煤礦用注漿堵水劑

■沈永毅，徐 堯，劉小燕

■1.大眾報業(yè)集團，山東 濟南 250014;2.濟南大學土木建筑學院，山東 濟南 250022;3.威海市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)建筑設計院，山東 威海 264205

煤礦水害是指在煤礦修建和生產(chǎn)過程中遇到的水的干擾和危害，是最常見的煤礦病害。煤礦水害影響礦山工程施工的進度和質(zhì)量、造成洞內(nèi)空氣潮濕，惡化工人的勞動環(huán)境，影響施工人員身體健康，機械設備銹蝕，絕緣設備失效，電路短路，漏電傷人，增加礦井的排水設施及排水費用、給煤礦生產(chǎn)帶來了不安全因素、嚴重者甚至發(fā)生淹井事故、造成生命和財產(chǎn)的重大損失。

注漿是治理水害的有效方法。注漿是將一定量的注漿材料通過注漿壓力，沿裂隙流動擴散，當其遠離注漿孔，壓力梯度降低到臨界壓力時，漿液流速減小，粘滯性增大，流速很低最后停止流動，堵塞裂隙，漿液內(nèi)材料與水之間發(fā)生化學反應，改變水流流動狀態(tài)，漿液逐漸凝聚產(chǎn)生強度，最后封堵住水流通道。

國內(nèi)外開發(fā)和使用的注漿堵水材料分為水泥類和化學類材料。水泥類，包括普通水泥、超細水泥、改性水泥和水泥-水玻璃漿液等?；瘜W漿液包括:環(huán)氧類、聚氨酯類、丙烯酰胺類、甲基丙烯酸酯類、丙烯酸鹽類、水玻璃類等。煤炭行業(yè)現(xiàn)所用材料主要有水泥類、水泥水玻璃類和化學高分子聚合物堵水劑類。

1 水泥類漿液

水泥作為注漿材料具有強度高、耐久性好、無毒、材料來源廣、價格低廉等優(yōu)點。它是使用最早、應用最廣的注漿材料之一，一般注漿施工優(yōu)先選用普通水泥。在細裂隙和微孔地層中，其可灌性雖不如化學漿材好，但若采用劈裂灌漿原理，則不少弱透水地層都可用水泥漿進行有效的加固。因此，水泥漿在國內(nèi)外灌漿工程中一直是用途最廣和用量最大的漿材。以水泥為主包括添加一定量的外加劑，用水配制成漿液，采用單液方式注入，這樣的漿液稱為單液水泥漿。所謂外加劑，系指水泥的早強劑、速凝早強劑、塑化劑、懸浮劑等。

(1)純水泥漿的主要特點是材料來源廣泛，成本較低，無毒性，施工工藝簡單，粘度隨水灰比而變，凝結(jié)時間從數(shù)小時到數(shù)十小時結(jié)石率可達99%，但穩(wěn)定性差，易沉淀析水，在水流較大的條件下注漿時，漿液易受水的沖刷和稀釋，僅適用于靜水條件下注漿，固結(jié)體為脆性材料，地層運動易產(chǎn)生新水流通道。

(2)超細水泥漿液又叫MC漿液，其平均粒徑為4μm。最大粒徑為10μm。這個特性使MC漿液能夠滲入滲透系數(shù)為10-3～10-4cm/s的細砂層和巖石的細裂隙中。超細水泥是以極細的磨細水泥顆粒組成的無機注漿材料，配成漿液有極好的滲透性和耐久性。漿液的凝結(jié)時間可以用水玻璃在20s至幾分鐘的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，結(jié)石體抗壓強度可達25MPa，且具有良好的工作環(huán)境，無毒，固砂體滲透系數(shù)可達1.0×10-6cm/s，適用于堵水工程。但超細水泥在高壓水堵水中和水量較大時，雖然凝結(jié)時間短，強度上升時間長，粘結(jié)力差，易被水流沿裂隙通道沖散，導致堵水失敗;材料抗拉、抗剪強度低，經(jīng)常需要重復注漿堵水。

2 水泥-水玻璃類漿液

水泥漿中加入水玻璃有兩個作用，一是作為速凝劑使用，摻量較少，約占水泥重的3% ～5%;另一是作為主材料使用，摻量較多，即是水泥-水玻璃漿液，俗稱CS漿液(C代表水泥，S代表水玻璃)。CS漿液克服了水泥漿液凝膠時間長，難以控制，注入地層后易被地下水稀釋，無法保持其原有凝膠化性能的缺陷。CS漿液的出現(xiàn)是水泥注漿的大發(fā)展，提高了效果，擴大了適用范圍。這種漿液不僅具備水泥漿的全部優(yōu)點，而且兼?zhèn)浠瘜W漿液的某些優(yōu)越性，例如凝膠時間快，可以從幾秒到幾十分鐘內(nèi)準確控制，結(jié)石率高達95% ～98%，適用于防滲和加固灌漿，在地下水流速較大的地層中，采用這種混合型漿材也可達到快速堵漏的目的。

3 高分子聚合物類

高分子聚合物包含丙烯酰胺類及無毒丙凝、聚氨酯、脲醛樹脂、環(huán)氧樹脂等。

⑴丙烯酰胺類漿材國內(nèi)稱丙凝。丙烯酰胺類漿液的性能主要是指其凝膠時間和抗壓強度，它的抗壓強度一般來講是比較低的，改變配方對抗壓強度的影響不大，而其凝膠時間則可以控制在幾秒到幾個小時之間。丙凝漿液及固結(jié)體的主要特點為:

①漿液屬于真溶液，其粘度與水甚接近，其可灌性非常好，漿液能滲入粒徑小于0.01毫米的土層或滲透系數(shù)大于10-4cm/s的被灌體。

②漿液從制備到凝結(jié)所需的時間，可以在幾秒鐘到幾小時內(nèi)精確地加以控制。

③漿液的粘度在凝結(jié)前維持不變，這就能使?jié){液在灌漿過程中維持同樣的滲入能力。

⑵聚氨酯類漿材是一種防滲和加固效能都很高的高分子化學灌漿材料，它屬于聚氨基甲酸酯類的高聚物，是由異氰酸酯和多羥基化合物反應而成。主要性能如下:

①漿液相對密度1.036～1.125，遇水反應，因此不易被地下水沖稀，止水效果好。

②漿液遇水反應時，放出CO2氣體，使?jié){液產(chǎn)生膨脹，向四周滲透擴散，直到反應結(jié)束時止。漿液黏度低，可注性能好，工藝設備簡單;

③固結(jié)體抗壓強度高，可作為補強材料;抗?jié)B性能好，滲透系數(shù)可達10-8～10-13cm/s。固結(jié)體無毒性、耐久性好。

⑶脲醛樹脂是由脲素和甲醛縮合而成的高分子聚合物。脲醛樹脂漿液有脲醛樹脂漿液、脲-甲醛漿液、改性脲醛樹脂漿液。脲醛樹脂在固化前是一種水溶性樹脂，用水配制成水溶液，這種溶液在酸性條件下，在常溫、常壓下就能迅速固化，并且具有一定的強度。但該材料一般較脆，抗?jié)B性較差，與巖石粘結(jié)力不強，且毒性較強，不利于使用。

⑷環(huán)氧樹脂是一種高分子材料，它具有強度高，粘結(jié)力強，收縮率小，化學穩(wěn)定性好，并能在常溫下固化等特點;但它作為灌漿材料則存在一些問題，例如漿液的粘度大，可灌性小，憎水性強，與潮濕裂縫粘結(jié)力差等。

總結(jié)現(xiàn)有注漿堵水材料，一般水泥—水玻璃類材料價格低，初凝時間可控，凝結(jié)后強度高，耐久性好，無毒。但漿液含固體顆粒，對微裂隙滲透能力低，齡期長，雖然初凝時間可控，但強度上升緩慢，在封堵大流量涌水是容易被水流沖散，堵水效果差;固結(jié)體為脆性材料，抗拉、抗剪強度低，在煤巖體再次受力變形時會產(chǎn)生新的水流通道，導致注漿體滲漏水;另外水泥漿堵水設備笨重，材料運輸量大，工人勞動強度高，不利于井下運輸和施工。

目前采用較多的高分子聚合物堵水劑漿液無顆粒，經(jīng)設備壓力和遇水膨脹力能滲透到微裂隙中，凝膠時間可準確控制，強度上升時間短，遇水膨脹后與煤巖體高度粘合，封堵水流通道，適用于各類地質(zhì)水害的治理;礦用高分子聚合物堵水劑施工時無需施做止?jié){墻，可現(xiàn)場調(diào)節(jié)注漿速度防止漏漿，保證注漿堵水效果，減少準備工作量;具有一定的延展性和柔韌性，可防止煤巖體的再次變形運動產(chǎn)生新的裂隙造成滲漏水。

[1]龔曉南.地基處理手冊[M].中國建筑工業(yè)出版社，2000∶297-354.