果也最好，剩余涌水量均为0.01m值得一提的是在CQ-9孔注浆过程中，本溪放水试验中的观7孔因串浆被封闭，不能做观测孔使用，又在观7孔左侧55m处（本溪灰岩位置）施工观9孔，结果观9孔穿过本溪灰岩后水量仅为0.01m3/h；93加15孔在钻至本溪灰岩75m（斜距）初始出水70m３/h，粘土水泥浆注浆结束后，扫孔钻至灰岩下2m剩余涌水量1.5m表11注浆孔孔位及涌水量参数孔号钻孔位置钻孔方位（°）钻孔倾角（°）开孔层位开孔标高（m）终孔层位终孔深度（m）注浆前涌水量（m3/h）终孔静水压（MPa）试验1孔东翼运输大巷回16#前48m306-218+9#煤中-122.4本溪底板2m66.1731.6试验2孔东翼运输大巷回18#前6m320-188+9#煤中-122.4本溪底板2m66.2201.6DGCQ-6孔东翼轨道大巷G14#前91m71-198、9#煤-148.5铝土质泥岩107.7151.6DGCQ-7孔东翼轨道大巷G14#前91m60-178、9#煤-148.5铝土质泥岩124.6301.6CQ-9孔东翼运输大巷回16#点前111m46-138+9#煤中-123本溪底板126.281.6CQ-10孔东翼运输大巷--208+9#煤中-本溪底板100.81301.21193加15孔西翼轨道大巷45-199#煤-145.9本溪底板82701.0表12注浆工程成果表孔号注浆时间注浆段长（m）孔口静水压（MPa）原浆比重浆液比重注浆参数注浆前涌水量（m3/h）注浆后涌水量（m3/h）注浆量结束流量（L/min）泵终压（MPa）井下终压（MPa）水泥/t粘土/t水玻璃/L试验1孔3.26～3.2766.11.61.10～1.131.14～1.22355.28.0730.2（扫孔）11.626.2857CQ-9孔3.30～4.02126.21.61.101.12～1.22356.07.980.01(检查孔)49.579.11400试验2孔4.24～4.2566.21.61.101.13～1.20354.07.020-25.421.6525DGCQ-6孔5.02～5.03107.71.61.101.13～1.22354.88.015-11.914350DGCQ-7孔5.09～5.10124.61.61.101.12～1.28354.07.030-6.38.6/CQ-10孔4.11～4.13100.81.21.101.12～1.32355.37.91300.01（扫孔）40.977.513751193加15孔5.10～5.11821.01.101.14～1.22353.36.5701.5（扫孔）18.921.8/综上可知，在本矿井底板改造和本溪灰岩改造工程中，地层允许的情况下，可以灵活调整原浆的比重和水玻璃的加入量，在原浆比重较小（仅为1.10），水玻璃加入量相对较少（甚至不加）的情况下，粘土水泥浆仍能对葛泉矿东井9#煤底板及本溪灰岩起到良好的堵水效果。7.5注浆效果对比前期，为了矿井安全生产，预防矿井地下出水等安全隐患，曾多次对葛泉矿东井1190工作面、1192工作面和1194工作面的多处进行过单液水泥浆注浆改造。三个工作面共施工606个注浆孔，总注浆段长为38642.9m，总注入水泥量为32452吨。在对1190、1192和1194三个工作面注浆结束后，分别对三个工作面的水泥浆注浆堵水效果进行了检验，其中，在1190工作面布置了58个检查孔，平均钻孔涌水量为7.14m3/h；1192工作面-70m以上共布置检查孔9个，平均涌水量为6.38m3/h；1192工作面-70～-100m共布置检查孔15个，平均涌水量为4.34m3/h；1194表131190、1192、1194三个工作面水泥浆注浆汇总表工作面注浆孔数/个注浆段总长/m水泥用量/t检查孔个数单孔涌水量（m3/h）平均涌水量（m3/h）119027817635.614715.1581.0～337.141192-70m以上20612527.413178.291.5～126.38-70～-100m150.5～10.74.3411941228479.94558.8290.2～11.22.10表14粘土水泥浆与水泥浆注浆效果对比表钻孔编号初始涌水量（m3/h）孔深/m注浆量、压力剩余涌水量（m3/h）孔深/m注浆量、压力浆液1193加157075.0水泥18.93t粘土21.8t压力8Mpa1.582.0水泥2.51t压力7.5Mpa粘土水泥浆1194Y1-18077.3水泥62.7t压力7Mpa12097.3水泥26.4t压力5.8Mpa水泥浆94YCQ-31862.0水泥66.8t压力5.6Mpa2678.5水泥62t压力6Mpa水泥浆1192L1-17043.9水泥32.8t压力4Mpa6053.04水泥16t压力5.4Mpa水泥浆1190L2-810035.9水泥41t压力7Mpa11048.6水泥45.4t压力7Mpa水泥浆由表13中单液水泥浆检查孔的涌水量数据分析可知，水泥浆堵水效果不甚理想，有的检查孔水量达33m3/h，从表14中亦可看出，单液浆注浆结束后再钻进10m左右，注浆孔涌水量仍然很大；但从7.4.2节注浆成果分析可以看出，93加15孔、实验1孔以及CQ-10孔的扫孔后水量很小，特别是观9孔揭露本溪灰岩的水量仅为0.01m3/h，几乎无水，以上足以证明：粘土水泥浆的注浆效果要好于单液7.6粘土水泥浆、单液水泥浆的适应性根据实验理论研究以及工程实践证明，单液水泥浆更适合于破碎带、断层、矿井装载硐室等特殊地层的加固。这主要是因为，单液水泥浆的结石率低、悬浮性差、扩散半径小，但其强度大，所以适合用于地基、特殊地层等的加固。粘土水泥浆由于其中含有粘土成分，并具有特有的粘塑性，使得浆液悬浮性大大改善，进而提高了浆液的结石率，好的悬浮性使得浆液中有效成分不易在含水裂隙中沉降，从而扩大了浆液的扩散距离，水玻璃的加入，浆液的悬浮性更好，扩散半径亦会扩大，所以粘土水泥浆的堵水效果好于单液水泥浆。注浆材料强度的高低来源水泥用量多少，粘土水泥浆中水泥用量一般控制在100～300kg/m3，所以CL-C浆液结石体的强度不会太高，CL-C浆液主要起到注浆堵水的作用，对受注地层的强度影响不大；单液水泥浆水泥含量高，对应强度也高，所以更适合于地基、破碎带、矿井装载硐室等特殊地层的加固。综上，在本矿井工作面、本溪含水层等地层完全可以应用成本低、工期短、堵水效果好的粘土水泥浆作为注浆堵水材料。在本溪灰岩注浆过程中，若是碰见吃浆量较大、长时间不升压的情况，说明受注地层的本溪灰岩中很可能有小的溶洞存在，此时对于注浆可以灵活把握，改注成本低相对强度高的粉煤灰水泥浆液；若是受注本溪灰岩吃浆量很大，并且长时间不升压，则可能遇见大的溶洞，此时需要先添加骨料后注浆，采取先注粗浆后注细浆的原则，即先填骨料，再注粉煤灰浆液、水泥浆液，后注粘土水泥浆。8粘土水泥浆注浆经济效益分析8.1粘土水泥浆与单液水泥浆每立方浆液用原料成本对比根据工程注浆的实际情况，结合注浆原料单价：散装水泥185元/吨、水玻璃1000元/吨、粘土约50元/立方，对配制1m3粘土水泥浆原浆比重1.1、水泥用量100kg/m3、水玻璃用量10L/m3单液水泥浆水灰比为4:1（浆液比重约1.15）其中，粘土的含砂量以10%计算，粘土密度取2.0g/mL，计算可知有效粘土单价为27.8元/吨。表15中比较了分别配制1m表15配制1m3浆液种类配制浆液原料配制1m3浆液成本水泥粘土水玻璃单液水泥浆0.23t42.55元000042.55粘土水泥浆0.10t18.5元0.19t5.28元0.01t10元33.78由表15中的统计结果可见，配制相同方量的浆液，粘土水泥浆较单液水泥浆成本低，每方浆液将节约成本8.77元。按一吨水泥能制成1.1比重的单液水泥浆4.35m3计算，制成4.35m3的粘土水泥浆可节约费用38.15元。另外，根据地面预注浆经验可知，粘土水泥浆较单液水泥浆可以节约水泥60%-70%，所以在1192、1190、1194工作面注浆中，若是注粘土水泥浆，将可以节约水泥1.92万吨左右，节约成本355.2万元，再结合每吨水泥节约成本38.15元，可以预测可以共节约成本404万元左右。8.2注浆工期效益通过大量的注浆试验证明，CL-C浆液和单液水泥浆在注浆效率上有很大差别，CL-C浆液的注浆效率远远优于单液水泥浆，所以在达到相同注浆效果的前提下，单液水泥浆将需要更多的注浆次数、注浆时间，从而大大的影响了工期。相比而言，单液水泥浆工期效益远远低于CL-C浆液。9结论通过粘土水泥浆的实验室研究，以及结合本次葛泉矿东井9#煤底板和本溪灰岩含水层CL