高濃度化學(xué)漿液的研制與應(yīng)用效果

朱效中，朱學(xué)光

(安徽省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所，安徽合肥 230001)

高濃度化學(xué)漿液的研制與應(yīng)用效果

朱效中，朱學(xué)光

(安徽省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所，安徽合肥 230001)

淮北某煤礦因第四含水層水量過(guò)大，通過(guò)F5斷層導(dǎo)入采煤工作面，使采煤生產(chǎn)陷入停頓。為解決采煤工作面涌水量過(guò)大問(wèn)題，研制了高濃度化學(xué)漿液，經(jīng)鉆孔注漿收到良好的止水效果，使近200萬(wàn)t煤炭資源恢復(fù)開(kāi)采，取得了很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

高分子;高濃度;化學(xué)漿液;注漿止水;采煤

0 引言

高濃度化學(xué)漿液主要是由膨潤(rùn)土粉、高效分散劑、絮凝劑、膨脹性纖維和結(jié)構(gòu)性復(fù)合處理劑按程序配制而成。特點(diǎn)是在外力作用下，有較好的流動(dòng)性，失去外力時(shí)，結(jié)構(gòu)恢復(fù)，有較好的塑性(弱固性)，受采煤影響斷層再次活化時(shí)有較好的自動(dòng)充填裂隙隔水作用。主要應(yīng)用于復(fù)雜的鉆探工程、坑探工程、礦山突水治理等。

1 問(wèn)題的提出

淮北某煤礦采煤工作面上方賦存F5等多條斷層，由于受采動(dòng)影響，斷層位移，斷裂帶活化，再生裂隙發(fā)育，產(chǎn)生不規(guī)則的導(dǎo)水裂隙，使四含水通過(guò)裂隙導(dǎo)入采煤工作面，最大導(dǎo)水量達(dá)161 t/h，被迫停止采煤生產(chǎn)。礦方希望能研制出一種塑性膠體，注入斷層，封閉四含水通道，恢復(fù)采煤生產(chǎn)，并在斷層再次受到采煤影響時(shí)可以實(shí)施二次或多次注漿，保證采煤生產(chǎn)的連續(xù)性。

2 高濃度化學(xué)漿液的研制

2.1 理論依據(jù)

2.1.1 高分子的橋聯(lián)作用

由于高濃度化學(xué)漿液中含有大量的高分子物質(zhì)，分子鏈相對(duì)于粘土顆粒長(zhǎng)300～500倍，大部分粘土顆粒吸附在鏈節(jié)處，由分子鏈和粘土顆粒的橋聯(lián)作用，形成充滿整個(gè)體系的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，加入高價(jià)陽(yáng)離子絮凝劑后和高分子羧基、酰胺基等基團(tuán)的作用結(jié)果，增強(qiáng)了漿液的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

2.1.2 粘土顆粒邊角結(jié)構(gòu)作用

高度分散的粘土顆粒的邊角與邊角之間產(chǎn)生吸附作用，形成立體的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

2.1.3 高分子的附壁作用

注漿時(shí)在壓力作用下，高粘度化學(xué)漿液進(jìn)入斷層，滲入巖石破碎帶和裂隙，高分子物質(zhì)同時(shí)與裸露的巖石顆粒產(chǎn)生吸附作用。

2.1.4 絮凝劑的增塑作用

高濃度化學(xué)漿液在失去外力時(shí)，漿液逐漸趨于靜止，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形成，隨著粘土顆粒、高分子的定向排序，在絮凝劑的作用下強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，形成具有一定強(qiáng)度的塑性帷幕，切斷了導(dǎo)水通道，從而達(dá)到止水的目的。

2.1.5 木質(zhì)纖維的膨脹作用

木質(zhì)纖維有較好的吸水性，加入時(shí)顆粒較小，在漿液運(yùn)動(dòng)過(guò)程中迅速膨脹，體積增加，并具有良好的橋聯(lián)作用，在空間形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，提高了漿液的粘度，失去外力后，漿液的流動(dòng)性漸止，并加速塑性的形成。

2.2 基礎(chǔ)漿液材料的選擇及配方與性能

根據(jù)斷層注漿的特殊要求，在以往工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們選擇了山東高陽(yáng)膨潤(rùn)土粉、聚丙烯腈、聚丙烯酰氨、純堿、木質(zhì)纖維粉等基礎(chǔ)性漿液材料。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，主要優(yōu)選出低粘度化學(xué)漿液和高粘度化學(xué)漿液2種配方，前者用于清洗鉆孔、疏通和擴(kuò)大斷層和裂隙通道，并防止坍塌堵塞過(guò)水通道;后者主要用于斷層注漿，封閉過(guò)水通道。

2.2.1 低粘度化學(xué)漿液

配方(1m3水的加量):山東高陽(yáng)膨潤(rùn)土粉30～35 kg，純堿1.8 ～2 kg，水解聚丙烯腈18 ～20 kg，太古油6～8 kg，防塌劑20～25 kg。

性能:漏斗粘度22～25 s，pH值＞12，密度1.03～1.07 g/cm3，靜切力 1.6 ～2.5 Pa，動(dòng)切力 1.1 ～1.5 Pa，膠體率100%，流動(dòng)度＞30 cm，分離度9%。

2.2.2 高粘度化學(xué)漿液

配方(1m3水的加量):山東高陽(yáng)膨潤(rùn)土粉100～120 kg，純堿6 ～7 kg，聚丙烯腈30 ～35 kg，潤(rùn)滑減阻劑8～10 kg，絮凝劑4～5 kg，聚丙烯酰胺木質(zhì)粉35 ～45 kg。

性能:漏斗粘度80～120 s，pH值＞12，密度1.2～1.25 g/cm3，靜切力10 ～18 Pa，動(dòng)切力6 ～12 Pa，膠體率100%，失水量3～6 mL/30 min，流動(dòng)度12～16 cm，分離度0.3%。

2.3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

針對(duì)封堵四含水的特殊要求，以上述配方各配制2000 mL漿液，做了靜置實(shí)驗(yàn)、高速分離實(shí)驗(yàn)、防塌實(shí)驗(yàn)和漿液性能恢復(fù)實(shí)驗(yàn)。

2.3.1 靜置實(shí)驗(yàn)

主要目的:觀察靜態(tài)下有無(wú)水漿分離現(xiàn)象，由漿液形成弱固性的過(guò)程和時(shí)間。

各取400 mL均分裝入4個(gè)100 mL的燒杯中，加玻璃蓋密封，放入恒溫箱中(恒溫18℃)，每隔6 h觀察樣品變化情況，觀察漿液有無(wú)分離現(xiàn)象。再移去玻璃蓋，倒置燒杯，移去燒杯觀察樣品的形態(tài)變化情況。經(jīng)24 h觀察，低粘度和高粘度化學(xué)漿液均無(wú)水漿分離現(xiàn)象，隨著靜置時(shí)間的增長(zhǎng)，漿液漸漸失去流動(dòng)性。樣品形態(tài)變化情況見(jiàn)表1。

表1 靜置實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.2 高速分離實(shí)驗(yàn)

主要目的:漿液受力狀況下有無(wú)水漿分離現(xiàn)象。

選擇醫(yī)用高速分離機(jī)，按上述配方，各取120 mL，各分裝入4個(gè)試管中，用塑料塞封閉，編號(hào)后移入高速分離機(jī)保護(hù)筒中，轉(zhuǎn)速選擇3000 r/min，旋轉(zhuǎn)時(shí)間選擇5 min，經(jīng)計(jì)算低粘度化學(xué)漿液的平均分離度為9%，高粘度化學(xué)漿液的平均分離度為0.3%，符合漿液的設(shè)計(jì)要求。

2.3.3 防塌實(shí)驗(yàn)

主要目的:防止注漿過(guò)程中塌孔，封閉注漿通道，影響再注漿質(zhì)量。

取部分易塌地層巖樣(泥巖)，粉碎后過(guò)200目篩，在烘箱中烘干(105℃，時(shí)間3 h)，然后取出放在干燥瓶中冷卻至室溫。按巖粉與水9∶1的比例混合，放入模具中壓制成φ20 mm、長(zhǎng)300 mm的圓柱形試樣，將試樣放入500 mL的燒杯中，加入400 mL泥漿，把攪拌機(jī)葉片調(diào)至距試樣頂部15 mm處，攪拌速度600～700 r/min，連續(xù)攪拌8 h，取出試樣，測(cè)量試樣的變化量，經(jīng)采用“頁(yè)巖穩(wěn)定性指數(shù)”公式計(jì)算，低粘度化學(xué)漿液對(duì)試樣的穩(wěn)定性指數(shù)為76，高粘度化學(xué)漿液對(duì)試樣的穩(wěn)定性指數(shù)為86。

2.3.4 漿液性能恢復(fù)實(shí)驗(yàn)

按上述高濃度化學(xué)漿液配方配制800 mL，放入1000 mL的燒杯中密封靜置24 h，攪拌速度設(shè)置在1000 r/min，攪拌10 min，測(cè)定其密度、粘度、pH 值、靜切力、動(dòng)切力、膠體率、失水量、流動(dòng)度和分離度等性能，經(jīng)對(duì)比與靜置前性能吻合。

2.4 小結(jié)

上述室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，低粘度和高粘度化學(xué)漿液具有較好的防塌性能，高粘度化學(xué)漿液具有良好的流動(dòng)性，靜置18 h具有一定的強(qiáng)度，隨著靜置時(shí)間的增長(zhǎng)強(qiáng)度越高，在外力作用下仍可恢復(fù)流動(dòng)性，是封閉過(guò)水通道的優(yōu)質(zhì)塑性材料。

3 高濃度化學(xué)漿液的實(shí)際應(yīng)用及效果

3.1 礦區(qū)地層概況

該礦區(qū)第四系覆蓋層厚240.56～256.44 m，巖性自上而下為:粉砂質(zhì)土、細(xì)砂、粘土、亞粘土及砂礫層(礫徑45～65 mm);風(fēng)化帶巖性為:泥巖，呈層狀、碎片狀或薄片狀;煤系地層巖性多為泥巖、頁(yè)巖及砂巖。以往鉆探施工實(shí)踐表明，鉆進(jìn)礫石層時(shí)，鉆速慢，鉆壓不穩(wěn)，巖心采取率僅為23%;鉆進(jìn)砂巖時(shí)，泥漿消耗量大。但總體而言仍屬于易施工地層。

3.2 鉆孔的布置與施工

在詳細(xì)分析地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，沿采煤工作面上方2F5主斷層布置01、02、03三個(gè)鉆孔，孔與孔之間的距離為20 m。鉆孔設(shè)計(jì)及實(shí)際施工情況見(jiàn)表2，01號(hào)孔結(jié)構(gòu)及止水示意如圖1所示。

表2 注漿鉆孔設(shè)計(jì)及施工情況

圖1 01號(hào)注漿鉆孔結(jié)構(gòu)及止水示意圖

3.3 連通試驗(yàn)

為確認(rèn)四含水與采煤工作面水的關(guān)系，進(jìn)一步了解導(dǎo)水通道的實(shí)際狀態(tài)，提高注漿的有效性，選擇5%的食鹽水，注入孔內(nèi)，在采煤工作面定時(shí)采集樣品，經(jīng)對(duì)采集樣品的分析，確認(rèn)了四含水通過(guò)斷層進(jìn)入采煤工作面，且連通性好，進(jìn)水速度快。

3.4 泵站的布置

沿02孔垂直的方向約8 m處布置泵站，漿液池規(guī)格為8 m×8 m×1 m，容積為64 m3。設(shè)計(jì)最大一次性注漿50 m3。

3.5 注漿方法

注漿前先向孔內(nèi)注入低粘度化學(xué)漿液20 m3，進(jìn)一步導(dǎo)通過(guò)水通道，保持通道完整。隨后向孔內(nèi)注入高粘度化學(xué)漿液50 m3，泵壓穩(wěn)定在0.8～1.0 MPa，停止注漿24 h，再注漿時(shí)，泵壓急劇升高至5.0～5.5 MPa，約30 min泵壓恢復(fù)到0.8～1.0 MPa。泵壓急劇變化的原因是孔內(nèi)高粘度化學(xué)漿液失去泵壓后，在克服其它壓力的情況下趨于靜止，逐漸形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，切力增加形成具有一定強(qiáng)度的帷幕并具有一定的塑性，從而達(dá)到隔水的目的，因此造成開(kāi)泵時(shí)泵壓急劇升高，隨著漿液的流動(dòng)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)被破壞，泵壓逐漸恢復(fù)正常，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用是吻合的。

3.6 注漿止水效果

01 孔注漿149.2 m3，02 孔注漿145.8 m3，03 孔注漿119.2 m3，累計(jì)注漿414.2 m3。在注漿過(guò)程中，工作面四含水導(dǎo)入量逐漸減少，由原來(lái)的最高161 m3/h減少到32 m3/h。隨著注漿量的增加和注漿時(shí)間的增長(zhǎng)，工作面涌水量逐漸降低，7月31日產(chǎn)生一個(gè)突變點(diǎn)，涌水量降至27.48 t/h，8、9、10月份工作面涌水量徘徊在40～20 t/h。6～10月份月平均涌水量變化曲線如圖2，從圖2可以看出工作面涌水量減少的漸變過(guò)程，8～10月份工作面涌水量穩(wěn)定在32 t/h左右，比注漿前降低40 t/h，彰顯高分子高濃度化學(xué)漿液可自動(dòng)調(diào)節(jié)隔水的獨(dú)特作用，從而獲得了最佳的止水效果?；謴?fù)了采煤生產(chǎn)，使近200萬(wàn)t煤炭資源恢復(fù)開(kāi)采，達(dá)到了注漿的目的，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

圖2 平均涌水量隨月份變化曲線

4 結(jié)語(yǔ)

高濃度化學(xué)漿液應(yīng)用于煤礦水災(zāi)治理是鉆探施工技術(shù)服務(wù)煤炭行業(yè)新的拓展，也為鉆探技術(shù)的研究和應(yīng)用提供了廣闊的空間，在實(shí)際應(yīng)用中，雖然取得了很好的注漿止水效果和社會(huì)效益，為煤礦水災(zāi)治理開(kāi)拓了新的途徑，受到煤炭行業(yè)的好評(píng)，但由于高濃度化學(xué)漿液的室內(nèi)研究還沒(méi)有規(guī)范的程序和量化標(biāo)準(zhǔn)，而且實(shí)際應(yīng)用偏少，再加上筆者理論和實(shí)際實(shí)驗(yàn)水平有限，在室內(nèi)研究和實(shí)際應(yīng)用中還存在許多不足之處，敬請(qǐng)指正，以期高分子化學(xué)漿液在以后的生產(chǎn)實(shí)踐中取得更好的技術(shù)效果和社會(huì)效益。

［1］李世忠，鉆孔沖洗與護(hù)壁堵漏［M］.北京:地質(zhì)出版社，1989.

［2］黃德法，地層注漿止水與加固施工技術(shù)［M］.江蘇徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［3］宋顏波，有機(jī)高水材料堵水基理及其工程應(yīng)用研究［D］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2005.

［4］李糧綱，等，深礦鉆孔帷幕灌漿的數(shù)值模擬與應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(12).

［5］張成德.注漿護(hù)壁工藝在深孔巖心鉆探中的應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(5).

Development of High Concentration Chemical Slurry and the Application Effect

ZHU Xiao-zhong，ZHU Xue-guang(Anhui Institute of Geological Experiment，Hefei Anhui 230001，China)

Because large amount of water in the fourth aquifer of a coal mine in Huaibei，water was introduced into the coalface through F5fault with serious influence to the production.High concentration chemical slurry was developed to solve the problem and restart mining by borehole grouting with good effect.

polymer;high concentration;chemical slurry;water-stoppage by grouting;coal mining

P634. 5;TD74

A

1672－7428(2011)10－0060－03

2011－03－16;

2011－08－30

朱效中(1955－)，男(漢族)，安徽肖縣人，安徽省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所黨委書(shū)記、高級(jí)工程師，鉆探工程專業(yè)，從事基礎(chǔ)施工和管理工作，安徽省合肥市蕪湖路239號(hào)，dss1955@sina.com。