水泥—水玻璃双液注浆在底板注浆改造中的技术应用

祁新波 毛维林 张彦宾

(郑煤集团 超化煤矿，河南 新密452385)

0 引言

在煤矿开采中，底板注浆改造是区域性治理工作面底板突水的一项有效措施。在工作面回采前向回采工作面的下部承压含水层中施工一定数量的注浆改造钻孔，用高压泥浆泵向其中注入水泥浆或水泥粘土（黄土）混合浆液，让浆液充填承压含水层和底板隔水层中的裂隙和溶洞。 将煤层底板的隔水层和含水层粘结成一体，将含水层改造成隔水层，增强煤层底板的隔水能力，最终达到防煤层底板突水的目的。

而在实际施工中经常遇到地下动水，长时间注浆不起压，且间歇注浆效果不好，造成浆液流失时，起不到效果。采用水泥—水玻璃双液注浆，将混合浆液通过注浆孔送入孔底，在孔底附近一定范围内凝固，对回采工作面区域范围内底板含水层进行改造，确保工作面的安全回采。

1 采用技术原理

双液注浆主要作用是封堵裂隙，将松散地层固结为整体，隔离水源，堵塞水点，以减少涌水量，改善施工条件，达到最终的底板注浆改造目的。 水泥浆和水玻璃溶液混合后立即发生反应，很快形成具有一定强度的固结体。随着反应连续进行，结石体强度不断增加，早期强度主要是水玻璃反应的结果，后期强度主要是水泥水化反应的结果。 其主要适用于：

（1）工作面预注浆、壁后注浆、堵特大涌水点注浆封堵等。

（2）断层泥带，当裂隙宽度小于1mm，或渗透系数K≥1×10-5m/s时，加固压浆优先选用水泥—水玻璃双液注浆。

（3）断层破碎带，当裂隙宽度（或粒径）大于1mm，或渗透系数K≥5×10-4m/s 时，堵水注浆时。

（4）对于底板注浆加固，下套管孔内有水固管时，需采用水泥—水玻璃双液注浆特殊注浆工艺。

2 注浆应用

2.1 注浆扩散半径

浆液扩散半径（浆液的有效范围）与岩石裂隙大小、浆液粘度、凝固时间、注浆速度和压力、压注量等因素有关。水泥—水玻璃浆液实际的有效扩散半径见表1。

表1 有效扩散半径

2.2 注浆压力

注浆压力大小影响注浆效果，其大小决定于涌水压力（工作面静水压力、突水的动压力）、裂隙大小和浆液的性质各浓度、要求的扩散半径等。 注浆压力可参考下列经验公式：

地表注浆 P=(0.02～0.05)H1

井下注浆 P=(0.02～0.05)H1K

式中：H1——孔口至静水位高度（m）;

K——修正系数，K=1.2～2.0;

P——注浆压力（MPa）。

2.3 浆注浓度

水泥—水玻璃浆液的配方就综合考虑凝结时间、结石体强度以及施工操作等因素。底板岩石裂隙越大，用浆也越浓。每次压浆时应先稀后浓。 浆液的常用配方见表2。

表2 水泥—水玻璃浆液组成及配方

表2 说明：

Ⅰ）模数描述水玻璃中二氧化硅与碱金属氧化物物质的量之比。

Ⅱ）浓度以Be'（波美比）表示。 波美度与比重的换算公式为：

Ⅲ）水泥—水玻璃浆液的适宜体积比宜通进行试验确定。

2.4 注浆压力的控制及浆液配比的变换

注浆过程中，合理地选择与控制注浆压力，适时地变换浆液配合比，并使它们之间很好地配合，是保证注浆质量的重要因素。

（1）注浆压力的选择与控制

水泥—水玻璃浆液的胶凝，充塞过程不同于水泥浆液。 水泥—水玻璃注浆压力控制通常根据该孔所需浆量，在规定压力下，每一级浓度浆液的累计吸浆量达到一定限度后，调换浆液配比，逐级加浓，随着浆液浓度的逐级增加，裂隙逐渐被填充，单位吸浆量逐渐减少，直到结束标准时，即结束注浆。

（2）浆液浓度的选择与变换

由于各孔段裂隙大小、分布情况各疏密程度都不一样，每一注浆段中各种宽度的裂隙所占的比例也不相同，合理的注浆浓度需适应上述二种情况。为适应大小不同的裂隙，一般是先压稀浆后压浓浆。浆液浓度的变换，是在同一浓度下一步注浆持续一定时间后，或压入量达到一定数量，而注浆压力、吸浆量均无显著改变时，即可加浓一级。 若加浓后压力显著增大，或吸浆量突减时，均说明浓度变换可能不当，应立即换原来浓度。

2.5 浆液注入量

浆液压入Q，可根据扩散半径及岩层裂隙率进行粗略估算，作为施工参考。

Q=πr2Hηβ(m3)

式中：r——浆液扩散半径(m);

H——压浆段长度(m)；

η——岩层裂隙率，一般取1%～5%；

β——浆液在裂隙内的有效充填系数，约0.3～0.9，视岩层性质而定。

对于大的溶裂、大的溶洞，η（裂隙率）>5%时，浆液注入量难以计算，因此，在这种情况下，宜用注浆压力控制注浆量， 注浆量只能按注浆终压规定值时的注浆总量来决定。

2.6 注浆结束标准

注浆结束标准，一般以两个指标表示，一是最终吸浆量；另一是达到预定设计压力（即终压）时的持续时间。一般水泥—水玻璃双液结束标准是：注浆压力达到设计终压；吸浆量为40L/min，稳定约30min 即可结束。

在正常的情况下，一般采用定压注浆，当注浆压力达到或接近终压时结束注浆，而当压力接近终压或达到终压的80%时，如出现较大的跑浆，经间歇注浆后达到或接近终压也可结束注浆。

3 应用效果

在郑煤集团超化煤矿21121 工作面注浆堵水中，由于出水点附近底板破碎， 造成各钻孔施工后注浆期间出现不同程度的串孔现象，在加骨料海带、黄沙均不起作用的情况下，我们试验试用了水泥—水玻璃双液浆注浆，注浆配比经平地试验后，现场调试，由平地注浆泵站往井下压送水泥浆，井下注浆泵压送稀释后的水玻璃，两趟管路在注浆孔口通过特制三通混合器混合后压入孔内，采用上行连续注浆的方式注浆，起到了良好的注浆效果。

4 总结

通过在超化煤矿21121 工作面注浆堵水中的实验、 试用， 对水泥—水玻璃双液注浆技术在煤矿底板预注浆及断层治理中的作用进行了重点研究，总结水泥—水玻璃双液注浆在煤矿岩层注浆改造中的不利因素，并逐一改进，从根本上促进了煤矿底板加固和断层预注浆加固质量的提高，提高生产效率。 为采掘工作面的掘进、回采工作提供了安全保证，为煤矿底板水、断层水的防治工作提供了有效的方式。