煤礦注漿堵水技術(shù)的新進(jìn)展
宋彥波 馬念杰 景魁英

1.概述
煤礦水害影響礦山工程施工的進(jìn)度和質(zhì)量、惡化工人的勞動(dòng)環(huán)境、增加礦井的排水設(shè)施及排水費(fèi)用、給煤礦生產(chǎn)帶來了不安全因素、嚴(yán)重者甚至發(fā)生淹井事故、造成生命和財(cái)產(chǎn)的重大損失[1]。我國(guó)煤田水文地質(zhì)條件復(fù)雜，目前我國(guó)約有18%待開采的煤炭?jī)?chǔ)量受到較為嚴(yán)重的水害威脅，對(duì)其進(jìn)行防治工作具有十分重要和十分迫切的現(xiàn)實(shí)意義。注漿堵水是礦井水防治的重要方法之一，具有減輕礦井排水負(fù)擔(dān)，節(jié)省排水用電，降低噸煤成本，提高工效和質(zhì)量，加固井巷薄弱地段，減少突水機(jī)率、延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限的明顯優(yōu)點(diǎn)[2]。
2.注漿堵水技術(shù)的發(fā)展歷程
注漿堵水作為注漿技術(shù)的一個(gè)分支，是隨著注漿技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。注漿堵水技術(shù)作為工程技術(shù)的一個(gè)新領(lǐng)域不過只有一百多年的歷史。1802年法國(guó)首次把注漿法應(yīng)用于俢復(fù)擋潮閘[3]，英國(guó)于1856年第一次將水泥用于注漿，1882年~1920年相繼研制了氣動(dòng)注漿機(jī)和水玻璃-氯化鈣化學(xué)漿液，此后又相繼研制出鉻木素、丙烯酰胺等漿液材料。二十世紀(jì)四十年代以來，各種新的化學(xué)漿液(如木質(zhì)素類、脲醛樹脂類、丙烯酰胺類、聚氨酯類等)和改性水泥漿相續(xù)問世，將注漿堵水技術(shù)推向一個(gè)新的高度。注漿堵水技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展是從20世紀(jì)50年代初期煤礦井筒井壁注漿堵水開始的[4]，從60年代后，我國(guó)相繼開發(fā)了一系列無機(jī)或有機(jī)注漿材料，并逐漸建立了適用于特定漿液的注漿理論、注漿工藝。進(jìn)入21世紀(jì)后，注漿堵水技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)入一個(gè)鼎盛時(shí)期，在注漿堵水技術(shù)許多方面，包括材料品種、設(shè)備器材等都獲得了一定發(fā)展。注漿堵水技術(shù)近年來在各種巖土工程中得到廣泛應(yīng)用，技術(shù)效益及社會(huì)效益也很顯著，但注漿堵水技術(shù)本身還不成熟，還需不斷完善。
3注漿堵水技術(shù)的研究現(xiàn)狀與研究成果
注漿堵水技術(shù)包括硬件和軟件兩部分：硬件部分又包括注漿材料和注漿設(shè)備，軟件部分可簡(jiǎn)單地分類注漿工藝和注漿參數(shù)計(jì)算理論。
3.1注漿堵水材料
目前煤礦井巷堵水注漿材料大都選用水泥類漿材或水泥—水玻璃類漿材，其主要優(yōu)點(diǎn)是成本低、材料來源廣，但由于其硬化后易收縮而產(chǎn)生細(xì)小裂隙，在水力沖刷下裂隙逐漸擴(kuò)大，堵水效果不理想，且因其為顆粒性材料，對(duì)細(xì)小裂隙難以壓入，因此其應(yīng)用范圍有一定的局限性。中國(guó)業(yè)大學(xué)（北京）研制的有機(jī)高水材料(HWM)具有粘度低、凝膠時(shí)間可在幾秒至幾小時(shí)的時(shí)間范圍內(nèi)人為調(diào)節(jié)并能準(zhǔn)確控制、易于被壓注進(jìn)巖體深部微細(xì)裂隙內(nèi)，所形成的凝膠體要求結(jié)石率高、滲透性低的特點(diǎn)，已成功地應(yīng)用于透水巖層注漿堵水工程。其反應(yīng)過程及與含水流砂反應(yīng)生成的固結(jié)體如圖1所示。

3.2 注漿堵水設(shè)備
注漿設(shè)備組成中的關(guān)鍵設(shè)備是注漿泵，目前國(guó)內(nèi)注漿堵水工程中所使用的大都是電動(dòng)調(diào)速高壓注漿泵，但因其重量較大，使用不便。近年國(guó)內(nèi)開發(fā)了以乳化液為動(dòng)力的雙液注漿泵[38]，可以輸送包括聚氨酯在內(nèi)的多種注漿堵水材料，但其需要由乳化液作動(dòng)力，使用不便。
中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）研制的QB-25(12)系列高壓雙液注漿泵，如圖2所示，具有性能可靠、使用方便安全，最大注漿壓力可達(dá)30MPa，能適用于井下狹小空間。并已成功地應(yīng)用于煤礦井下透水巖層注漿堵水工程中。

3.3 注漿堵水工藝
采用注漿法對(duì)裂隙巖體進(jìn)行注漿堵水時(shí)，漿液經(jīng)過注漿孔靠外力作用被壓注到巖體內(nèi)部的空隙中去。有機(jī)高水材料結(jié)合QB-25(12)型注漿泵在煤礦井下的注漿堵水工藝如圖3所示。

近年來，注漿技術(shù)發(fā)展很快，注漿方法種類繁多，除上述幾種典型的注漿方法外，注漿法從脈狀注漿、滲透注漿發(fā)展到應(yīng)用較多材料品種的復(fù)合注漿法或綜合注漿法；從無壓注漿到通電、抽水、壓氣、噴射、旋噴等多種誘導(dǎo)注漿法；從鉆桿錨固注漿、雙管脹圈式注漿、儲(chǔ)能復(fù)合注漿、布袋注漿、袖管注漿、以水頂漿注漿、爆破注漿發(fā)展到多種形式的綜合注漿技術(shù)方法，通過預(yù)處理以及孔內(nèi)爆破等方法，大大提高了同等條件下的漿液的可注性，擴(kuò)大了注漿法的適用范圍。
3.4注漿堵水理論研究現(xiàn)狀
注漿堵水理論是研究漿液在巖體裂隙內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律，揭示注漿參數(shù)之間的本質(zhì)聯(lián)系。
3.4.1巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流規(guī)律分析
天然巖體內(nèi)部分布著大量的裂隙，彼此連通的裂隙形成網(wǎng)絡(luò)對(duì)巖體的滲流具有控制作用。在巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流場(chǎng)中，流體的滲透性可用滲透率張量和滲透系數(shù)張量來描述。巖體的空間內(nèi)不同點(diǎn)上滲透率張量構(gòu)成了巖體系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)的滲透率張量場(chǎng)。設(shè)巖體由多組裂隙組成，第i個(gè)方向上的裂隙組的密度（單位長(zhǎng)度上的裂隙個(gè)數(shù)）為Si，平均裂隙寬度為 ，則第i方向上裂隙組構(gòu)成介質(zhì)的裂隙度為 ，則巖體裂隙的等效滲透率張量為：

滲透系數(shù)張量是描述巖體介質(zhì)和介質(zhì)內(nèi)流動(dòng)的流體在空間同一點(diǎn)上不同方向上的滲透性能的量，其值可表示為：

3.4.2注漿堵水參數(shù)計(jì)算理論[5]
近幾十年來，國(guó)外學(xué)者對(duì)滲透注漿法進(jìn)行了廣泛而深入的研究，發(fā)展了一系列注漿理論，如孔隙土體滲透注漿理論（其中馬格理論即球形擴(kuò)散理論、柱形擴(kuò)散理論、卡羅爾理論等最具代表性）、裂隙巖體滲透注漿理論、劈裂注漿理論等。國(guó)內(nèi)學(xué)者田開銘、速寶玉、劉嘉材等也分別提出了不同狀態(tài)下的裂隙注漿理論。這些理論大都是基于穩(wěn)定滲流的基礎(chǔ)上而建立的，近年國(guó)內(nèi)開發(fā)的具有膨脹性能的漿液在注漿過程中不僅具有粘度隨注漿過程增加的特性，而且還具有二次滲透壓力現(xiàn)象，從而使?jié){液的滲流規(guī)律有所改變。
采用具有二次滲透特性的漿液進(jìn)行注漿堵水，在漿液與水反應(yīng)的過程中，所生成的氣體摩爾數(shù)越多，則在一定的注漿壓力作用下，注漿壓力就越容易克服靜水阻力和因漿液凝固所產(chǎn)生的粘滯阻力，也就越有利于注漿的進(jìn)行，在裂隙網(wǎng)絡(luò)注漿堵水時(shí)注漿參數(shù)的計(jì)算公式為：

裂隙的粗糙度對(duì)漿液滲透性的影響可用粗糙度系數(shù)來對(duì)注漿參數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行修正:

以上具有二次滲透特性的注漿參數(shù)計(jì)算理論的建立極大地豐富了注漿理論內(nèi)涵，并基本上形成了比較完整準(zhǔn)確的注漿理論體系。
4結(jié)論
注漿堵水是將各種堵水材料制成的漿液壓入巖層預(yù)定地點(diǎn),如突水點(diǎn)、含水巖層儲(chǔ)水空洞等，并使?jié){液擴(kuò)散、凝固和硬化，從而起到堵塞空隙、隔絕水源，增大巖層整體強(qiáng)度和隔水性能的目的，可以減少突水機(jī)率、延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限。作為注漿技術(shù)的一個(gè)分支，其是隨著注漿技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，近年來，注漿堵水技術(shù)無論是在堵水材料、注漿設(shè)備的研制方面，還是在堵水注漿理論研究方面都取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，新型注漿堵水材料、注漿設(shè)備的研制成功，提高了注漿堵水效率和效果；具有二次滲透特性注漿堵水參數(shù)計(jì)算理論的提出，豐富了注漿理論內(nèi)涵，結(jié)合前人以穩(wěn)定滲流為基礎(chǔ)建立的裂隙注漿理論，形成了比較完整準(zhǔn)確的注漿堵水理論體系，從而為礦井注漿堵水提供了可靠的技術(shù)手段和理論指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)
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5. 宋彥波. 有機(jī)高水材料注漿堵水機(jī)理及其工程應(yīng)用研究.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)博士論文.2005(1)
作者簡(jiǎn)介：宋彥波 (1965-),男，河北深澤人，2005年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），獲博士學(xué)位，現(xiàn)為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院巖土工程博士后流動(dòng)站博士后，電話：010-83048556，手機(jī)：13803191708，E-mail:s67388@sina.com。