粘土水泥浆在葛泉矿东井9#煤底板及本溪灰岩注浆堵水可行性研究报告(最终稿).doc

粘土水泥浆在葛泉矿东井9＃煤底板及本溪灰岩注浆改造可行性报告

北京中煤矿山工程有限公司
煤炭科学研究总院北京建井研究分院
二〇〇八年八月十二日
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粘土水泥浆在葛泉矿东井9＃煤底板及本溪灰岩
注浆改造可行性报告

编 写：王正胜 宋雪飞 袁辉
审 核： 高岗荣 徐润

北京中煤矿山工程有限公司
煤炭科学研究总院北京建井研究分院
二〇〇八年八月十二日
目 录
目 录 I
前言 1
1 矿井概况 2
2 葛泉矿井地质、水文地质条件 2
2.1 地质地层 2
2.2 水文地质条件 4
2.3 构造 6
2.4 煤层 7
2.5 隔水层分析 8
3 矿井水害历史与现状 9
4注浆改造的现实意义 9
5 注浆站规划 10
5.1 土建工程 10
5.2 粘土上料造浆系统 11
5.3 射流造浆系统 12
5.4 注浆系统 12
5.5 供水系统 13
5.6 供电系统 13
6 CL-C注浆材料研究 13
6.1 CL-C浆液发展历史简介 13
6.2 CL-C浆液堵水机理 14
6.2.1粘土水泥浆的时间稳定性和耐久性 14
6.2.2 粘土水泥浆的可注性和流变性 14
6.2.3 粘土水泥浆的凝结性 15
6.3 CL-C浆液性能研究 16
6.3.1 CL-C浆液用土分析 16
6.3.2 浆液不同配比条件下比重、粘度、析水率的实验研究 18
6.3.3 不同配比条件下浆体塑性强度的实验研究 19
6.3.4 正交试验结果分析 20
6.4 CL-C浆液的特点 21
7 工业性试验 21
7.1 注浆孔的布置 21
7.2 注浆机具 25
7.3 注浆工艺 25
7.3.1 注浆材料 26
7.3.2 浆液比重 27
7.3.3 注浆段长 27
7.3.4 注浆量和注浆终压 28
7.3.5 注浆方式 29
7.3.6 注浆结束压力标准 29
7.3.7 注浆质量的检查 29
7.4 注浆成果 29
7.4.1 注浆孔参数 29
7.4.2 注浆成果分析 29
7.5 注浆效果对比 32
7.6 粘土水泥浆、单液水泥浆的适应性 33
8 粘土水泥浆注浆经济效益分析 33
8.1 粘土水泥浆与单液水泥浆每立方浆液用原料成本对比 33
8.2 注浆工期效益 34
9结论 35

粘土水泥浆在葛泉矿东井9＃煤底板及本溪灰岩
注浆改造可行性报告
前言
葛泉矿东井是葛泉井田下组煤试采区矿井，2007年2月8日建成投产，设计年生产能力30万吨，主采9#煤。9#煤底板至本溪灰岩间距平均20m左右，底板岩层裂隙发育程度较高，本溪灰岩承压水在局部地段存在原始导升高度，底板裂隙密集发育段可直接到9#煤底板。存在本溪灰岩水沿导水裂隙上升突破9#煤层底板，造成井巷突水危害。另据探查钻孔资料显示，本溪灰岩单孔涌水量均大于50m3/h，并且疏放效果很不明显；工作面上段个别钻孔钻进至本溪灰岩含水层顶部有发生掉钻、涌水量猛增现象，单孔涌水量最大可达200m3/h（孔径75mm）；本溪灰岩含水层与奥陶系灰岩含水层水位一致，并且从水质化验资料来看，部分钻孔本溪灰岩水质已呈奥灰水质特征，可见，本溪灰岩水与奥灰水之间有一定的水力联系，所以为了矿井的安全生产、煤层的顺利开采，对9#煤层底板以及本溪灰岩含水层进行注浆改造工作刻不容缓，势在必行。
基于本矿井注浆改造工作的必要性和重要性以及试采区水文地质条件的复杂性，在前期试采过程中采用了注浆加固9#煤底板及9#煤下伏本溪灰岩含水层注浆堵水防治技术措施，并进行带压开采。从2006年初，葛泉矿东井便开始进行煤层底板水泥浆注浆改造工程，到目前为止已成功加固了1192、1190、1194三个回采工作面，并全部回采完毕。前期注浆工程主要使用单液水泥浆，总注入水泥3.2万吨，采出原煤63万吨。但是注浆水泥用量大、成本高。为了降低注浆改造成本、取得更好的注浆改造效果，近阶段葛泉矿对东井部分9#煤层底板以及本溪灰岩含水层采用了粘土水泥浆（CL-C浆液）进行注浆改造试验。工业性试验证明，CL-C浆液成本低、悬浮性好、浆液扩散距离大，注浆堵水效果较好。所以，粘土水泥浆作为葛泉矿东井开采下组煤底板及下伏本溪灰岩注浆改造材料是完全可行的。
1 矿井概况
葛泉矿井位于沙河市下解村附近，东距京广铁路褡裢站10km，北距邢台市约18km。本矿井铁路专用线与京广铁路相通，公路交通四通八达，交通相当便利。葛泉矿东井为葛泉矿井田的一部分，位于葛泉井田南翼，处于大油村向斜内，F13断层以北，北以F12-1断层及9#煤露头线为界，南以F13断层为界，西以F6、F12-1为界，东以9#煤层露头线为界，走向长约2200m，倾斜宽约1900m，面积3.8km2，葛泉矿东井位于西油村、大油村一带，距葛泉矿约2.5km。为葛泉矿下组煤试采区，开采水平为-150m，主采9#煤，设计生产能力为30万吨/年，矿井服务年限为18年。
2004年3月5日葛泉矿东井建设项目正式开工，2006年8月1日成立葛泉矿东井，2006年9月1日开始联合试运转，2007年2月8日投产。目前葛泉矿东井已回采1192、1190与1194三个工作面。
2 葛泉矿井地质、水文地质条件
2.1 地质地层
葛泉井田地表全为新生界地层所覆盖，根据钻孔及井巷揭露，井田内发育的地层自老至新依次为奥陶系中统马组与峰峰组；石炭系中统本溪组、上统太原组；二叠系下统山西组、下石盒子组，上统上石盒子组以及第四系。现分组叙述如下：
Ⅰ 奥陶系（O）
① 奥陶系中统下马家沟组（O2x）
下段（O21x）：厚7～17m，一般12m左右。岩性为薄层钙质页岩，俗称“贾旺页岩”。
中段（O22x）：厚17～78m，平均47.5m。为角砾状含白云质灰岩和泥质角砾状灰岩。下部为中厚层状角砾岩，夹薄层泥质灰岩，角砾成分为灰岩和白云岩；上部为角砾状泥质灰岩、薄层状白云质灰岩，夹有隐晶质灰岩。
上段（O23x）：厚75～110m，平均95m。下部为灰岩与角砾状白云质灰岩，局部夹薄层泥岩；中部为粉红色花斑状灰岩，俗称“云雾灰岩”；上部为厚层状致密灰岩，含石膏、石盐晶体。
② 奥陶系中统上马家沟组（O2s）
下段（O21s）：厚17～80m，一般35.1m。下部为黄绿色钙质泥岩风化后呈竹叶状；上部为含角砾白云质灰岩，薄层泥灰岩，在闪长岩体影响的地段，有结晶灰岩与大理岩。
中段（O22s）：厚59.39～102.06m，一般73.82m。中下部为厚层状花斑灰岩，夹1～2层角砾灰岩；中上部为白云质灰岩与白云岩，夹薄层灰岩；顶部为深灰色中厚层状纯灰岩。
上段（O23s）：厚76.55～91.00m，一般83.78m。底部为角砾状灰岩砾径在0.5～2.0㎝；中部为厚层状灰岩；上部为深灰色纯灰岩与白云岩互层。
③ 奥陶系中统峰峰组（O2f）
下段（O21f）：厚66.81～82.63m，一般75.63m。岩性为厚层状结晶灰岩，具花斑结构，局部夹泥灰岩，底部为角砾灰岩，中上部局部可见石膏、石盐晶体。
上段（O22f）：厚18.62～35.87m，一般28.67m。主要为白云质角砾状灰岩，夹稿纹状灰岩及泥质灰岩。
Ⅱ 石炭系（C）
① 石炭系中统本溪组（C2b）
该组地层厚9.76～33.94m，平均厚22.88m。岩性主要由深灰色泥岩、粉砂岩及石灰岩组成，夹不稳定薄煤层（10#煤层）及薄层中细粒砂岩。泥质富含铝质，具鲕状结构，在本溪组灰岩下形成G层铝土岩。泥岩、粉砂岩富含菱铁矿结核与微晶。石灰岩含蜓科动物化石。本组与峰峰组为平行不整合接触。
② 石炭系上统太原组（C2t）
该组地层厚130.28～181.00m，平均厚153.74m。为一套海陆交互相沉积，是井田主要含煤地层之一。本层岩性主要为灰色粉砂岩、中细粒砂岩、石灰岩及煤层组成，发育灰岩4～6层。底部中砂岩是太原组与本溪组的分界，以整合接触关系沉积于本溪组之上。本层富含黄铁矿、菱铁矿及动植物化石。
Ⅲ 二叠系（P）
① 二叠系下统山西组（P1s）
该组地层厚44.10～87.65m，平均厚59.53m。为过度相碎屑沉积，是井田又一主要含煤地层。岩性由灰色中细砂岩、粉砂岩和煤组成。砂岩和粉砂岩中夹鳞木、芦木、苛达松、羊齿类等植物化石。中下部含煤2～4层。上界为下石盒子组底部的“骆驼脖”。本层与下伏太原组地层为整合接触。
② 二叠系下统下石盒子组（P1x）
该组地层厚169.62～191.12m，平均厚183.76m。为陆相沉积，岩性由泥岩、粉砂岩和中细粒砂岩组成。中部偏下部在两层中粗砂岩之间夹一层铝土岩，最下部一层砂岩通称“骆驼脖”砂岩，呈灰色，含云母片及泥质包体，全区普遍发育，是一辅助对比标志。该层顶界为一层沉积稳定的富含菱铁质鲕状及豆状铝土质泥岩，俗称“桃花”泥岩，是下石盒子组与上石盒子组的分界层。与下伏山西组呈整合接触。
③ 二叠系上统上石盒子组（P2S）
该组平均厚260m。为陆相沉积，岩性由粉砂岩及砂岩组成，夹数层中细砂岩和铝土质泥岩。
Ⅳ 第四系（Q）
覆盖于各时代地层之上，与各地层呈角度不整合接触关系。
① 下更新统（Q1）
该层厚15.10～164.82m，一般厚45m左右。为间冰期堆积物，又称底部冰渍卵砾层，卵砾石直径0.01～1.0m，几乎全部为震旦系肉红色石英砂岩，在卵砾之间充填有紫红色粘土砂质。
② 中更新统（Q2）
该层厚34～85m。底部由数层含细砾中粗砂组成，砂层之间夹薄层状、透镜状砂质粘土。其上为又一间冰期形成的砾石、卵石层。
③ 上更新统（Q3）
厚度不一，且不连续，为坡、洪、冲积物，岩性由粘土、粉砂、卵砾石等组成，为中更新统沉积的改造物。
④ 全新统（Q4）
厚度40m左右，为现代河床卵、砾石层及风成沙丘。卵砾石成分复杂，除震旦系石英砂岩以外，还有各色片麻岩、各种岩浆及脉岩，粒间充填混粒少。主要分布在沙河及河床及其南岸各大冲沟底部，沙丘分布在沙河南岸的阶地上。
2.2 水文地质条件
在区域水文地质单元分区上，葛泉矿位于百泉奥灰岩溶水文地质单元南部迳流区的沙河-邢台-百泉迳流带和高店村-张宽-百泉迳流带之间的相对强迳流地带。
东井对煤层开采有影响的含水层主要是大青灰岩、本溪灰岩以及奥灰含水层，现根据井巷开拓过程中所表现出的特征叙述如下。
（一）大青灰岩裂隙岩溶承压含水层
大青灰岩平均厚度5.3m。通过东井石门掘进阶段大青灰岩水预疏放工程，石门穿过大青灰岩含水层时，水位降低到-150m水平，目前涌水量稳定在100m3/h左右，说明该含水层富水性中等。同时在疏放过程中，不同位置、结构相同的放水孔涌水量差异很大，因此可以判断本区大青灰岩含水层富水性很不均匀。在8#、9#煤层之间夹矸厚度较小的巷段，大青灰岩为8#、9#煤层合层的直接顶板，大青灰岩水以顶板淋水的形式向掘巷充水。随着工作面巷道向浅部掘进，8#、9#煤层之间砂质泥岩夹层厚度越来越大，大青灰岩含水层与9#煤顶板之间距离在8～17m，工作面回采过程中，大青灰岩仍然处于冒落导水裂隙带范围之内，将以顶板淋水的形式对工作面充水。
（二）本溪灰岩裂隙岩溶承压含水层
东井区本溪灰岩平均厚度7.5m，井下钻探揭露区平均厚度为9m。探查孔钻进至本溪灰岩含水层顶部及进入本溪灰岩时单孔涌水量均大于50m3/h，并且疏放效果很不明显，试疏放过程中本溪灰岩水质资料中标志离子没有大的变化。1192首采工作面底板注浆加固钻孔资料揭露，工作面下段大部分钻孔穿过10#煤时水量有明显增加，工作面上段个别钻孔钻进至本溪灰岩含水层顶部即发生掉钻水量猛增现象，单孔涌水量最大可达200m3/h（孔径75mm）。本溪灰岩在该范围存在局部风化现象，溶蚀裂隙相当发育，钻孔出大水后，往往冲出较多铁质氧化物、风化状灰岩、泥岩碎块等。
本溪灰岩承压水在局部地段存在原始导升高度，底板裂隙密集发育段可直接到9#煤底板。因此，存在本溪灰岩水沿导水裂隙上升突破9#煤层底板对井巷工程充水的危险性。此外，本区本溪灰岩与奥陶系灰岩含水层之间隔水层厚度最大为16.68m，最薄处只有8.08m，区内平均厚度为13.2m。
井下钻孔本溪灰岩含水层与奥陶系灰岩含水层水位一致，并且从水质化验资料来看，部分钻孔本溪灰岩水质已呈奥灰水质特征。因此，本溪灰岩水与奥灰水之间有一定的水力联系，可能存在奥灰水垂向越流补给现象或其它形式的补给方式。
2.3 构造
东井区位于大油村向斜F13断层以北范围。从9#煤底板等高线图整体形态看，本区整体为一褶皱较宽缓、两翼不对称的向斜构造。东翼地层较陡，最大倾角达27°。西翼F12、SF4断层附近地层倾角相对较缓，倾角在5°左右。9#煤埋深标高在-10～-310m之间变化，埋藏最浅处在葛56孔附近为-10m，埋藏最深处在补30孔与葛68孔之间为-310m。本区构造相对较简单，断层走向基本呈北东方向展布，规律性强，并且大断层相对较少，主要分布在井田西部，为西部边界（如图1所示）。

图1 葛泉井田构造纲要图
本区内有大小断层共计20条，西部边界F12、F12-1、F6；南部边界F13；北部边界F11；通过三维地震勘探在区内新发现断层12条，全部是正断层。落差大于等于10m，小于30m的断层3条，落差大于等于5m，小于10m的断层3条，落差小于5m的断层6条。巷道施工过程中实见断层3条，分别是Nf101、f1192-6、f1192-7。
此外，通过三维地震综合勘探在测区内解释陷落柱1个，该陷落柱位于测区中部葛37孔西侧，轴长50m左右，富水的可能性不大。在测区边界9#煤露头附近还解释4个地质异常体。四个地质异常体从平面展布形态看，类似于陷落柱。SX2区内最大直径220m，SX3区内最大直径190m；SX2、SX3地质异常体含水性较差，但两个地质异常体处于大青强富水条带内。SX4地质异常体位于测区北部，平面形态为一椭圆形，长轴长约90m，短轴长50m。该地质异常体含水性较差。SX5地质异常体位于测区北部葛4孔附近。平面形态为一椭圆形，地震勘探控制了SX5的一部分；该地质异常体富水的可能性不大。
2.4 煤层
东井区内煤系地层为石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。本井田开采的9#煤赋存于太原组地层。区内主要可采煤层为7、9(8+9)#煤层。
7#煤：
位于太原组中部，上距伏青灰岩10～14m。据区内见煤钻孔统计，煤层总厚度0.64～1.23m，平均1.03m，结构较简单，距9#煤约29.16m。层位厚度稳定，仅有少量钻孔煤厚小于最低可采厚度。在全井田变化不大，大部分地区均可采，属于稳定煤层。
8#煤：
位于太原组下部，其顶板为大青灰岩，煤层层位不稳定。8#煤层厚度变化大，煤层厚度0.95m～2.10m，平均1.57m。与9#煤最大间距为17m，在本区中部与9#煤合并。8#煤在平面上的厚度变化比较大，属不稳定部分可采、结构较简单的煤层。
9#煤层：
本煤层位于太原组下部，是本井田厚度最大的可采煤层。据井田内见煤钻孔(受断层影响者除外)统计，煤层总厚度最小2.30m，最厚达6.49m，平均厚度4.89m，本区中部与8#煤合并，该煤层属于稳定可采、结构复杂煤层的全井田可采煤层。
2.5 隔水层分析
⑴ 9#煤层与奥灰间隔水层综合分析
9#煤层底板至奥陶系灰岩含水层的隔水岩层厚度41～45m，平均约43m。岩性组合以粉砂岩、细砂岩、中细砂岩、灰岩和铝土质粉砂岩为主。其中，粉砂岩、细砂岩占总厚度的56%左右；本溪灰岩厚度占总厚度的21%；可塑性比较强的铝土质软岩类厚度占总厚度的23%左右。这种软硬相间且具有一定厚度的隔水层结构在未受构造破坏的情况下，具有较好的阻水性能。9#煤底板以下至奥灰含水层隔水层结构如表1所示。
表1 9#煤底板隔水层岩层结构
岩石名称
平均层厚
（m）
岩性特征
9#煤
5.3
由镜煤、亮煤组成，硬度中等
铝土质粉砂岩
4.5
灰色、细腻，含黄铁矿
9#下煤
0～0.29
区内发育不稳定，有时尖灭
中细砂岩
11.0
细粒结构、分选好，泥硅质胶结，沿层面含铁质
粉砂岩
5.0
结构致密、块状构造、性脆
本溪灰岩
9.0
隐晶和细晶结构，致密，中上部有时夹10#煤
溶隙发育且不均匀，偶见小溶洞
铝土质粉砂岩
5.5
块状构造、质较纯、细腻
细砂岩
3.5
泥质胶结、夹薄层粉砂岩
粉砂岩
4.5
块状无层理、偶见菱铁质成分、结构致密、坚硬
奥陶系灰岩

⑵ 9#煤层与本灰间隔水层分析
9#煤底板至本溪灰岩间距13.4～27.5m，平均20.5m，岩层结构以粉砂岩、砂岩为主，裂隙发育程度较高阻水性能一般，底板裂隙发育方向多为30～35°，本溪灰岩承压水在局部地段存在原始导升高度。
3 矿井水害历史与现状
目前，葛泉矿东井下组煤试采区尚未发生过灾害性涌水。但在巷道掘进阶段，多处发生底板渗水，此外在巷道掘进过程中，针对底板的超前探测钻孔均有涌水，局部钻孔在煤层底板下1～2m处即揭露本溪灰岩水。目前，矿井正常涌水量在182m3/h，主要以大青灰岩水、本溪灰岩水为主，大青灰岩水占整个矿井涌水量的60%以上，采空区的本溪灰岩及其它水占整个矿井涌水量的20%。见表2所示：
表2 葛泉矿东井区矿井涌水量构成情况一览表
涌水位置
水 源
涌水量(m3/h)
井筒淋水
野青及上部水
6
放水孔
大青灰岩
33
西翼大巷
东翼大巷
大青灰岩
大青灰岩
24
58
1192工作面采空区
本溪灰岩及其它水
8
1190工作面采空区
1194工作面采空区
本溪灰岩及其它水
本溪灰岩及其它水
26
2
其它巷道及生产用水
混合水
25
合计
182
虽然目前矿井涌水量较小，但是随着开采水平的延伸和开采范围的扩大，矿井涌水量将逐步增加。
4注浆改造的现实意义
据测算，目前，东井9#煤试采区9#煤层资源保有储量达2578万吨，其中-150m以浅1266.2万吨，-150m以深1311.8万吨，总之东井9#煤层资源储量相当可观。但是，本区9#煤开采受到底板水害的严重威胁，主要表现为以下几个方面：
⑴ 由于本区处于百泉奥灰岩溶水文地质单元南部迳流区的沙河-邢台-百泉迳流带和高店村-张宽-百泉迳流带之间的相对强迳流地带。 地下水补给充分，径流条件畅通。因此，本区奥陶系灰岩含水层历年最高水位+76.33m，富水性较强，-150m水平9#煤层底板承受的最大水压力达2.15MPa，突水系数最高可达0.07 MPa/m；
⑵ 9#煤下伏本溪灰岩含水层厚度大（9m左右），岩溶裂隙发育，富水性强，且与奥陶系灰岩含水层之间存在密切的水力联系，两者已经复合为一个含水体；
⑶ 本溪灰岩含水层普遍发育导升裂隙，局部发育高度甚至直达9#煤底板。
综合上述，本区9#煤带压开采水文地质条件表现出“一薄、二强、三高”的特点：“一薄”——本灰与奥灰之间隔水层薄；“二强”——奥灰岩溶发育，巨厚、富水性极强；本灰厚度大、岩溶裂隙发育、与奥灰之间存在水力联系，富水性较强；“三高”——奥灰水压高、本灰导升高、突水系数高。
复杂的水文地质条件使本区防治水工作形势严峻，迫使葛泉矿东井不得不进一步重新认识矿井地质、水文地质条件，重新评价和定位矿井面临的水害类型，采取切实可行的矿井防治水技术路线和符合矿井水害特点的矿井防治水方法与措施，以确保矿井生产安全。因此，研究适合本区的科学合理的带压开采防治水技术是我们必须直接面对的重要课题。
为此，葛泉矿东井制订了以疏放顶板大青灰岩水，注浆加固9＃煤底板及全面注浆改造下伏的本溪灰岩含水层，使其成为弱含水层或相对隔水层，增加9＃煤至奥陶纪灰岩含水层的有效隔水层厚度，封堵奥灰水的垂向导升通道的防治水技术路线。故注浆加固9＃煤底板及全面注浆改造本溪灰岩是东井防治水工作的重要一环。
5 注浆站规划
根据葛泉矿东井开采下组煤防治水技术路线，9#煤底板及下部本溪灰岩含水层必须进行注浆堵水。为此，由北京煤科总院建井研究分院进行地面注浆站总体设计和设备选型，山东肥城博达工贸公司于2006年3月在东井建成了地面注浆站并投入使用。实施对东井9#煤底板及其下部本溪灰岩含水层进行注浆堵水。
根据现场实际情况，结合井上、下位置关系综合考虑道路、供电、通讯、水源等因素选择合理的注浆站位置。
5.1 土建工程
在地面整平夯实的基础上，以结构紧凑、布局合理、施工操作方便为原则，建造储土注浆棚，粗浆池，废浆池、精浆池、搅拌吸浆池、散装水泥罐平台，清水池、蓄水池、配电室、微机监控室，办公室、电工维修室、值班室等土建工程。
其中储土注浆棚1座：790㎡ ，有效储土部分430㎡，为棚架结构，棚身为金属支架，棚顶为石棉瓦或玻璃钢瓦。
粗浆池2个：直经3m，深度2m，墙厚0.3m，上口高出地面0.4m，体积14m3。
废渣池1个：长4m，宽1m，高出地面1m，便于清挖。
精浆池2个：直经6m，深度2.5m，墙厚0.3m,上口高出地面0.4m,体积70m3。
搅拌吸浆池（混浆池）4个：直经2m，深度2m，其中吸浆部分低于池底0.5m，墙厚0.3m，上口高出地面0.4m。
水泥罐平台一个，安装4个罐，单罐载荷重按60T设计，为钢筋混凝土结构，平台高出地面0.8m，地下部分到硬底。
高位储水池1个，长6m，宽5m，深2m，储水部分高出地面4m，池顶面以下0.2m设观测管（φ25mm），池底部0.2m处设2个2寸水管，以便自然泄水,另外池底部设排污管。
清水池2个，长1.5m，宽1.5m，深1m，2.2m3，为砖石结构。
办公室6间，包括微机监控室、会议室、配电室、值班室、电工维修室、更衣室等，为砖混结构。
5.2 粘土上料造浆系统
由粘土皮带输送机、高位水池、NL20型制浆机、粗浆池、液下多用泵、除砂器、精浆池、搅拌机等组成。
⑴皮带输送机：机身长10m，皮带宽0.6m，机头高度应满足制浆机高度，由TDY75型油浸式电动滚筒带动，功率5.5kw，主要用于输送粘土到制浆机。
⑵高位水池：通过2寸管路和管道加压泵与制浆机连接，阀门控制水量，负责向制浆机供给造浆用水及冲洗制浆机用水。
⑶NL20型制浆机：规格为1700×1700×1700mm（长×宽×高），是制造粘土浆的主要设备，主电机功率30kw，有粉碎、搅拌、筛选三种功能，具有定量上料，连续造浆的特点。额定造浆量20m3/h,通过现场测比重、粘度及时调整粘土量及水量，制成浆液后经过滤流入粗浆池。
⑷粗浆池：容积14m3,主要用于储存粘土粗浆，并安设搅拌机1台，液下多用泵两台。
⑸液下多用泵：型号DYWS50—20，排量50m3/h，功率5.5kw，用于输送粗浆经除砂器除砂后进入精浆池。
⑹潜污泵：型号为QWK系列，每台排量15m3/h，扬程15m，功率2.2kw，由精浆池输送浆液入射流造浆系统。
⑺旋流除砂器：具有除砂去渣功能，经净化后颗粒较粗的砂粒等废渣进废渣池，浆液进精浆池。
⑻精浆池：容积70m3，用于储存精浆，精浆池上安设搅拌机一台，及时搅拌以免沉淀。
⑼粘土水泥浆搅拌机：因粘土浆、水泥浆经过一段时间易沉淀，需要安装搅拌机进行搅拌方能注浆。搅拌机采用淄博电机厂生产的BLD5—71—5.5型行星摆线式针轮减速机制造，功率5.5kw，传速比：71。
5.3 射流造浆系统
由散装水泥罐、气动下料、调速螺旋、计量螺旋、变频调速控制柜、注浆控制系统等组成。
（1）散装水泥罐：设计4个，罐体直经2.6m，高6.3m，总高11.2m，含除尘和料位控制，可储存水泥50t，肥城搏达工贸公司制造。
（2）射流造浆监控系统。
射流造浆是射流泵输送的粘土浆经射流造浆器产生的高压射流体和水泥混合，从而制造粘土水泥浆。同传统的搅拌造浆相比，具有抗干扰能力强、可靠性高、造浆性能稳定、效率高、场地占用少等优点，在注浆治水中得到越来越广泛的应用。与此相适应，配备水泥气动下料装置和注浆控制系统。
注浆控制系统由煤矿注浆专用微机（带显示器）、打印机、亚当I/O模块、集线柜、R232连线、组态王开发软件（加狗）、注浆控制专家管理系统、压力变送器、液位计、开关电源、变频调速螺旋机、计量螺旋机、变频调速控制柜、射流造浆器组成。根据设定的注浆方式（单液水泥浆、粘土水泥浆、复合浆）、注浆密度和注浆压力，通过对现场有关参数的采集处理，进而实现对造浆、注浆过程的跟踪控制。
5.4 注浆系统
由泥浆泵、压力表、电磁流量计、微机工业密度计、注浆管路、送料孔组成：
（1）泥浆泵：是输送浆液的主要设备，采用NBB260/7型泥浆泵，五级变速，流量分别为260、167、106、60、35L/min，电机功率45kw，工作压力7～10MPa，最大工作压力12 MPa。由石家庄煤机有限责任公司与肥矿集团联合开发。
（2）压力表：量程不低于6MPa，用于观测注浆系统压力，量程与泥浆泵、管路及规定注浆压力范围等配套。安装在泥浆泵及井下注浆孔孔口上。
（3）注浆管路：与地面泥浆泵、电磁流量计、微机工业密度计、送料孔及井下钻孔相连，泥浆泵与送料孔用高压胶管连接，用于输送浆液，采用直经50×6mm地质管，用卡套式高压快速接头连接。
5.5 供水系统
供水系统：包括水源井或水塔、水泵、高位储水池、清水池、水管等。水源井或水塔的供水量不低于30m3/h，确保注浆站连续造浆、注浆用水。储水池容量不小于60m3，储水部分高出地面4m，水池底部留设2个50.8mm阀门，以便于自然泄水；清水池则用于泥浆泵冲洗注浆管路之用。
5.6 供电系统
本注浆站共设计电动设备63台件，合计功率450kw左右，常用设备功率420kw左右,可根据此功率考虑供电线路及配电设备。
6 CL-C注浆材料研究
6.1 CL-C浆液发展历史简介
粘土作为一种注浆材料，我国50年代在煤矿注浆中已有应用，当时粘土只是作为一种悬浮剂，规模较小。80年代中后期，煤矿建井越来越深，注浆材料消耗也随之增大，如华北某矿井，420～750m共330m注浆井筒，注入水泥24258.80t，注浆材料成本1100万元之多，每米井筒注浆材料费用3.67万元。为降低成本、提高注浆效率，煤科总院建井分院（原建井所）1991年研制出CL-C注浆材料并在山东枣庄矿务局付村西风井应用成功。此后，在地面预注浆中CL-C浆液全面代替了以水泥为主的注浆材料，该科研成果获1995年国家科技进步二等奖。截至目前，已有80余个井筒应用CL-C浆液进行地面预注浆。国外同类注浆材料在前苏联国家、东欧地区、美国及南非等国家上世纪六、七十年代陆续应用。
薄层灰岩注浆改造，1986年在山东肥城等地已开始，注浆材料为水泥浆。苏联“注浆与地质勘探专业联合公司（STG）”，从70年代就广泛采用粘土水泥浆进行岩溶裂隙和不稳定地层注浆。山东肥城先由煤炭科学研究总院建井研究分院进行了CL-C浆液室内配方及模型注浆研究，然后进行工业性试验。从1991年底后便大量推广使用粘土水泥浆对薄层灰岩进行注浆改造。实践证明：薄层灰岩注浆改造是防止奥灰水突出的有效措施，CL-C浆液是良好的注浆材料，其技术、工艺是成功的。
6.2 CL-C浆液堵水机理
6.2.1粘土水泥浆的时间稳定性和耐久性
粘土水泥浆三态变化是其成功堵水的内因，在粘性状态下浆液具有良好的悬浮稳定性、流动性和扩散性；塑性强度增加可防止浆液沿单一裂隙超扩散,防止地下水渗透、稀释、冲走； 弹性状态保证形成密实的堵水帷幕，并具有长时间的耐久性。
6.2.2 粘土水泥浆的可注性和流变性
　 粘度和屈服应力主要受水化时间影响,少量析水后浆液的粘度和屈服应力也会增大,但不致失去流动性，浆液流动过程中脱水并逐渐密实与这一特性有关。
假定浆液在一圆管中流动(经计算发生层流的可能性较大)，其流速分布如图2所示。浆液流速与其粘度成反比，析出的水粘度小，其流速大于浆液流速，在

图2　塑性流体在圆管中的层流流速分布示意
R ——圆管半径； r0——塞流半径；
vr0——塞流流速； vr1——半径为r1处流速( r0≤r1≤R )
流动过程中逐渐汇聚在浆液前部，相对落后的浆液密度渐渐增大，浆液在圆管中的停留时间分布与流速分布相反，停留时间越靠近管壁处越长，浆液粘度和屈服应力随时间增大到一定程度后，失去流动性，进入塑性状态。中心处浆液对周围浆液挤压，使其束缚的水释放出来，从而使浆液的密度显著增大，密实性提高。随着中心可流动区域的逐渐缩小，浆液流动阻力逐渐升高。浆液停止流动后，其中的水泥彻底水化，吸收了剩余的水，并形成具有一定密度、强度的结石体。
长期大量的工业性试验表明， 粘土水泥浆既具有浆液扩散所需要的流动性， 又可脱水密实形成较高结石强度的堵水帷幕。
6.2.3 粘土水泥浆的凝结性
粘土水泥浆以粘土为主剂，水泥为结构生成剂，另加S型结构促成剂（水玻璃）共三种成分组成。其主要反应如下：

粘土是含水铝硅酸盐，其矿物成分多为高岭土、蒙脱石、伊利石，具有吸水能力。水泥、水玻璃为水硬性材料，凝结过程对浆液性能影响较大。由于粘土、水泥、水玻璃之间的反应速度不同，使粘土水泥浆在凝结过程中发生了从流态到固态所产生的具有流动性的粘性状态、形成网状结构、流动性下降的塑性状态、形成化学力相连接的新固相，具有一定强度的弹性状态。三种状态连续演变， 无明显的初凝、终凝。
(一) 粘性状态
粘土颗粒通常小于0.005mm，和水结合生成胶体分散体系，其中二氧化硅微粒表面吸附了钠、钾、钙离子，形成了一定厚度的离子扩散层。当水泥颗粒均匀地分散到粘土浆后，因粘土的悬浮作用， 水泥颗粒处于相对稳定的状态。水泥矿物水化后，氢氧化钙与土粒发生离子交换反应，钙离子使土颗粒分散度降低，稳定性下降。加入水玻璃后，水玻璃与氢氧化钙反应，生成一定强度的产物，其表面积较大，同时也因水玻璃中的钠离子重新置换了粘土颗粒上的钙离子，因而粘土颗粒的分散度有所提高。宏观现象也证实了这个过程，即粘土浆中加入水泥后粘度增大不明显，析水倾向性增大；加入水玻璃后粘度增加幅度大，稳定性提高。
土颗粒、水泥粒子、水玻璃间发生了上述反应后，有明显的胶凝现象，粘度增大，但因水泥水化速度慢，只有很少一部分粒子水化，这时的主要反应是(4)和(5)。 浆液还不具备抵抗外力的能力，具有良好的流动性和稳定性。
(二) 塑性状态
随着水泥水化的进行，生成大量以物理力相互连接的胶体颗粒，形成一种网状结构并包围粘土颗粒，浆液表现出塑性。在外力的作用下网状结构被破坏，释放出束缚的水，颗粒分散，外力解除后网状结构可以恢复，浆液表现出塑性，具有塑性强度。
(三) 弹性状态
生成大量水泥水化粒子后，在液相中形成以化学力相连接的新固相，具有不可逆性，抵抗外力的能力较高，这个过程主要按反应式(2)进行的。同时水泥水化产物氢氧化钙与粘土发生粒子交换，粘土颗粒凝聚。因此粘土水泥浆结石体强度、密实性与水泥含量有直接关系。
通过以上堵水机理及凝结性分析，CL-C粘土水泥浆在粘性状态具有很好的流动性和稳定性，在塑性状态有一定塑性强度，在弹性状态结石体有一定强度，虽然水泥含量较少，抗压强度较低，但仍能够抵抗地下水的压力而不被从裂隙中挤出，因而能够起到堵水作用。CL-C粘土水泥浆的粘度决定其流动性和可注性，析水率决定浆液的结石率，塑性强度决定浆液的扩散性能和抵抗地下水挤压的能力，因此粘土水泥浆的主要性能包括粘度、析水率和塑性强度。
6.3 CL-C浆液性能研究
通过实验室大量实验研究，对粘土水泥浆的比重、粘度、析水率、塑性强度等性能进行了较为系统的研究，并取得良好结果。
6.3.1 CL-C浆液用土分析
⑴实验室实验用土
实验粘土取自邢台南河县的表土层，粘土外观特征为紫褐色粘土（N1），粘土样品送至中科院地质研究所测试物化性能，分析结果见表3。

表3 粘土水理性质及物质组成
液限(%)
塑限(%)
塑性
指数
自由膨
胀率(%)
颗粒组成(mm，％)
活性指数
(PI/＜2UM)
蒙脱石
(％)
有机质
(％)
CaCO3
(％)
工程定名
备注
＞0.075
0.075～0.005
＜0.005
＜0.002
52.64
27.13
25.51
60.00
0.23
30.33
69.44
57.08
0.45
24.60
3.98
8.59
高塑性、弱胀缩性粘土
N1滨湖粘土
具有铁质胶结

表4 粘土颗粒组成
编号
液限(%)
塑限(%)
塑性指数
自由膨胀率(%)
颗粒组成(mm，％)
有机质
(％)
CaCO3
(％)
蒙脱石
(％)
工程定名
2-0.5
0.5-0.25
0.25-0.075
0.075-0.005
＜0.005
＜0.002
申庄村南
51.2
30.1
21.1
55
1.0
4.0
6.0
35.0
54.0
33.0
0.30
0.0
36.20
粘土
申庄-柳沟
41.8
24.5
17.3
43
2.7
7.6
8.7
45.5
35.5
23.0
0.26
0.0
35.53
粘土
北祁村
63.0
30.3
32.7
68
0.3
0.7
1.0
22.0
76.0
63.5
0.27
0.0
38.33
粘土
西葛泉南
38.4
24.0
14.4
24
14.3
2.4
3.0
53.3
27.0
20.0
0.30
1.4
18.20
粉质粘土

⑵工业性试验用土
对注浆工程使用粘土进行了物性分析，分析结果如表4所示。由表中分析结果以及结合成本，表中所列粘土均可作为本注浆工程用土。
⑶注浆粘土使用标准
表土段粘土种类繁多、成分复杂，不同地域的粘土物化成分差别也较大，好的粘土是粘土浆堵水成功的前提和关键。依据CL-C注浆材料研究理论、粘土浆堵水机理以及实验室研究和工程应用实例证明，注浆用粘土应符合如下标准：
粘土的塑性指数＞10；粘土颗粒（粒径＜0.005mm）＞25％；含砂量＜5％；有机物＜3％。
总之，符合以上标准并工程定名为粘土的土样均可以作为注浆材料使用，注浆时粘土具体使用量（粘土原浆的比重）要根据不同的土样、受注地层、注浆工艺、注浆参数以及实验研究配方等因素灵活调整。
6.3.2 浆液不同配比条件下比重、粘度、析水率的实验研究
根据设计的三因素四水平正交试验，测得不同实验条件下浆液的性能参数——比重、粘度、析水率，具体实验测定结果见表5。
表5 粘土水泥浆正交试验设计及性能测定结果
正交实验编号
粘土原浆
水泥
用量/g
水玻璃
用量/mL
粘土水泥浆
比重
/(g·mL)
粘度
/s
用量
/mL
比重
/(g·mL)
粘度*
/s
析水率
/％
1
1.13
16.12
956.7
100
10.0
1.19
25.16
2.0
2
1.17
17.41
933.3
150
16.7
1.27
67.25
＜1.0
3
1.21
19.87
910.0
200
23.3
1.33
滴流
＜0.5
4
1.25
25.50
886.7
250
30.0
1.40
滴流
＜0.5
5
1.13
16.41
926.7
150
23.3
1.23
52.84
0.8
6
1.17
17.50
936.7
100
30.0
1.24
10.0滴
1.0
7
1.21
19.