注浆材料在煤矿开采中的应用研究

2019-06-05耿罡

山西化工 2019年2期

耿罡

(西山煤电股份有限公司西曲矿，山西古交 030200)

引言

山西省古交矿区煤层储量丰富，煤质优良，大多为焦煤和肥煤。目前已列为国家重点煤炭工业基地。西曲矿是矿区第一个开工建设的矿井。因此，西曲矿的开采应用也对周围其它矿的开采有借鉴意义。由于煤矿地质条件复杂，周围多水沟，而且位于汾河附近，周围土层含水丰富，在煤矿建设及开采过程中势必会有井筒涌水情况发生，根据之前相关经验分析西曲煤矿注浆情况，对不同的注浆材料进行研究，分析其适用情况。根据煤矿采用的注浆材料探讨注浆浆液相关性质。

1 浆液材料分类

注浆材料主要分为化学注浆和非化学注浆。目前广泛应用的注浆材料为传统注浆材料，也就是非化学注浆材料，如图1所示。传统注浆材料的优点在于材料广泛而且价格不高，但缺点也比较明显，浆液渗透性不高，导致在渗水量较大的地方不宜使用，浆液难以渗透到微小孔隙。化学注浆浆液其渗透性要比传统注浆浆液要好，胶凝时间也比较快，但是化学注浆材料价格较高，有些化学浆液有毒，会对矿井周围环境产生危害。目前，注浆堵水已广泛用于矿井井筒注浆、封堵突水点、恢复被淹矿井、井巷堵水过含水层或导水断层、帷幕注浆堵水截流、减少矿井涌水量、底板注浆加固防止突水等方面，并取得了良好的效果[1]。

图1 注浆材料分类

2 水泥水玻璃浆材料

西曲煤矿的渗水处理主要采用水泥浆液，对涌水地方进注浆堵漏，针对煤矿涌水较大的情况，传统的注浆材料难以及时进行止水，但对于富含水层，传统的水泥单浆浆液不能很好地进行堵水，因此需要对水泥浆进行改良。因此对于富水地层，注浆材料大多选用水泥-水玻璃浆液，因为水泥水玻璃浆液的胶凝时间可控，可根据不同的涌水情况，调整水泥与水玻璃的配比情况。

西曲煤矿工作面水文地质条件复杂，工作面主要充水水源为8#煤上部三层(L1庙沟灰岩、K2毛儿沟灰岩、L4斜道灰岩)灰岩岩溶裂隙水，L1灰岩为8#煤直接顶板。工作面在掘进中顶板正常涌水量0.5 m3/h～2 m3/h，工作面局部顶板有少量淋头水，根据涌水情况分析，该含水层分布稳定，岩溶裂隙局部较发育，富水性强，对回采工作面有一定影响。针对这一情况，采取注浆堵漏措施，在有涌水区域顶板周围各备用一排钻孔，单排布置，探灌处理，消除安全隐患。首先在工作面顶板渗水处进行钻孔，钻孔直径为3 cm，注浆打孔深度为2 m。按照水灰比1∶1的比例搅拌均匀，注浆压力为0.2 MPa～0.5 MPa。由于水泥浆液胶凝时间较长，导致注浆以后，浆液被周围富水稀释，注浆效果难以堵漏。水泥具有结石体强度高、不污染环境的优点，但是它的最大缺点就是胶凝时间长，易被水稀释。因此第二次注浆堵水时采用水泥水玻璃双浆浆液，采用水泥为普通硅酸盐水泥(PO 42.5)，水灰比为0.8;水玻璃采用35°Bé;水玻璃掺入量为12%。采用水泥-水玻璃浓度浆液以后注浆堵水效果良好[2-3]。

3 水泥-水玻璃浆液凝固特性试验研究

对于矿井堵水来说，合适的胶凝时间直接关系着施工的可操作性，并对注浆、堵水工程的成败具有直接影响。通过对水泥-水玻璃浆液进行凝固特性研究，就不同水灰比条件下不同的水玻璃加量对浆液的胶凝时间和流动度的影响规律进行试验分析。

试验过程中采用的水玻璃模数为3.0～3.5，水玻璃浓度35°Bé;水泥为普通硅酸盐水泥(PO 42.5)。水泥浆采用3种水灰比，分别为1、0.8和0.6，水玻璃用量按水泥浆体积的百分数掺用。

从上面实验中可以看出，在加入水玻璃量一定的情况下，随着水泥掺入量的提高，胶凝时间越来越长。结合之前的纯水泥浆液的注浆效果，对于渗水较为严重的地方，水泥-水玻璃浆液应当选用较低的水灰比，在水灰比较低的情况下，浆液的凝胶时间较短，可以在短时间内对破碎岩层周围的缝隙进行加固堵漏，提高注浆效果。

图2a)中研究发现，双桨浆液中，当水玻璃的掺入量大于20%时，胶凝曲线速率开始平缓，当水玻璃的掺入量再继续增加时，浆液的凝胶时间也趋于稳定。随着水玻璃量的继续增加胶凝改善不大，有关研究对于水泥-水玻璃浆液中，对于水泥水玻璃浆液掺入量使得胶凝时间最短的那一点的水玻璃掺入量称为“凝结转换比值”。根据本次实验可知，硅酸盐水泥的“凝结转换比值为15%”减小浆液的凝胶时间还可以加入速凝剂，从实验结果分析可知，水玻璃的掺入量也会减小浆液的凝胶时间，可以调整合适的配比以达到合适的胶凝时间并可以节约成本[4]。

图2b)为浆液流动度与水灰比的关系图，从图中可以清楚的看出，浆体的流动性随水灰比的增大而增加;在同一水灰比的情况下，水泥水玻璃浆体的流动性随水玻璃用量的增加而减小。在水灰比较大的情况下，当加大水玻璃的掺入量，浆液流动度大大降低，流动性基本趋于不流(流动度用截头圆锥体测得，流动度<14 cm时认为不具有流动性);对三种掺入量进行分析，当水玻璃加量低于12%时，流动度随水玻璃加量增加而减小，且幅度较大。而当水玻璃加量超过12%后，流动曲线趋于平缓，随水玻璃加量增加流动度变化不大。因此在对于选择合适配比的水泥水玻璃浆液中，不仅要考虑水灰比还要考虑水玻璃的掺入量[5]。