分流注浆堵水技术在煤矿防治水中的应用

李俊杰

（中煤 陕西榆林能源化工有限公司，陕西 榆林 719000）

我国的煤炭和煤层气资源储量十分丰富，然而随着煤矿资源的不断勘探与开发，已探明的浅层资源越来越少，煤矿资源采取深井开发已成为一种趋势[1-3]。而在深井开发施工过程中所面临的工程地质条件也日益复杂，很多煤矿井的主要巷道都会遇到含水层位，极易发生巷道涌水等水害现象，这不仅会严重影响煤矿井的正常生产，还极易发生人身安全事故[4]。因此，开展高效的煤矿井防治水技术研究，具有十分重要的现实意义。

注浆堵水技术是煤矿井防治水最常用的一项技术措施，其中常用的注浆堵水材料主要包括黏土、水泥、水玻璃、丙烯酰胺类、环氧树脂类、脲醛树脂类以及水溶性聚氨酯类等[5-9]，从20 世纪70 年代开始，水溶性聚氨酯类注浆堵水材料逐渐开始应用到煤矿井的防治水中[10，11]。水溶性聚氨酯类注浆堵水材料通常由聚醚多元醇和异氰酸酯作为主要原料，再加入其他化学助剂配制而成，此类注浆堵水材料注入地层遇水后会发生化学反应，能够生成具有一定强度的凝胶体类物质，从而对地层中较大的孔隙及裂缝产生有效的封堵，有效防止地层渗漏，堵水效果较好[12-15]。并且水溶性聚氨酯类注浆堵水材料还具有原料来源广、制作成本低以及环保性能好的特点，在煤矿井防治水领域得到了较为广泛的应用。

西部某煤矿巷道由于出现涌水的问题，前期采取过注水泥浆堵水施工措施，但施工后不久就出现二次渗漏的现象，巷道涌水问题反复得不到解决。因此，本文以聚醚多元醇PTMG、甲苯二异氰酸酯TDI、二苯基甲烷二异氰酸酯MDI 和改性剂GX-1等物质为主要原料，通过室内实验制备了一种新型注浆堵水材料，考察了改性剂GX-1 加量对注浆堵水材料性能的影响，并在S112 井分流注浆堵水现场施工中进行了成功应用，以期为煤矿井防治水技术的发展提供一定的技术支持。

1 实验部分

1.1 主要材料及仪器

高纯纳米SiO2（纯度≥99.9% 河北跃超耐磨材料有限公司）；硅烷偶联剂KH792（工业级 山东华晨新材料有限公司）；聚醚多元醇PTMG（工业级 江苏铭林化工科技有限公司）；2,2-二羟甲基丙酸DMPA（工业级 山东力昂新材料科技有限公司）；甲苯二异氰酸酯TDI、二苯基甲烷二异氰酸酯MDI，工业级，南兴化工（江苏）有限公司；1,4-丁二醇BDO、甲基膦酸二甲酯DMMP，工业级，山东盛旭能源有限公司；柠檬酸、三乙醇胺、乙酸乙酯、无水乙醇、浓HCl，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

HH-6S 型恒温水浴锅、101-A1 型电热恒温鼓风干燥箱，上海捷呈实验仪器有限公司；JJ-1/NP 型数显精密增力电动搅拌机（常州金坛良友仪器有限公司）；KY-FA1004 型电子分析天平（河南秋佐仪器设备有限公司）；LanJ-3P3 型超声波清洗剂（广东蓝鲸超声波清洗技术有限公司）；M363878 型波美比重计（北京中西华大科技有限公司）；DV-Ⅱ型旋转黏度计（上海过望化工有限公司）；WDS 系列数显式电子万能试验机（靖江市中诺仪器仪表有限公司）。

1.2 新型注浆堵水材料的制备

1.2.1 改性剂GX-1 的制备 （1）将一定量的纳米SiO2加入到烧杯中，然后按照比例加入一定量的蒸馏水和无水乙醇，搅拌混合均匀；（2）再缓慢加入一定量的硅烷偶联剂，调节pH 值至5 左右；（3）将烧杯放置于水浴锅中加热至80℃，反应24h 后结束；（4）待溶液冷却后过滤，收集固体物质将其放置于恒温干燥箱中烘干，将其研磨成粉末状，即得到改性剂GX-1。

1.2.2 新型注浆堵水材料A 组分的制备 （1）将聚醚多元醇PTMG 放置于三口烧瓶中，在温度为110~120℃之间抽真空干燥2h，使其脱水；（2）将脱水后的聚醚多元醇冷却，然后缓慢加入2,2-二羟甲基丙酸DMPA 和甲苯二异氰酸酯TDI，升高温度至65℃，通入N2除O2；（3）在搅拌状态下反应30min 后再加入适量的二苯基甲烷二异氰酸酯MDI 和1,4-丁二醇BDO，继续升高温度至80℃，反应6h 后结束，然后继续滴加一定量的甲基膦酸二甲酯DMMP，搅拌反应30min；（4）将产物进行冷却，然后加入1.2.1 中制备的改性剂GX-1，采用超声波震荡的方式使其均匀分散在产物中，即得到新型注浆堵水材料的A 组分。

1.2.3 新型注浆堵水材料B 组分的制备 将缓凝剂柠檬酸、催化剂三乙醇胺和溶剂乙酸乙酯等助剂混合后加入到水中，搅拌混合均匀后即得到新型注浆堵水材料的B 组分。

1.2.4 新型注浆堵水材料的制备 将新型注浆堵水材料的A 组分和B 组分按体积比为1∶1 的比例混合，使用玻璃棒搅拌10s 左右，混合液体黏度变大、颜色发白时即为混合均匀，即得到最终的新型注浆堵水材料。

1.3 性能评价方法

1.3.1 密度和黏度测定 采用波美比重计测定新型注浆堵水材料A 组分的密度；采用DV-Ⅱ型旋转黏度计测定新型注浆堵水材料A 组分的黏度值；测试温度均为常温。

1.3.2 凝胶时间测定 参照JC/T 2041-2010《聚氨酯灌浆材料》中的相关规定，在标准实验条件下，称取20g 新型注浆堵水材料A 组分样品，加入100g水，使用玻璃棒迅速搅拌10s 后停止，然后使用玻璃棒探测其黏度变化情况，当出现拉丝情况时即表示已出现凝胶，记录其凝胶时间。

1.3.3 包水性测定 参照JC/T 2041-2010《聚氨酯灌浆材料》中的相关规定，在标准实验条件下，将新型注浆堵水材料A 组分和水按1∶10 的比例（质量比）混合，使用玻璃棒快速搅拌10s 后停止，待其完全反应至倒不出水时为止，记录完全凝固的时间即为其包水性。

1.3.4 遇水膨胀率测定 参照JC/T 2041-2010《聚氨酯灌浆材料》中的相关规定，在标准实验条件下，将新型注浆堵水材料的A 组分和B 组分按体积比为1∶1 的比例混合，混合均匀后搅拌10s 停止，将其倒入模具中，然后放置在25℃条件下，待其固化后取出试件。使用排水法测定试件的体积V0，然后将其放入到烧杯中浸泡168h，再次使用排水法测定其体积V1变化情况。

按式（1）计算试件的遇水膨胀率S。

式中 S：遇水膨胀率，%，V0：试件的初始体积，mL；V1：试件浸泡后的体积，mL。

1.3.5 抗压强度测定 参照JC/T 2041-2010《聚氨酯灌浆材料》中的相关规定，采用万能试验机测定试件的单轴抗压强度，试件的制备方法参照1.3.4 中所述。

2 结果与讨论

2.1 改性剂加量对A 组分密度和黏度的影响

按照1.3.1 中的实验方法，考察了改性剂GX-1加量对新型注浆堵水材料A 组分密度和黏度的影响，实验结果见图1。

图1 改性剂加量对A 组分密度和黏度的影响Fig.1 Effect of modifier dosage on density and viscosity of component A

由图1 可见，随着改性剂GX-1 加量的不断增大，新型注浆堵水材料A 组分的密度和黏度值均呈现出逐渐增大的趋势。这是由于改性剂GX-1 的粒径较小，在超声波震荡作用下能够均匀的分散在新型注浆堵水材料A 组分中，使其单位体积内的质量有所增大，因此，改性剂GX-1 的加量越大，A 组分的密度就越高；另外，由于改性剂GX-1 的比表面积和表面能均较大，改性剂中的硅与A 组分之间的相互作用力也比较大，因此，随着改性剂GX-1 加量的增大，A 组分的黏度就越高。当GX-1 的加量为5%时，A 组分的密度可以达到1.18g·cm-3，而黏度值则可以升高至1365mPa·s（大于JC/T 2041-2010《聚氨酯灌浆材料》中规定的指标），因此，单从A 组分的黏度指标方面考虑，推荐改性剂GX-1 的加量应小于5%。

2.2 改性剂加量对A 组分凝胶时间和包水性的影响

按照1.3.2 和1.3.3 中的实验方法，考察了改性剂GX-1 加量对新型注浆堵水材料A 组分凝胶时间和包水性的影响，实验结果见图2。

图2 改性剂加量对A 组分凝胶时间和包水性的影响Fig.2 Effect of modifier dosage on gel time and water inclusion of component A

由图2 可见，随着改性剂GX-1 加量的不断增大，新型注浆堵水材料A 组分的凝胶时间和包水性均呈现出逐渐增长的趋势。当GX-1 的加量为5%时，A 组分的凝胶时间和包水性分别可以达到56s和126s（均满足JC/T 2041-2010《聚氨酯灌浆材料》中规定的指标），与未添加改性剂GX-1 时的38s 和92s 相比均有明显增长。这是由于改性剂GX-1 的加入能够有效提高新型注浆堵水材料A 组分的浆液浓度和其中的NCO 浓度值，从而致使其凝胶时间和包水性有所增长。

2.3 改性剂加量对注浆堵水材料遇水膨胀率的影响

按照1.3.4 中的实验方法，考察了改性剂GX-1加量对注浆堵水材料遇水膨胀率的影响，实验结果见图3。

图3 改性剂加量对注浆堵水材料遇水膨胀率的影响Fig.3 Influence of modifier dosage on expansion rate of grouting water plugging material in water

由图3 可见，随着改性剂GX-1 加量的不断增大，新型注浆堵水材料的遇水膨胀率呈现出逐渐降低的趋势。这是由于改性剂GX-1 分散到新型注浆堵水材料的A 组分中以后，由于溶剂溶解作用和分散作用的影响，会增强电荷间的相互吸引力，从而对其遇水膨胀性能产生影响；另外，当改性剂GX-1 的加量增大时，其中的羟基基团会与NCO 基团产生一定的反应，降低了新型注浆堵水材料A 组分中NCO基团的数量，影响了其遇水膨胀性能。当GX-1 的加量达到5%时，新型注浆堵水材料的遇水膨胀率仍能达到122%（满足JC/T 2041-2010《聚氨酯灌浆材料》中规定的指标）。

2.4 改性剂加量对注浆堵水材料抗压强度的影响

按照1.3.5 中的实验方法，考察了改性剂GX-1加量对注浆堵水材料抗压强度的影响，实验结果见图4。

由图4 可见，随着改性剂GX-1 加量的不断增大，新型注浆堵水材料的抗压强度呈现出“先升高后降低”的趋势。当改性剂GX-1 的加量达到3%时，新型注浆堵水材料的抗压强度值达到最大为4.13MPa，再继续增大改性剂GX-1 的加量，抗压强度值反而有所降低。这是由于适量的改性剂GX-1 能够促使新型注浆堵水材料形成较强的网状结构，从而有利于其抗压强度的增大；而当改性剂GX-1 的加量过大时，会影响改性剂在A 组分的聚合与分散程度，导致新型注浆堵水材料不能完全固结，其中还可能会出现片状凝胶，对材料的抗压强度造成不利影响。因此，从抗压强度指标考虑，并综合考虑到改性剂GX-1 对密度、黏度、凝胶时间、包水性和遇水膨胀率的影响，推荐改性剂GX-1 的最佳加量为3%，此时新型注浆堵水材料的各项性能均能满足JC/T 2041-2010《聚氨酯灌浆材料》中的指标要求。

3 现场应用效果

将研制的新型注浆堵水材料（A 组分和B 组分）在西部某煤矿巷道涌水段防治水作业施工中进行了现场应用。以目标区块中S112 井的S-1 井段（埋深1609m~1632m）和S-2 井段（埋深1632m~1654m）为例，注浆堵水施工前S 井段和W 井段的涌水量均大于25m3·h-1，根据现场实际情况，并结合相邻区块内涌水段前期注浆堵水施工经验，对该井的两个涌水段采取分流注浆堵水施工措施。具体施工流程为：设定注浆方案、准备注浆材料、风钻打眼、设备安装、高压洗孔、分流注浆、清理现场。S112 井的S-1 井段和S-2 井段采取分流注浆堵水施工措施后，涌水量大幅降低，具体施工效果见表1。

表1 S-1 井段和S-2 井段分流注浆堵水施工效果Tab.1 Construction effect of diversion grouting for water plugging in well section S-1 and S-2

由表1 可见，S-1 井段和S-2 井段采取分流注浆堵水施工措施后，涌水量分别降低至1.9m3·h-1和0.8m3·h-1，与采取措施前涌水量相比，分别降低了93.6%和95.4%，堵水效果显著，取得了较好的现场应用效果。

4 结论

（1）通过室内实验，制备了一种新型注浆堵水材料A 组分，并结合缓凝剂柠檬酸、催化剂三乙醇胺和溶剂乙酸乙酯等助剂（B 组分）形成了一种适用于煤矿井防治水的新型注浆堵水材料。

（2）随着改性剂GX-1 加量的增大，新型注浆堵水材料A 组分的密度和黏度逐渐增大，凝胶时间和包水性逐渐增长，新型注浆堵水材料的遇水膨胀率逐渐降低，抗压强度先升高后降低。综合考虑各种因素，推荐改性剂GX-1 的最佳加量为3%。

（3）新型注浆堵水材料现场应用结果表明，S112井的S-1 井段和S-2 井段采取分流注浆堵水措施后，涌水量均呈现出明显降低的趋势，与采取措施前相比，涌水量均降低90%以上，取得了良好的堵水效果。