注漿材料在煤礦開采中的應用研究

耿 罡

(西山煤電股份有限公司西曲礦，山西 古交 030200)

引 言

山西省古交礦區(qū)煤層儲量豐富，煤質(zhì)優(yōu)良，大多為焦煤和肥煤。目前已列為國家重點煤炭工業(yè)基地。西曲礦是礦區(qū)第一個開工建設的礦井。因此，西曲礦的開采應用也對周圍其它礦的開采有借鑒意義。由于煤礦地質(zhì)條件復雜，周圍多水溝，而且位于汾河附近，周圍土層含水豐富，在煤礦建設及開采過程中勢必會有井筒涌水情況發(fā)生，根據(jù)之前相關經(jīng)驗分析西曲煤礦注漿情況，對不同的注漿材料進行研究，分析其適用情況。根據(jù)煤礦采用的注漿材料探討注漿漿液相關性質(zhì)。

1 漿液材料分類

注漿材料主要分為化學注漿和非化學注漿。目前廣泛應用的注漿材料為傳統(tǒng)注漿材料，也就是非化學注漿材料，如圖1所示。傳統(tǒng)注漿材料的優(yōu)點在于材料廣泛而且價格不高，但缺點也比較明顯，漿液滲透性不高，導致在滲水量較大的地方不宜使用，漿液難以滲透到微小孔隙?；瘜W注漿漿液其滲透性要比傳統(tǒng)注漿漿液要好，膠凝時間也比較快，但是化學注漿材料價格較高，有些化學漿液有毒，會對礦井周圍環(huán)境產(chǎn)生危害。目前，注漿堵水已廣泛用于礦井井筒注漿、封堵突水點、恢復被淹礦井、井巷堵水過含水層或?qū)當鄬?、帷幕注漿堵水截流、減少礦井涌水量、底板注漿加固防止突水等方面，并取得了良好的效果[1]。

圖1 注漿材料分類

2 水泥水玻璃漿材料

西曲煤礦的滲水處理主要采用水泥漿液，對涌水地方進注漿堵漏，針對煤礦涌水較大的情況，傳統(tǒng)的注漿材料難以及時進行止水，但對于富含水層，傳統(tǒng)的水泥單漿漿液不能很好地進行堵水，因此需要對水泥漿進行改良。因此對于富水地層，注漿材料大多選用水泥-水玻璃漿液，因為水泥水玻璃漿液的膠凝時間可控，可根據(jù)不同的涌水情況，調(diào)整水泥與水玻璃的配比情況。

西曲煤礦工作面水文地質(zhì)條件復雜，工作面主要充水水源為8#煤上部三層(L1廟溝灰?guī)r、K2毛兒溝灰?guī)r、L4斜道灰?guī)r)灰?guī)r巖溶裂隙水，L1灰?guī)r為8#煤直接頂板。工作面在掘進中頂板正常涌水量0.5 m3/h～2 m3/h，工作面局部頂板有少量淋頭水，根據(jù)涌水情況分析，該含水層分布穩(wěn)定，巖溶裂隙局部較發(fā)育，富水性強，對回采工作面有一定影響。針對這一情況，采取注漿堵漏措施，在有涌水區(qū)域頂板周圍各備用一排鉆孔，單排布置，探灌處理，消除安全隱患。首先在工作面頂板滲水處進行鉆孔，鉆孔直徑為3 cm，注漿打孔深度為2 m。按照水灰比1∶1的比例攪拌均勻，注漿壓力為0.2 MPa～0.5 MPa。由于水泥漿液膠凝時間較長，導致注漿以后，漿液被周圍富水稀釋，注漿效果難以堵漏。水泥具有結石體強度高、不污染環(huán)境的優(yōu)點，但是它的最大缺點就是膠凝時間長，易被水稀釋。因此第二次注漿堵水時采用水泥水玻璃雙漿漿液，采用水泥為普通硅酸鹽水泥(PO 42.5)，水灰比為0.8;水玻璃采用35°Bé;水玻璃摻入量為12%。采用水泥-水玻璃濃度漿液以后注漿堵水效果良好[2-3]。

3 水泥-水玻璃漿液凝固特性試驗研究

對于礦井堵水來說，合適的膠凝時間直接關系著施工的可操作性，并對注漿、堵水工程的成敗具有直接影響。通過對水泥-水玻璃漿液進行凝固特性研究，就不同水灰比條件下不同的水玻璃加量對漿液的膠凝時間和流動度的影響規(guī)律進行試驗分析。

試驗過程中采用的水玻璃模數(shù)為3.0～3.5，水玻璃濃度35°Bé;水泥為普通硅酸鹽水泥(PO 42.5)。水泥漿采用3種水灰比，分別為1、0.8和0.6，水玻璃用量按水泥漿體積的百分數(shù)摻用。

從上面實驗中可以看出，在加入水玻璃量一定的情況下，隨著水泥摻入量的提高，膠凝時間越來越長。結合之前的純水泥漿液的注漿效果，對于滲水較為嚴重的地方，水泥-水玻璃漿液應當選用較低的水灰比，在水灰比較低的情況下，漿液的凝膠時間較短，可以在短時間內(nèi)對破碎巖層周圍的縫隙進行加固堵漏，提高注漿效果。

圖2a)中研究發(fā)現(xiàn)，雙槳漿液中，當水玻璃的摻入量大于20%時，膠凝曲線速率開始平緩，當水玻璃的摻入量再繼續(xù)增加時，漿液的凝膠時間也趨于穩(wěn)定。隨著水玻璃量的繼續(xù)增加膠凝改善不大，有關研究對于水泥-水玻璃漿液中，對于水泥水玻璃漿液摻入量使得膠凝時間最短的那一點的水玻璃摻入量稱為“凝結轉(zhuǎn)換比值”。根據(jù)本次實驗可知，硅酸鹽水泥的“凝結轉(zhuǎn)換比值為15%”減小漿液的凝膠時間還可以加入速凝劑，從實驗結果分析可知，水玻璃的摻入量也會減小漿液的凝膠時間，可以調(diào)整合適的配比以達到合適的膠凝時間并可以節(jié)約成本[4]。

圖2b)為漿液流動度與水灰比的關系圖，從圖中可以清楚的看出，漿體的流動性隨水灰比的增大而增加;在同一水灰比的情況下，水泥水玻璃漿體的流動性隨水玻璃用量的增加而減小。在水灰比較大的情況下，當加大水玻璃的摻入量，漿液流動度大大降低，流動性基本趨于不流(流動度用截頭圓錐體測得，流動度<14 cm時認為不具有流動性);對三種摻入量進行分析，當水玻璃加量低于12%時，流動度隨水玻璃加量增加而減小，且幅度較大。而當水玻璃加量超過12%后，流動曲線趨于平緩，隨水玻璃加量增加流動度變化不大。因此在對于選擇合適配比的水泥水玻璃漿液中，不僅要考慮水灰比還要考慮水玻璃的摻入量[5]。

圖2 水泥-水玻璃漿液凝固實驗

4 結語

首先，當水泥漿液注漿效果不理想時，可采用水泥水玻璃漿液注漿，水泥水玻璃漿液的流動性與膠凝時間與水泥的水灰比有關。選擇合適的水泥和水玻璃配比對于注漿堵水很重要。

其次，水玻璃的摻入量影響漿液膠凝時間和流動度，選取合適的水玻璃摻入量要根據(jù)實際情況來定，本次堵水注漿主要是縮短漿液的膠凝時間，因此注漿中水玻璃的摻入量較大。