煤礦粘土材料的堵水機(jī)理及其應(yīng)用研究

任松濤

（1.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺(tái) 054000；2.河北省礦井微震重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邢臺(tái) 054000；3.河北省礦井物探工程研究中心，河北 邢臺(tái) 054000）

1 粘土材料堵水機(jī)理

粘土主要成分由粘土礦物組成，另外還含有非粘土礦物和其他雜質(zhì)。粘土礦物分為4個(gè)族類。①高嶺石族：代表性礦物為高嶺石，其他礦物包括埃洛石、地開石、珍珠陶土等，含高嶺石礦物為主的粘土稱為高嶺土。②蒙脫石族：代表性礦物為蒙脫石，其他礦物包括綠脫石、拜來(lái)石、皂石等，含蒙脫石礦物為主的粘土稱為膨潤(rùn)土或蒙脫土。③水云母族：代表性礦物為伊利石（伊利水云母），其他礦物包括絹云母、水白云母等，含伊利石礦物為主的粘土稱為伊利土或水云母土。④海泡石族：代表性礦物為海泡石，其他礦物包括凹凸棒石、坡縷縞石等，相應(yīng)的粘土分別稱為海泡石粘土、凹凸棒粘土和坡縷縞石粘土。粘土中含有非粘土礦物和其他雜質(zhì)，如長(zhǎng)石、石英、氧化鐵、灰?guī)r顆粒等。粘土的化學(xué)成分一般有SiO2、Al2O3、H2O、Fe2O3、MgO、Na2O、CaO等。SiO2、Al2O3、H2O的含量占到95%以上。粘土材料作為堵水注漿材料時(shí)，一般選取的粘土是含沙量比較大的紅粘土。注漿使用的是其在5 um以下的細(xì)土粒，也稱膠?；蛘沉?。

粘土的性質(zhì)指粘土的親水性、分散性、可塑性和粘著性以及粘土造漿率，這是衡量粘土造漿性能的重要指標(biāo)。粘土粒度指水基分解后的天然顆粒的粒度，其粒度越細(xì)漿液的滲透性就越強(qiáng)。粘土漿中粘膠粒和沙粒均有存在。在粘土精漿中的粒度分布：粘膠粒（或粘粒）的（粒經(jīng)是指5 um以下）含量一般在30～50%；粉粒（粒徑5～50 um）的含量一般在35～50%；含沙量（粒經(jīng)50～250 um）在5～10%，一般小于5%，粒經(jīng)5 um以下的含量越多粘土漿的性能越好。50 um以上的砂粒容易淤積在注漿孔內(nèi)，造成堵孔，影響注漿效果，必須分離去除掉。制取的漿液中粘土膠體顆粒粒徑在5 um以下，而粘土漿液中含有較多的砂粒，砂粒粒徑在0.2～1.5 mm，1 mm的砂粒堆積后就會(huì)很快堵塞3 mm以下的裂隙，形成孔塞。因此粘土漿液除砂效果是影響注漿效果的關(guān)鍵，粘土精細(xì)漿液制漿系統(tǒng)可以很好地解決粘土除砂問(wèn)題。

注漿改造是一種按人的意志改變巖體（層）水文地質(zhì)條件的方法與手段，基本原理是漿液在一定壓力作用下、在一定時(shí)間內(nèi)將受注層原來(lái)被水占據(jù)的空隙或通道被漿液材料置換、充填，直至脫水、固結(jié)或膠凝，使結(jié)石體或膠凝體與圍巖體形成阻水整體，最終被改造成為不含水層的隔水層過(guò)程，從而改變不利于采礦的水文地質(zhì)條件。這是承壓水開采注漿的主要指標(biāo)。這個(gè)過(guò)程對(duì)圍巖有加固作用，但不是最主要的。因?yàn)樽{后煤層開采過(guò)程中，礦壓、特別是老頂來(lái)壓造成的底鼓、煤壁切斷對(duì)煤層底板的破壞深度大，受此影響范圍內(nèi)的巖層形成二次破壞，形成新的裂隙。

眾多的地面灌漿工程證實(shí)，對(duì)于裂隙性注漿，只有當(dāng)注漿材料的粒度是裂隙寬度的1/4以下時(shí)注漿材料才能被順利擠入、直至填滿裂隙（圖1），如果加壓到足夠大（3倍），漿液材料被進(jìn)一步壓實(shí)脫水，停住后裂隙內(nèi)擠入的材料與圍巖成為一體，在初始水壓的狀態(tài)下不會(huì)倒出來(lái)。這個(gè)過(guò)程就是裂隙被充填的過(guò)程，導(dǎo)水富水的裂隙充填完成后，裂隙就沒有了，相當(dāng)于導(dǎo)水通道沒有了。裂隙完全充填后突水的兩個(gè)因素，即裂隙通道和水就消除了。

圖1 粒徑和裂隙寬度的關(guān)系示意Fig.1 Relationship between particle size and fracture width

粘土制漿過(guò)程中的除砂工藝對(duì)粘土漿液質(zhì)量有著重要的決定作用。通常選用10目，40～80目，150～200目的篩網(wǎng)，如果是微裂隙注漿應(yīng)考慮采用振動(dòng)型200目篩網(wǎng)除砂機(jī)除砂工藝。粘土漿液等級(jí)對(duì)裂隙注漿的效果有著很大影響，具體粘土精漿的分級(jí)以及裂隙寬度與注漿材料粒徑可注性關(guān)系見表1、表2。

表1 粘土精漿分級(jí)Table 1 Refined clay slurry classification

表2 裂隙寬度與注漿材料粒徑的可注性關(guān)系Table 2 Relationship between fracture width and grouting material particle size groutability

另外粘土漿液具有很好的攜帶性，可以在制好 的漿液中添加其他注漿材料和干料，比如水泥、粉煤灰制取粘土水泥漿、粘土粉煤灰漿，針對(duì)不同的出水類型使用不同的漿液進(jìn)行封堵。同時(shí)粘土漿液具有很好的壓裂效果，對(duì)于微小的裂隙出水，粘土漿液可以擴(kuò)散的更遠(yuǎn)，對(duì)裂隙起劈裂作用，增大注漿量，從而可以對(duì)微裂隙出水起到很好的治理作用。

2 粘土材料在堵水工程中應(yīng)用分析

2.1 粘土漿液在動(dòng)水堵水注漿中的應(yīng)用實(shí)例

介休煤礦90101工作面于2017年6月22日18時(shí)，工作面推采至80 m時(shí)，工作面割煤后煤壁二處出水：一處在運(yùn)輸順槽附近，另一處在機(jī)頭向機(jī)尾方向的30～40 m處。經(jīng)多方核實(shí)后，判斷工作面的出水量在1 200 m3/h左右，后基本穩(wěn)定在1 500 m3/h，最大值在2 100 m3/h。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告奧灰水位+900—+913 m，突水前工作面處的奧灰水壓在3 MPa左右。

由于是動(dòng)水堵水注漿，所以不能采取傳統(tǒng)的蓋帽注漿方法。利用區(qū)域治理技術(shù)在地面實(shí)施注漿定向鉆孔向奧灰水源層實(shí)施注漿封堵出水及通道，以工作面涌突水量變化就來(lái)直接檢驗(yàn)堵水效果，從源頭上治理，不留隱患。注漿材料上以粘土為主，搭配水泥、粉煤灰以及其他化學(xué)添加劑。鉆孔布置如圖2所示。

圖2 堵水工程注1孔主孔鉆孔平面布置Fig.2 Plane layout of main drilling hole in water plugging project No.1 hole

工程共施工1個(gè)奧灰觀測(cè)孔、4個(gè)地面注漿主孔、27個(gè)分支孔。累計(jì)注干料46 987.15 t，其中粘土40 075.81 t、水泥6 656.33 t、粉煤灰295.81 t。注1孔施工14個(gè)分支孔，注漿量最多，累計(jì)注干料35 420.81 t，其中粘土3 0933.78 t、水泥4 359.32 t、粉煤灰127.71 t，堵水效果最為明顯。注1-5下孔，累計(jì)注干料25 278.24 t，其中粘土24 130.78 t、水泥1 147.45 t，施工結(jié)束后達(dá)到減水300 m3/h的效果。注1-5下846 m處漏失量5 m3/h，注干料2 339 t，平剖面圖如圖3、圖4所示。

圖3 注1-5下孔鉆孔平面布置Fig.3 Drilling hole plane layout in No.1-5 lower hole

圖4 注1-5下孔鉆孔剖面Fig.4 Drilling hole profile in No.1-5 lower hole

注1-5下孔846 m漏失處，注干料2 339 t，其中粘土2 125 t，水泥214 t，漿液密度1.2～1.4 g/cm3，注漿終壓7 MPa，此次注漿結(jié)束后，井下水位在排水泵量不變的情況下，比注漿前持續(xù)下降，經(jīng)反復(fù)核算，減水100 m3/h，達(dá)到了短期注漿堵水的目的。注漿統(tǒng)計(jì)表見表3。

表3 注1-5下孔846 m漏點(diǎn)注漿Table 3 Grouting table for 846 m leakage point in No.1-5 lower hole

續(xù)表

由圖5可見第9至14個(gè)班次在同等漿液密度和排量的情況下，注漿量變大，說(shuō)明在粘土漿液的壓裂作用下，通道被進(jìn)一步打開，導(dǎo)致注漿過(guò)程出現(xiàn)了虹吸現(xiàn)象，實(shí)際泵量比注漿泵的檔位泵量大，從而每班的注漿量變大。此次注漿從注漿量來(lái)看，注漿量相對(duì)較大，由于漏失量比較小，可能是開始導(dǎo)水裂隙比較小，和突水點(diǎn)連通性比較差，用純粘土漿液注漿一段時(shí)間后，通道進(jìn)一步被刷大，和突水點(diǎn)連通性變得更加通暢，繼續(xù)注漿用粘土水泥漿液，加快了漿液在通道內(nèi)的沉淀，導(dǎo)致迅速起壓，高壓脫水后，粘土漿液里水分被分離排除，使粘土和周圍的巖體膠結(jié)到一起，對(duì)通道起到很好的充填作用，同時(shí)也對(duì)突水點(diǎn)起到了很好的減水作用。

圖5 注1-5下孔每班注漿量與漿液密度及孔口壓力關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between grouting quantity per shift slurry density and hole pressure in No.1-5 lower hole

2.2 粘土漿液添加骨料堵水實(shí)例

2017年3月，山西龍泉礦4301工作面回采過(guò)程中發(fā)生了底板突水，出水量達(dá)400 m3/h，出水后進(jìn)行了水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探及注漿堵水。4301工作面于2018年9月12日恢復(fù)生產(chǎn)，恢復(fù)生產(chǎn)前4301工作面涌水量減少為105 m3/h，恢復(fù)生產(chǎn)后隨著工作面推采，工作面涌水量逐漸增大，2018年11月涌水量增大為250 m3/h左右，12月涌水量為210 m3/h左右，隨后穩(wěn)定在200 m3/h左右。

隨后對(duì)4301工作面剩余水量進(jìn)行治理，依靠地面定向水平分支鉆孔技術(shù)，在地面進(jìn)行鉆探探查、注漿治理，一方面探查隱伏導(dǎo)水通道，對(duì)底板含水層進(jìn)一步治理，減少工作面涌水量，降低排水費(fèi)用；另一方面通過(guò)治理工程，對(duì)奧灰富水層段進(jìn)行探查，研究奧灰含水層的水文地質(zhì)條件及其注漿改造效果，取得合理的鉆探、注漿參數(shù)，指導(dǎo)后期下組煤奧灰地面區(qū)域治理工程的開展。注漿材料一般情況下選用水泥，如遇裂隙發(fā)育、注漿量大的情況，可使用粘土水泥漿、純粘土漿，或采取添加骨料、早強(qiáng)劑等作為輔助注漿材料。在地面布置1個(gè)井場(chǎng)，設(shè)計(jì)1個(gè)主孔，1個(gè)垂直探查孔，在奧陶系灰?guī)r頂面以下30 m層位，間距為40～60 m，布置6個(gè)水平分支孔，設(shè)計(jì)總進(jìn)尺6 120 m。首先根據(jù)前期堵水工程井下鉆孔成果資料，在預(yù)測(cè)出水通道位置布置了注1-1、1-2、1-3鉆孔，然后考慮到奧灰補(bǔ)給區(qū)域及通道不甚清楚，需要控制到兩巷及其外圍附近，在外圍增加了注1-4、1-5、1-6鉆孔。如圖6、圖7所示。

圖6 4301工作面地面鉆孔平面布置Fig.6 Ground drilling hole plane layout in 4301 working face

圖7 4301工作面地面鉆孔剖面示意Fig.7 Ground drilling hole profile in 4301 working face

注1-1孔2019年6月8日自孔深255 m開始定向鉆進(jìn)，至2019年11月24日鉆進(jìn)至2 471.25 m完成設(shè)計(jì)孔深注漿封孔，共進(jìn)尺2 216.25 m在孔深1 088 m、1 125 m、1 936 m分別鉆遇3個(gè)漏失點(diǎn)，發(fā)生漏失層均在奧灰頂面以下30 m附近，共注水泥5 596.639 t，粘土406.108 t，干料合計(jì)6 002.747 t。

根據(jù)粘土攜帶性強(qiáng)的特點(diǎn)，在制成的粘土水泥漿液里加入干料，以便于干料能更好的達(dá)到出水點(diǎn)，避免干料出現(xiàn)就地上浮或者下沉而到達(dá)不了出水點(diǎn)的現(xiàn)象。如圖8所示。

圖8 4301工作面實(shí)際排水量Fig.8 Factual drainage quantity in 4301 working face

注漿結(jié)束后，OW1、SW6、OW2、OW7四個(gè)水文觀測(cè)孔水位均表現(xiàn)為上升，漲幅分別為18.3、1.7、14.5、2.9 m，且OW2水位升幅超過(guò)了歷史最高水位9 m左右，同時(shí)井下4301采空區(qū)涌水量由注漿前的150 m3/h，減少到120 m3/h，減少了30 m3/h左右，分析原因?yàn)樽{封堵了奧灰徑流的部分排泄通道，導(dǎo)致奧灰含水位逐漸恢復(fù)，注漿取得了一定的效果。

3 結(jié) 語(yǔ)

粘土材料以其獨(dú)特的堵水特點(diǎn)，在動(dòng)、靜水注漿狀況下均表現(xiàn)出了明顯的效果，同等條件下比其他材料注漿量大，提高了鉆孔注漿材料的噸水干料比，注漿后膠凝體能更好的防止二次突水，大大提高了注漿堵水的質(zhì)量。