防治水補充-底板注漿加固課件

第十一章煤層底板注漿加固技術第一節(jié)概述在我國華北及華東地區(qū)，二疊紀下統(tǒng)山西的二1煤普遍發(fā)育，煤層賦存穩(wěn)定，厚度大，儲量豐富，煤質(zhì)好，經(jīng)濟價值高，開采條件好，是許多礦區(qū)的主要開采煤層之一。但是煤下部地層水文地質(zhì)條件比較復雜，賦存有幾個含水性很強的灰?guī)r巖溶含水層，主要是太原組8~10層薄層灰?guī)r含水層、奧陶系灰?guī)r含水層、寒武系白云質(zhì)灰?guī)r含水層。太原組薄層灰?guī)r分上、下兩段含水層，上段是L7~8灰?guī)r，下段為L1~4灰?guī)r。

其中，L7~8灰?guī)r水是開采二1煤的直接充水水源，巖溶裂隙發(fā)育，含水豐富，如果沒有其他水源補充，L7~8灰?guī)r突水量一般在300m3/h左右。L1~4灰?guī)r中間夾有一1、一2、一3、一4四個薄煤層，煤層和灰?guī)r頂板直接接觸。幾層灰?guī)r厚度相對較大，巖溶裂隙發(fā)育，含水豐富，是開采二1煤的第一間接充水水源。如果與L7~8灰?guī)r之間有水力聯(lián)系，可以直接補充L7~8水，突水量一般在500~1000m3/h之間。奧陶系灰?guī)r厚度大，溶隙、溶槽、溶洞發(fā)育，富水性強，是開采二1煤的第二間接充水水源。一旦遇到斷裂構造，與L1~4灰?guī)r、L7~8灰?guī)r及二1煤層之間發(fā)生水力聯(lián)系，突水量可高達1000~10000m3/h。

由于灰?guī)r水的補給屬側(cè)向補給，補給范圍很廣，所以二1煤底板水屬于動儲量，一旦發(fā)生突水，水量大、水壓高，難以疏排，輕者給煤礦造成經(jīng)濟損失，重者造成重大的人身傷亡事故。寒武系白云質(zhì)灰?guī)r含水層的含水性比奧陶系灰?guī)r含水層的含水性相對較弱，巖溶發(fā)育極不均勻，以溶洞水為主。華北部分地區(qū)缺失奧陶系地層，寒武系白云質(zhì)灰?guī)r直接與本溪群、太原群地層呈不整合接觸，開采過程中偶爾發(fā)生溶洞突水，突水量最高達30000m3/h。

人們希望3個良好的隔水層能有效地阻隔二1煤底板突水，但這僅是個美好的愿望，在煤礦生產(chǎn)建設過程中，二1煤底板突水事故不斷發(fā)生，尤其是采煤工作面底板突水及工作面后方采空區(qū)底板滯后突水，水量大、水壓高，輕者淹沒工作面，重者淹沒整個采區(qū)，給礦井安全生產(chǎn)帶來很大影響。近年來，采煤工作面底板突水事故呈上升趨勢，究其原因有以下幾點:①有些地區(qū)二1煤底板海相泥巖地層太薄，其強度不足以抵抗含水層的突水壓力。

針對二1煤采煤工作面及其后方采空區(qū)底板突水問題，煤炭企業(yè)、科研院所和大專院?？蒲腥藛T進行了艱苦的探索。由于注漿加固底板技術充分體現(xiàn)了“預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水方針，有效地控制了底板突水事故的發(fā)生，降低了礦井排水量，目前許多礦區(qū)已經(jīng)把注漿加固煤層底板作為礦井防治水的必備措施之一，隨著開采深度的增加，這一技術有著廣泛的推廣應用前景。第二節(jié)注漿加固層位的確定

為了保證注漿加固煤層底板的防治水效果，必須首先確定需加固的層位。如果加固層位距離煤層太近，在注漿過程中可能會出現(xiàn)大量跑漿，浪費注漿材料，達不到加固的目的;如果加固層位距離煤層太遠，鉆孔工程量大，技術經(jīng)濟不合理;如果加固層位太薄，加固后其強度仍然不足以抵抗水的壓力;如果加固層位太厚，可能會消耗更多的注漿材料，費工費時，影響回采進度。合理的加固層位應該有如下規(guī)定:一、回采引起底板巖層形成破碎帶厚度的確定

目前采用的方法有理論計算法、巷道觀測法、鉆孔透視法、鉆孔電視法等。

(一)理論計算法利用礦山壓力在底板中的傳播理論，計算底板受回采影響帶的厚度。目前我國在礦山壓力及其控制的研究方面處于國際領先水平，理論系統(tǒng)完善，可操作性強。關于回采引起煤層頂、底板破壞的研究成果已經(jīng)成熟，并己經(jīng)過大量的實踐證明。確定底板注漿加固層位可以利用礦山壓力在底板中的傳播范圍和傳播強度的計算公式計算出底板破碎帶的厚度。計時要注意各種參數(shù)的選取，如巖石的容重、彈性模量、變形模量、泊松比、單向抗壓強度、單抗拉強度等，如果這些參數(shù)選取合適，計算結果則是正確的，參數(shù)選取不當，計算結果顯然正確。為了安全起見，理論數(shù)值計算出來后，往往要取1.2~1.4的系數(shù)。(二)巷道觀測為了比較直觀地了解回采引起的煤層底板破壞的全部過程和最終狀況，可以在合適的位置向底板開掘?qū)ｉT巷道或利用已有的巷道進行直接觀測，從而確定底板注漿加固層位。在回采工作開始之前，向煤層底板開掘一條專門的觀測巷道，在巷道內(nèi)設置觀測點和觀測儀器，對回采引起的底板巖層移動、變形和破壞的全過程及最終狀況直接地用儀器測量。采用這種方法能夠獲得比較真實可靠的第一手材料，但影響觀測效果的因素很多，如觀測儀器的精度和可靠性、觀測人員的素質(zhì)和責任心、數(shù)據(jù)分析處理方法等。還必須注意，向底板巖層開掘巷道要慎重，必須采取有效措施防止底板突水。如果有條件，最好利用現(xiàn)成的生產(chǎn)巷進行觀測，也同樣能收到良好的效果。二、注漿加固底板層位的確定

（一）加固二1煤底板海相泥巖

二1煤底板海相泥巖底與太原組地層呈整合接觸，是注漿加固煤層底板的首選層位。選擇這一層位需要考慮以下幾個方面的因素:1．二1煤底板海相泥巖的厚度通過理論計算和大量的礦壓觀測數(shù)據(jù)證明，回采期間礦山支承壓力對煤層底板的強擾動深度一般為20~30m。因此，海相泥巖厚度大于30m時才能選擇加固這一層位，否則即使海相泥巖得到了充分加固，也不能實現(xiàn)阻止底板突水的效果。我國華東地區(qū)二1煤板海相泥巖厚度一般大于40m，可以選擇直接加固這一層位。例如，肥城、永城礦區(qū)加固"相泥巖單孔注漿量一般在300~500m3，個別達到3000m3,漿液利用率較高，取得了良好的加固效果。如果二1煤底板海相泥巖厚度太薄，在注漿過程中有可能發(fā)生底鼓現(xiàn)象，給全生產(chǎn)帶來很大影響。2．加固區(qū)域是否有采區(qū)注漿加固煤層底板施工時，注漿站是在地面設置的，由于注漿站與受注地點高差比較大，漿柱壓力很高，一般屬于高壓注漿。如果加固區(qū)域有采空區(qū)，漿液就有可能向采空區(qū)擴散。盡管消耗了大量的注漿材料，仍然達不到注漿加固的預期效果。近年來有些礦井在回采期間工作面發(fā)生底板突水后，為了在不停產(chǎn)的條件下治理水患，采用動水注漿技術，響層底板打鉆注漿，水在高壓狀態(tài)下，沿涌水通道向采空區(qū)流動，漿液如不能及時凝固，也隨著水流向采空區(qū)流動，漿液損失大，很難有效地封堵突水。

(二)加固太原組上段薄層灰?guī)r如果二1煤底板海相泥巖的厚度太薄，僅加固泥巖底板不能滿足阻水要求，應選擇加固太原組上段薄層灰?guī)r。與加固泥巖底板相比，有其明顯的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)直接充填薄層灰?guī)r巖溶裂隙，從根本上治理薄層灰?guī)r突水。(2)可以將太原組上段薄層灰?guī)r由含水層變?yōu)楦羲畬樱黾恿硕?太原組上段薄層灰?guī)r煤底板隔水層的厚度，提高隔水層的整體強度，增強抵抗下部L1~4灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r突水的能力。（3）巖溶裂隙發(fā)育，可注性強，容易實現(xiàn)預期的注漿加固效果。永城礦區(qū)煤底板海泥巖厚度50m左右，近年來一直選擇加固太原組上段的嶼L8~9灰?guī)r，效果很好。(4)太原組上段薄層灰?guī)r強度較大，能夠承受較高的注漿壓力，注漿過程中失漿量少，易發(fā)生底鼓現(xiàn)象。(三)加固太原組中段隔水層

選擇注漿加固太原組中段隔水層的主要是鄭州礦區(qū)，該礦區(qū)煤泥巖底板厚度僅有8~12m，太原組上段L7~8灰?guī)r厚度為8~10m。如果加固L7~8灰?guī)r，由于距離煤層太近，漿壓力又比較大，注漿過程中跑漿現(xiàn)象嚴重，局部出現(xiàn)底鼓，達不到預期的加固效果。將孔打到L5~6灰?guī)r，增加止?jié){層厚度和強度，可有效控制跑漿，提高漿液利用率。鄭州礦煤底板突水水源主要是L1~4灰?guī)r水和奧陶系灰?guī)r水。盡管L7~8灰?guī)r巖溶發(fā)育，但由厚度有限，涌水量不會太大，一旦L1~4灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r通過斷層、陷落柱等地質(zhì)構造與采煤系統(tǒng)發(fā)生水力聯(lián)系，就有可能發(fā)生重大突水事故，多年來的生產(chǎn)實踐充分證明了這一結論。第三節(jié)底板注漿加固方案的確定一、注漿加固時機與順序的選擇在生產(chǎn)實踐中，底板突水事故多發(fā)生在采煤工作面及其后方采空區(qū)，這是因為底板巖層中的各種節(jié)理、裂隙或斷層溝通了含水層與采煤系統(tǒng)之間的水力聯(lián)系所致。選擇加固底板機必須貫徹落實“預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原則，在回采工作前，通過向底板巖層大量注漿，使注漿材料充分充填各種涌水通道，切斷含水層與采煤之間的水力聯(lián)系，從而避免在采煤工作面推進過程中底板突水事故的發(fā)生。因此，注漿底板的時機應選擇在采煤工作面上、下順槽和開切眼掘進完成并順利貫通之后進行。工作面生產(chǎn)系統(tǒng)形成后，先用直流電法或瞬變電磁法對煤層底板進行一次全面的水文物理探測，圈定采煤工作面推進范圍內(nèi)的低阻區(qū)，然后根據(jù)低阻區(qū)的分布進行注漿加固設計，確定注漿孔分布和鉆場位置。為了盡量減少注漿工作對工作面生產(chǎn)的影響，注漿順序應采用先里后外的后退式，注漿工作超前工作面80~120m，保證漿液充分凝固后二、煤層底板水文地質(zhì)預測預報煤層底板水文地質(zhì)預測預報是井下防治水的一個重要環(huán)節(jié)，其目的是查明采煤工作面范圍內(nèi)煤層底板的水文地質(zhì)情況，找出發(fā)生底板突水的可疑區(qū)，然后針對可疑區(qū)采取有施，防止底板突水事故的發(fā)生。由于水是良好的導電體，其電阻率很低，多數(shù)巖石是半其視電阻率很高，所以目前采用最多的預測預報方法是直流電法和瞬變電磁法。這兩去都是通過測定巖石的視電阻率來判斷巖層水文地質(zhì)情況的，所建立的電場和磁場對常敏感，測定結果反差大，可比性強，相對準確，目前己經(jīng)在很多礦區(qū)得到了廣泛應用。（一）采用直流電法儀進行煤層底板水文地質(zhì)預測預報第五章已經(jīng)介紹過運用直流電法儀采用三極交匯法進行掘進工作面超前水文地質(zhì)預測同樣也可以運用直流電法儀，采用四極對稱法進行采煤工作面超前水文地質(zhì)預測預采用四極對稱法可以探測煤層底板60m范圍內(nèi)的水文地質(zhì)情況，這一深度對華北多來說，均可了解到L7~8灰?guī)r的富水情況，有些地區(qū)二1煤底板泥巖較薄，可以探測到L1~4灰?guī)r甚至奧陶系灰?guī)r的富水情況。如果煤層傾角較小，可以直接測底板，傾角較大工作面下順槽側(cè)上幫同樣可以實現(xiàn)探測煤層底板水文地質(zhì)情況的目的。圖11-1所示在工作面下順槽對煤底板進行水文地質(zhì)預測預報的結果，圖中曲線是巖石視電阻率值線，顏色較淺表示視電阻率較低，顏色較深表示視電阻率較高，顏色較淺的區(qū)域表示板突水可疑區(qū)，需要在回采前進行底板注漿加固。(二)工作面底板巖層水文地質(zhì)分析（1）說明煤層底板直接充水含水層、間接充水含水層的巖性、強度、厚度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、含水性、導水性、水頭高度、水壓、補給水源、補給強度、補給與季節(jié)的關系及其與煤層之間的相對位置。（2）說明煤層底板直接隔水層、間接隔水層的巖性、厚度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、強度、隔水性能及其與煤層之間的相對位置。（3）說明回采范圍內(nèi)及其附近的地質(zhì)構造分布情況，分析斷層、裂隙的含導水性，各含水層之間的水力聯(lián)系等。（4）介紹煤層底板水文地質(zhì)預測預報的主要結論，結合本礦以及本區(qū)在過去生產(chǎn)過程中水災事故特點，分析有可能發(fā)生底板突水的主要區(qū)域、突水強度、突水量預測等。(三)注漿加固范圍及加固層位的確定根據(jù)煤層底板水文地質(zhì)預測預報的主要結論以及對工作面底板巖層水文地質(zhì)條件的分析，進一步分析注漿加固、改造底板隔水層的必要性，確定注漿加固總體方案，包括加固范圍和加固層位、加固工程量、輔助工程量、輔助工程位置、需要的鉆場數(shù)量、鉆孔數(shù)目、注漿系統(tǒng)、工程工期、工程進度、施工組織等。根據(jù)高壓注漿堵水加固工作原理，選用先進合理的技術路線，以"堵源截流、阻堵結合、加固底板"為原則，采用先簡單、后復雜，先骨料后單液，最后采用雙液漿的注漿順序，保證注漿加固、改造底板隔水層的目的。(四)鉆場布置根據(jù)底板水文地質(zhì)預測預報成果，針對探測到的低阻區(qū)位置，結合工作面巷道布置特點，合理安排鉆場位置?？紤]到注漿工作有可能和工作面生產(chǎn)同時作業(yè)，鉆場位置應選擇頂板較完整的地段，盡可能不影響工作面上下順槽中的設備運行。合理設計鉆場巷道斷面?zhèn)瘟吮苊忏@場巷道斷面過大，鉆場內(nèi)鉆孔可全部設計為斜空孔。鉆巷斷面規(guī)格一般為寬×高=3m×3m，鉆場斷面規(guī)格一般為長×寬×高=5m×3m×3m。鉆巷的支護形式以錨網(wǎng)支護為好，也可以選用金屬棚子支護。為了減少布置鉆場的輔助工程量，要充分利用鉆場位置安排注漿孔，盡量減少鉆場數(shù)量，同一條鉆巷可以布置多個鉆場，每個鉆場可布置多個注漿孔。根據(jù)注漿施工與工作面生產(chǎn)之間的配合關系，合理安排鉆孔施工次序，一般注漿工作要超前工作面生產(chǎn)兩個月時間。（五）注漿孔布置原則（1）根據(jù)水文地質(zhì)預測預報圈定的低阻區(qū)分布范圍，合理設計鉆孔的位置和數(shù)目，鉆孔的孔徑一般要大于75mm，在高壓注漿條件下，按漿液擴散半徑30m計算，均勻布置鉆孔，力求漿液在注漿改造層位的覆蓋率接近100%。（2）盡量增加鉆孔揭露含水層的面積，確保注漿效果。鉆孔均設計為斜孔，但由于煤層底板中泥巖層較多，遇水易變軟、膨脹，不利于鉆孔施工，因此鉆孔的角度也不宜太小，要根據(jù)現(xiàn)場施工的實際情況確定，一般以300~400為宜，只有靠多布置鉆孔來保證注漿加固效果。（3）鉆孔設計方向要盡量與斷裂構造及裂隙的發(fā)育方向垂直或斜交，盡可能多地穿越斷層帶和裂隙，使鉆孔能大面積地揭露含水層。(六)鉆孔結構注漿鉆孔一般選用135mm鉆頭開孔，下入108mm、長6~10m的無縫鋼管作孔口管，然后換用90mm鉆頭鉆迸，直至終孔位置。如果二1底板破碎，為防止注漿過程中從孔口附近漏漿，可選用155mm鉆頭開孔，下入146mm、長6~10m的無縫鋼管作為孔口管，然后換用130mm鉆頭鉆迸，穿過L7后，下入108mm的無縫鋼管作為二級套管，最后換用中90mm鉆頭鉆進直至終孔位置，一般注漿孔終孔直徑不得小于75mm?？卓诠荛L度一般以穿入二1底板第一層較硬的砂質(zhì)泥巖為原則，二級套管應穿過L7級套管均需注漿封閉，封閉套管時注CS雙液漿，待雙液漿充分凝固后，掃孔注水，進行耐壓試驗。耐壓試驗壓力應不低于設計注漿終壓時的孔口壓力，持續(xù)時間不少于30min，以鉆孔周圍不漏水為合格，合格后安裝配套控制閘閥，方可繼續(xù)施工。必須根據(jù)突水壓力，選用合格的高壓閘閥，閘閥強度要大于水壓的3~4倍。(七)鉆孔施工順序為加快底板注漿加固施工速度，必須建立一支技術過硬、素質(zhì)較高的專業(yè)注漿施工隊伍，配備先進的技術裝備，合理安排施工程序，盡可能加快工程進度。同一個工作面可以安排2~3個鉆場同時施工，配備足夠的鉆孔與注漿設備，多工種、多工序平行作業(yè)。考慮到鉆場所在位置作業(yè)場所狹小，同一個鉆場只能安排一套鉆注設備，鉆孔注漿連續(xù)作業(yè)。一個鉆孔施工完畢應立即注漿，然后再施工另一個鉆孔。相鄰鉆場同時施工的兩個鉆孔不要同時揭露含水層，以免注漿時相鄰鉆孔串漿。為保證注漿加固效果，注漿孔一般要分為三個次序，分三遍注漿。先施工第一次序鉆孔，鉆孔個數(shù)不低于鉆孔總數(shù)的50%。完成一次序后再施工第二次序鉆孔，二次序鉆孔個數(shù)不得低于總孔數(shù)的30%，一、二次序完成后再施工第三次序的檢查孔，檢查孔的個數(shù)一般為總孔數(shù)的20%。（八）鉆孔施工技術要求（1）必須嚴格按照設計標定的鉆孔方位、傾角施工注漿孔，在施工過程中不得隨意改動，如因現(xiàn)場施工條件受限而需要變動時，必須經(jīng)項目負責人同意后方可變動。項目負責人可以根據(jù)現(xiàn)場施工條件的變化及時修改鉆孔設計，并擬訂修改通知單通知施工單位。（2）如果含水層水壓較大，為確保施工人員安全，必須使用防噴冒和孔口鉆桿卡持器等防噴反壓裝置，以免鉆具被高壓水頂出傷人。（3）鉆孔孔口套管的安設是鉆孔施工的重要環(huán)節(jié)，也是保證施工安全的重要技術措施。安設孔口管必須按要求進行耐壓試驗，耐壓試驗的壓力不小于設計注漿終孔孔口壓力，持續(xù)耐壓時間不少于30min，合格后在二級管上安裝高壓閘閥，高壓閘閥的抗壓能力要與注漿終孔壓力相匹配。（4）認真做好現(xiàn)場施工記錄，現(xiàn)場記錄要做到“及時、準確、完整、清晰”，準確記錄鉆孔進人各隔水層、含水層的初始水量、最大水量、穩(wěn)定水量、出水壓力、巖層層位、換層深度、迸人含水層前有無導高;進人含水層后巖溶發(fā)育程度等簡易水文觀測資料，便于整理與分析。（5）施工過程中要注意防止鉆孔偏斜，制定切實可行的鉆孔防斜措施并認真執(zhí)行。(九)注漿材料煤層底板加固注漿材料消耗量很大，注漿成本較高。多年來，為了降低注漿成本，工程技術人員和廣大科技人員做了多方面的探討，采用國內(nèi)外先進技術，尋求新型的取材廣泛、配置方便、結膠性能好、可注性強、堵水加固效果好、價格低廉的注漿材料，取得了可喜的成果。目前各礦區(qū)選用的注漿材料多為四類:一是以黏土為主劑的黏土一水泥—水玻璃漿液，二是以粉煤灰為主劑的粉煤灰一水泥漿液，三是水泥—水玻璃漿液，四是水泥單液漿。有時在注漿量特別大的情況下，往往注入一定量的骨料，如碎石、粗紗等。這四類漿液以黏土—水泥—水玻璃漿液成本最低，其次是粉煤灰—水泥漿液，后兩種是廣泛采用的注漿堵水材料，成本相對較高。1．黏土一水泥一水玻璃漿液黏土一水泥一水玻璃漿液簡稱黏土一水泥漿液，以黏土為主劑，水泥為結構生成劑，水玻璃作為添加劑，應用于煤層底板加固注漿，改造底板隔水層取得了成功，大幅度降低了注漿成本，顯著地提高了注漿效果。(1)漿液的配方黏土是漿液的主要成分，要求具有一定的塑性指數(shù)。研究表明，塑性指數(shù)15以上的黏性土一般均可作為配制漿液的原料，且塑性指數(shù)越高，黏土顆粒的分散性越好，造漿效率越高。我國黏土資源豐富，大多數(shù)礦區(qū)注漿用黏土可就地取材。

水泥是漿液的結構生成劑，水泥顆粒的水化作用使得漿液具有一定的結構強度，而且漿液結構強度的增長與水泥顆粒水化反應速度有關，水化反應越快，漿液結構強度增長亦越快。雖然普通硅酸鹽水泥和礦碴硅酸鹽水泥都可用來配制漿液，但一般情況應優(yōu)先選用325號~425號普通硅酸鹽水泥。水玻璃是漿液的添加劑，它促使水泥顆粒更快水化，在漿液結構形成過程中起加速劑的作用。

為滿足不同地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下注漿的需要，漿液配方應有一個較寬的選擇范圍。漿液配方包括黏土漿密度、水泥用量和水玻璃摻量三個因素。在黏土漿密度、水泥用量和水玻璃摻量分別取一定值后，就構成了一組漿液配方。黏土一水泥漿液是一種多相懸浮體，特別是作為主要成分的黏土，種類多、成分復雜。為配制性能優(yōu)良的漿液，注漿前必須對黏土、水泥、水玻璃進行配方試驗，根據(jù)試驗結果，選取適用注漿工程的具體配方。(2)漿液性能黏土一水泥漿之所以能起到堵水作用，主要取決于漿液的粘塑型特征，而不是漿液的抗壓強度，這是采用黏土水泥漿注漿的一個基本觀點。利用多功能裂隙注漿試驗臺分別對單液水泥漿和黏土一水泥漿進行模型注漿試驗。試驗結果表明，黏土一水泥漿的抗壓強度僅為0.1MPa左右，只有單液水泥漿的1%~2%，而注漿堵水效果卻不亞于單液水泥漿。表11-1列出了黏土一水泥漿注人單一平直裂隙(在最利于被水壓擠出的情況下)后所測得的部分試驗結果。

黏土一水泥漿的性能主要包括塑性強度、析水率、黏度、密度和抗?jié)B性等。塑性強度是該種漿液最重要的性能，它是表示漿液抗剪切性能的力學指標。塑性強度用與維卡儀類似的儀器塑性強度測定儀來測量，兩者的最大區(qū)別在于維卡儀的測量元件為測針，而塑性強度測定儀的測量元件為測錐。

在測量時已知G、α，因此只要測出測錐插人漿液的深度九就可通過式(11-3)求得漿液在某齡期的塑性強度。研究表明，影響漿液塑性強度的因素是多方面的。首先，漿液配方的三要素——黏土漿密度、水泥用量、水玻璃摻量對塑性強度都有影響(見表11-2、表11-3、表11-4)，并存在顯著的規(guī)律性。黏土漿密度越大，塑性強度越高;水泥用量越大，塑性強度越高;水玻璃摻量越大，塑性強度越高。漿液配方三要素在不同時期內(nèi)，對塑性強度的影響程度也不同，塑性強度增大的前期(1~3d)，以水玻璃摻量和黏土漿密度的影響最大，水泥用量次之;而塑性強度增長的后期，對塑性強度穩(wěn)定值影響最大的是水泥用量和黏土漿密度，水玻璃摻量次之。塑性強度的增長速度大體上可分為三個階段，初期(4h以內(nèi))增長速度較慢，中期(4h~7d內(nèi))增長速度很快，后期(7~12d后)，增長速度減慢，塑性強度趨于穩(wěn)定。

其次，黏土性能、水泥品種和標號、溫度等對黏土一水泥漿的塑性強度也有一定影響。密度相同而黏度不同的黏土漿，黏度越大，塑性強度越高;水泥標號越高，塑性強度亦越高;通水泥配制的黏土--水泥漿，其塑性強度高于同標號礦碴水泥;溫度越高，塑性強度增長快。

析水率是反映漿液穩(wěn)定性和充填裂隙飽滿程度的重要指標。用單液水泥漿注漿，一個段之所以需注漿多次，主要原因是漿液的析水率高(以水灰比1:1為例，析水率為15%~25%)，且遇水分散離析。黏土-水泥漿的析水率一般僅為0~5%(見表11-5)，遇水不分不離析，可以大大減少注漿次數(shù)。

黏土一水泥漿的黏度因漿液配方不同變化范圍較大，用漏斗黏度計測得黏度從20s到無限大。由于漿液中大部分是黏土漿，顆粒細，潤滑性能好，因此該種漿液具有良好的可注性。從圖11-20可以看出，黏土一水泥漿的黏度隨著黏土漿相對密度的增大而增大，隨著水用量的增加而增大，隨著玻璃摻量的增加而增大。

具體操作工藝是:將黏土采集到料場，通過上料帶式輸送機將黏土送人泥漿攪拌機中，同時加人水攪拌，配制成一定相對密度的泥漿放人原漿池中，原漿池中的泥漿空除砂后存放到儲漿池中。注漿時，將儲漿池中的黏土漿用供漿泵定量泵人一級攪拌池中同時加人水(必要時)及水泥攪拌成黏土水泥漿放大二級攪拌池中繼續(xù)攪拌。用注漿泵從二級攪拌池中抽吸黏土水泥漿，同時采用自流加人的方法將水玻璃加人注漿泵的吸漿管中，水玻璃和黏土一水泥漿在泵腔和注漿管路中邊流動邊混合，形成黏土一水泥漿壓注至注漿地層中。

2.粉煤灰一水泥漿液在長期的礦井防治水工作實踐中，使用傳統(tǒng)的水泥作注漿材料，用量大、成本高，用粉煤灰作為主劑加人水泥中，制成粉煤灰一水泥漿液在合理使用的前提下可以大大減少注漿成本。(1)重粉煤灰的主要成分及性能粉煤灰為粒徑1~50μm的微細玻璃體球形顆粒，以SiO2、AI2O3，為主要成分，含少量的CaO、Na2O、K2O等，是優(yōu)良的活性混合材料。

(2)粉煤灰與水泥的合理配比為了確定粉煤灰與水泥的合理配比，使得粉煤灰一水泥漿液有足夠的凝固強度，確保注漿效果。采取了煤粉灰和425號普通硅酸鹽水泥作為樣品，在巖體力學實驗室，按照設計比例做了漿液混合凝固時間試驗和抗壓強度試驗，取得了各種不同比例凝固時間和試塊抗壓強度值，如表11-7所列。析水率如表11-8所列。

從表11-7、表11-8中可以看出隨著粉煤灰摻人比例的增加，試塊抗壓強度不斷降低，能夠滿足較好的注漿效果的粉煤灰摻人百分比為30%以下，并且可以看出水灰比在0.65~0.70時漿液的流動性最好，析水性最小，且同齡期內(nèi)抗壓強度最大。當然，在注漿過程中，視鉆孔的涌水量大小和巖層的可注性差異可以選擇不同比例的粉煤灰摻人量，以達到相應的效果。(3)粉煤灰的使用原則1)視鉆孔的涌水量大小確定是否摻加粉煤灰。一般情況下，鉆孔涌水量大于20m3/h時才考慮摻加粉煤灰，小于20m3/h一般不摻加粉煤灰或少加粉煤灰，因為摻加粉煤灰會降低漿液凝固強度，在注漿量不大、成本不高時仍使用純水泥注漿，注漿效果會更好。2)視巖層的可注性確定是否摻加粉煤灰。一般情況下，鉆孔涌水量較小時注漿量也小，鉆孔涌水量大時注漿量也大;特殊情況下，鉆孔涌水量雖然較小但注漿量卻很大，即巖層的可注性好，這時要考慮摻加粉煤灰。摻加與否的標準是:鉆孔涌水量小于20m3/h，但注漿量超過20m3而注漿壓力卻沒有變化，說明巖層裂隙較發(fā)育，可注性好，需要大量的注漿材料，可考慮摻加粉煤灰相反，有時鉆孔涌水量較大，注漿量卻很小，這說明巖層裂隙較小，可注性差，無須摻加粉煤灰。因此，摻加粉煤灰前要摸清巖層的可注性，不能只憑鉆孔涌水量大小來決定是否摻加粉煤灰。這就要求在注漿過程中認真觀察注漿壓力的變化情況，一般只要在注人20t水泥后注漿壓力沒有變化或變化很小時，無論鉆孔涌水量大小，均可考慮摻加粉煤灰。

3)摻加粉煤灰的比例可隨時調(diào)整。首先按小比例摻加，控制在20%左右，隨著注漿時間和注漿量的增加，注漿壓力沒有變化或變化很小時，說明巖層內(nèi)存在較大裂隙或溶洞，需要注人大量的注漿材料，可增大粉煤灰的加人量，最大可加人達到50%~70%，主要起充填作用。當注漿壓力逐漸增大時，可減小粉煤灰的加人量，直到停止加入。4)停止加入粉煤灰的標準。一般來說，當注漿壓力增加到設計終壓的一半時即可停止加人粉煤灰。隨著注漿壓力的不斷升高，單位時間的吸漿量不斷減少，而壓力增長會越來越快，如果不及早停止加人粉煤灰可能會出現(xiàn)來不及停止就達到設計終壓，影響封孔效果。

(4)粉煤灰的摻用方法1)干法。即在制漿前把干粉煤灰與水泥一起摻和，然后加水攪拌制成漿液，這種方法消耗體力勞動較大，大量注漿時一般不采用;另一種加人方法是在攪拌水泥漿的同時向漿池中加入干粉煤灰，這種方法的優(yōu)點是簡便易行，容易操作，但缺點是對于質(zhì)量不好的粉煤灰不太適用，比如有結塊或雜物難以得到充分攪拌，容易堵塞注漿泵或者注漿管路。2)濕法。將粉煤灰加人水中，拌成漿狀，然后定量加人水泥漿池中，并不停攪拌。濕法的優(yōu)點是粉煤灰單獨制漿，在加人水泥漿池之前可以進行過濾，避免結塊或雜物進入注漿系統(tǒng)，堵塞泵體或注漿管路。尤其是在大量使用粉煤灰時，對粉煤灰的計量，控制粉煤灰的加人量，都非常方便。(5)使用粉煤灰應注意的事項1)注漿使用的粉煤灰一般只作充填溶洞或者較大的含水裂隙之用，要求的質(zhì)量等級不高，粉煤灰的來源一般是從火電廠灰場運來的濕灰或者己經(jīng)風干的塊狀粉煤灰，沒有進行任何處理，多含有塊狀物或雜質(zhì)，注漿前必須攪拌充分并過濾，預防堵塞泵體和注漿管路。2)粉煤灰漿液析水性較強，注漿過程中要盡量避免間歇時間過長，預防因粉煤灰沉淀堵塞管路。3)摻加粉煤灰時要視鉆孔出水情況和巖層的可注性好壞而定，只有當鉆孔的出水量大或可注性好的情況下才可摻加粉煤灰，當鉆孔出水量小或可注性差時不加粉煤灰或少加粉煤灰，以免影響注漿效果。(十)注漿系統(tǒng)注漿系統(tǒng)由地面制漿系統(tǒng)、注漿泵、送料孔、井下注漿管路和井下注漿孔組成。地面制漿系統(tǒng)由黏土制漿機、水泥添加器、攪拌機以及其他輔助設施組成，可以按技術要求配制一定相對密度的黏土一水泥漿、粉煤灰一水泥漿液或單液水泥漿，同時，根據(jù)堵水工作的需要，可以在注漿孔孔口安設骨料添加器，加人碎石、海帶等骨料，如果跑漿嚴重或者有其他特殊要求，注人混合漿或雙液漿。

黏土制漿機多采用肥城礦業(yè)集團機械廠生產(chǎn)的NLl2型制漿機，規(guī)格為(長×寬×高=1810mm×l500mm×1730mm)，是制造黏土漿的主要設備，主電機功率30kW，有粉碎、攪拌、篩選三種功能，具有定量上料、連續(xù)造漿的特點，額定造漿量為12m3/h，最大造漿量為l5m3/h。注漿泵多采用NBB一250/6型泥漿泵，泵的最大流量為250L/min，最小流量為50L/min，額定工作壓力為6MPa，有四個檔位，輸入功率為30kW。通過現(xiàn)場測比重、黏度及時調(diào)整黏土量及水量，制成漿液后經(jīng)過濾流人粗漿池。井下注漿管路一般選用50.8mm高壓無縫鋼管，并用相匹配的高壓快速接頭連接，耐壓能力不得低于l0MPa。注漿管路與注漿孔要用50.8mm的高壓膠管連接，長度6~10m。孔口要安設抗震壓力表，量程不小于15MPa，如圖11-22所示。(十一)泵量與泵壓泵量是指單位時間內(nèi)注人漿液的體積，泵壓是指注漿泵或泥漿泵所能達到的最大注漿壓力，取決于注漿泵或泥漿泵的工作能力。實際注漿過程中，泵量的掌握是根據(jù)含水層巖溶裂隙的發(fā)育程度及泵壓確定的，正常情況下，采用NBB一250/6型泥漿泵的泵量為

150~250L/min，水玻璃泵泵量為80~250L/min，在注雙液漿時泵量主要按漿液配比的要求確定。(十二)注漿方式對煤層底板承壓含水層注漿改造一般采用全段連續(xù)注漿方式，分孔分次序連續(xù)注漿，達到注漿終壓為止。以最大量注入，最大范圍擴散，最大限度地充填巖溶裂隙為目的。對注漿孔初始水量大于100m3/h的鉆孔，可采取分段注漿，穿透含水層后最終達到注漿終孔位置。相鄰鉆孔在含水層段間距小于50m時，不得同時穿透含水層，以免竄漿。若發(fā)現(xiàn)井下跑漿時可采取間歇注漿，間歇時間一般為24h。(十三)注漿參數(shù)注漿參數(shù)的選擇視單孔涌水量、巖溶發(fā)育程度以及底板注漿改造現(xiàn)場情況具體確定，一般情況下參考以下參數(shù):1.漿液的相對密度漿液的相對密度反映了在一定體積的漿液中黏土和水泥的含量，是直接關系到漿液質(zhì)量的重要參數(shù)，一般注漿加固改造底板以黏土水泥漿為主，黏土漿的相對密度為1.12~1.2，黏土一水泥漿的相對密度一般為1.21~1.26。特殊條件下可采用添加骨料進行注漿。其中黏土漿的水土比為0.5:1~1:1，縣口相對密度為1.12~1.18(見表11-9)。2.漿液的黏度漿液的黏度表示漿液內(nèi)部分子之間、顆粒之間、分子團之間相互運動時產(chǎn)生的摩擦力的大小，從漿液可泵性和可注性角度來看，黏土漿的黏度為17~25s，黏土一水泥漿的黏度在25~60s之間。如果鉆孔涌水量小，可調(diào)小漿液的黏度，鉆孔水量大時，可適當加大漿液的黏度。3.單孔注漿結束標準實踐證明，黏土一水泥漿注漿壓力越大，擴散的范圍越大，對裂隙充填越飽滿，形成的結實體強度也就越高，但壓力超過一定限度時，容易造成巷道底鼓跑漿。所以單孔注漿結束標準為:泵量為80L/min以下，孔口壓力不得低于水壓的2.5倍，持續(xù)時間為30min以上。(十四)注漿施工技術要求1)注漿前要對注漿管路進行檢查，確保管路暢通，然后對注漿管路進行耐壓試驗，試驗壓力不低于6MPa，持續(xù)時間不得低于20min，合格后方可注漿。2)每孔注漿前都要觀測其水量和水壓，并單孔放水，放水時間不小于10min，以孔內(nèi)無巖粉，水變清為宜，連接注漿管路后向孔內(nèi)壓水，其目的是擴張裂隙，確定鉆孔的吸水量，以便調(diào)整注漿參數(shù)，提高注漿效果，壓人孔內(nèi)的水量不少于管路總體積的2倍，無異常變化時可以開始注漿。3)注漿過程中，化驗記錄員要嚴格按漿液配比標準，根據(jù)現(xiàn)場配比試驗確定注漿泵泵量和漿液的相對密度等參數(shù)，并認真做好記錄。4)注漿過程中要根據(jù)注漿壓力和跑漿情況，及時調(diào)整注漿泵泵量和各種漿液的相對密度，以取得最佳的注漿效果。

5)注雙液漿時，應首先開啟水泥漿泵，水泥漿迸人注漿孔10min后按實驗確定的泵量開動水玻璃泵。達到注漿壓力要求時，停止注漿，先停水玻璃泵后停水泥漿泵。6)要嚴格注漿順序、注漿方式、注漿結束標準，不經(jīng)批準不得擅自改變或隨意停止注漿。7)如發(fā)現(xiàn)鉆孔串漿、堵塞或鉆孔進漿量明顯較少時，要重新掃孔或補打檢查孔注漿。8)當達到注漿結束標準后，應及時關閉孔口閥門，卸下孔口高壓膠管，若采用孔內(nèi)混合漿液，應馬上轉(zhuǎn)動鉆具并及時提出，防止把鉆具凝固在孔內(nèi)。若是孔口混合，應及時把孔口混合器卸下來，為下一次注漿做好準備。

9)注漿結束后，要及時將管路和混合器沖洗干凈，以免沉淀堵塞，以備再用。10)注漿孔口附近必須設專用直通電話，不得與其他電話串用，以便及時與地面注漿站聯(lián)系。注漿期間各工種作業(yè)人員要堅守崗位，各司其職，保證注漿各個環(huán)節(jié)正常運轉(zhuǎn)。對含水層水位和涌水量要加派專人觀測，觀測結果要及時匯報。(十五)注漿效果檢查對于工作面底板加固注漿改造一般可以采用以下幾種方法進行效果檢查:1.鉆探檢查檢查孔的數(shù)量不少于注漿孔的20%，檢查孔水量以不大于3m3/h為準，若大于3m3/h則繼續(xù)打孔注漿，直至小于3m3/h為止。檢查孔的布置要重點考慮構造復雜地段、含水層相對富水區(qū)以及注漿質(zhì)量相對較弱的地段。2.物探檢查在注漿改造之前先進行物探，有針對性地布孔，注漿之后再進行物探檢查對比，從而檢查注漿改造的效果，多采用直流電法和瞬變電磁法，最好兩種方法同時使用效果會更佳。3.綜合水動態(tài)分析根據(jù)打鉆、注漿前后的地下水觀測數(shù)據(jù)，繪制歷時曲線圖，用距出水點較近的出水點、觀測孔資料等進行綜合對比分析，可對注漿改造效果做出定性評價或大致定量評價。在有條件的情況下，也可以根據(jù)物探檢查。第四節(jié)底板加固注漿工程實例河南焦作礦區(qū)某礦二1煤底板加固注漿增加底板隔水層厚度的應用實例：一、礦井概況某礦位于焦作煤田東北部，開拓方式為立井暗斜井多水平開拓，采煤方法為走向長壁采煤法。受新華夏系構造帶、秦嶺東西構造帶、燕山運動以及太行山隆起等構造運動影響，該礦井田形成了獨特的地質(zhì)構造形態(tài)。井田內(nèi)構造以高角度的正斷層為主，多數(shù)斷層呈北東方向展布，煤系地層呈現(xiàn)為西高東低的單斜構造形態(tài)，局部存在摺曲構造。井田西部邊界為煤層露頭，東部邊界附近為開放性的九里山斷層，南部邊界為北升南降

落差200m左右的正斷層，北部邊界為南升北降、落差65m的F4斷層，礦井開采深度100~740m，開采煤層為二疊系山西組二，煤層，煤厚1.5~7.5m，平均厚5.5m，煤層傾角5o~22o，全區(qū)分布穩(wěn)定。煤層頂板為灰黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖，厚2.80~18.55m，平均厚5.30m;煤層底板為灰黑色砂質(zhì)泥巖、砂巖，厚0.5~7.3m，平均厚1.8m。歷史上曾多次發(fā)生突水事故，其中突水量大于60m3/h的有30次，最大突水量4200m3/h。礦井正常涌水量2280m3/h，涌水水源主要來自煤層底板的L8灰?guī)r含水層。二、23071工作面水文地質(zhì)條件23071工作面位于井田南部二水平23采區(qū)的底部，標高在-418.5~474.5m，走向長640m，傾向長126m，傾角20o，煤厚4.4~5.2m，平均厚4.5m，工作面運輸巷和回風巷均沿煤層頂板布置。23071工作面水文地質(zhì)條件比較復雜。位于煤層底板的L8灰?guī)r含水層厚6~8m，水位-90m，煤層底板隔水層厚38~44m。在其上部的23051工作面回采過程中涌水量達450m3/h，右上部的20071工作面回采過程中涌水量達780m3/h，23051和20071工作面涌水水源均來自，煤層底板的L8灰?guī)r含水層。在23采區(qū)和20采區(qū)中間區(qū)域，分布一條構造破碎帶，破碎帶走向130o~160o，寬600m,23071工作面位于此構造破碎帶的邊沿。

三、突水原因分析及加固技術的可行性該礦井田處于新華夏系構造帶和秦嶺東西構造帶的結合部位，受新華夏系構造、秦嶺東西構造、燕山運動以及太行山隆起等地質(zhì)構造運動影響，在井田的申部分布著2條構造破碎帶。井田的北部是太行山隆起帶，井田內(nèi)煤系地層申的地下水主要來自北部太行山區(qū)的側(cè)向補給，地下水水位高，水壓大，受區(qū)域地質(zhì)構造及采動應力影響，在構造破碎帶區(qū)域，煤層隔水底板的穩(wěn)定性減弱，抗壓強度小于4MPa，隔水底板失去隔水功能，位于煤系地層下部的L，含水層的高壓水沿構造破碎帶涌人礦井。對于布置在受構造破碎帶影響較大的工作面，在煤層回采前打鉆，預先對其破碎的隔水底板注漿加固，對位于煤層底板的L8灰?guī)r含水層含水溶洞進行注漿充填，把煤層破碎的隔水底板變成堅固的整體，將L8灰?guī)r含水層改造成隔水層。這樣，