纳米级注浆材料及高性能混凝土斜井堵水应用研究.pdf

第 1 8卷 第 2期 ( 总第 1 1 1 期) 2 0 1 3年 4月 煤 矿 开 采 C o a l mi n i n g T e c h n o l o g y V o 1 1 8 N o 2 ( S e r i e s N o 1 1 1 ) Apr i l 2 01 3 纳米级注浆材料及高性能混凝土斜井堵水应用研 究 汪青仓，李虎民，朱南京 ( 陕西华电榆横煤电有 限公 司 小纪汗煤矿 ，陕西 榆林 7 1 9 0 1 5 ) 摘要 为治理小纪汗煤矿斜井井壁大淋水，通过充分调研和多次现场试验证明，传统堵水 方法无效，干式喷浆混凝土无法粘贴在围岩表面，回弹率达到9 0 以上，最终确定采用高性能混凝土 湿喷技术结合纳米级注浆技术进行治理，治理后使井壁淋水量 由5 4 m h下降到 2 7 1 m h 。结果表 明，采用高性能混凝土湿喷及纳米级注浆技术能有效封堵孔隙潜水及裂隙承压水。 关键词 纳米级注浆材料；高性能湿喷剂；井筒出水；孔隙堵水 中图分类号T D 7 4 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 6 6 2 2 5 ( 2 0 1 3 )0 2 - 0 0 9 7 - 0 2 Re s e a r c h o n W a t e r Pl u g g i ng wi t h Na n o s c a l e Gr un t i ng M a t e r i a l a nd Hi g h- - p r o p e r t y Co nc r e t e i n S l o pe Sh a ft 1 矿井概况 小纪汗煤矿隶属于陕西华 电榆横煤 电有限责任 公 司，设计年产量 l O Mt a _ 1 j ，并配套建设 一座年 入洗能力 l O M t 的现代化大型选煤厂 ，矿井服务年 限 1 2 4 1 a ，矿井于 2 0 1 0年 1 O月开始 施工 ，预计 2 0 1 3年投产。 煤矿井筒在施工过程 中需穿过上更新统冲湖积 层孔隙潜水 、第 四系 中更新统 黄土孑 L 隙裂隙潜水 、 白垩系洛河砂岩孔隙裂隙潜水、侏罗系碎屑岩类风 化壳裂隙水、碎屑岩类裂隙承压水等 5个含水层 ， 根据实际的岩层揭露情况，井筒整体涌水量较大， 同时由于巷道局部地区出现泥、岩互层现象 ，造成 顶板较为破碎 ，淋水较大。尤其是副斜井在施工至 4 4 0 5 5 0 m段时 ，斜井顶板淋水达 5 4 m h 。 目前我国煤矿巷道 ( 井筒 )堵水技 术手段主 要有 围岩注浆及喷射混凝土。常村煤矿+ 4 7 0水平 回风巷 J 、红柳煤矿 1 1 2 2工作 面辅运巷 J 、龙 固 煤矿辅 2运输大巷 J 、郭家河矿主副井井筒 ( 斜 井) J 、骆驼山矿 1 6煤大巷 等均采用了注浆堵 水技术 ，取得 了 良好 结果。巷道 ( 井 筒 )喷射混 凝土可对 围岩形成 良好支 护 j ，阻 断深 部水 向巷 道壁渗透 。 小纪汗煤矿 由于副斜井围岩表面的淋水较大 ， 传统的干式喷浆方法不能完成喷浆 ，喷射到淋水岩 面上的混凝土因凝 固慢 、无粘接强度而基本上都脱 落， 其回弹率达 9 0 以上，也曾尝试过先堵水使 岩面变干后再喷浆的方案 ，但由于没有能渗透到微 细孔隙里的合适注浆材料而堵水失败。井筒岩石表 面暴露在空气中受侵蚀并在孔隙潜水的浸泡下近 l 0个月，暴露岩层在逐步弱化 ，面临潜在 的垮塌 风险。因此 ，寻找一种能够实现斜井表面喷浆支护 并封堵住岩层孔隙潜水的材料及工艺是井筒掘进的 当务之急。 考虑工期 的紧迫性 ，决定对富水区的喷浆支护 和孔隙水堵水选用高性能混凝土湿喷及纳米级材料 注浆解决井筒淋水 问题 。 2 副斜 井富水区施工方案及效果 2 1 副斜井富水 区地质条件 副斜井井筒全长 3 5 5 2 m，倾角 6 。 ，净宽 5 6 m， 净高 4 4 m，净断面 2 1 3 m ，巷道在穿越洛河组砂 岩段 4 4 05 5 0 m 含水 层 时，巷道 围岩淋 水较 大， 巷道岩性主要为砂质泥岩和细砂岩 ，水源主要以孑 L 隙水 ( 裂隙不发育)为主 ，水量达 5 4 m h 。 2 2 传统施工方案 当斜井施工出现涌水后 ，在富水区先后施工 了 多个导水孑 L 进行导水 ，试图将涌水导出 ，方便现场 喷浆施工 ，但 由于水 源主要为裂 隙不 发育的孔隙 水 ，水流没有固定流向，导水效果甚微。使用普通 干喷法进行喷浆 时其 回弹率高达 9 0 以上 ，为改 进喷浆效果 ，在混凝土中增加了普通速凝剂及防水 剂的用量 ，但喷浆 时 回弹率仍高达 8 5 ，无法实 现正常喷浆并达到斜井支护的要求。 为了彻底解决上述问题，曾计划采用混凝土砌 碹的方式来通过该淋水段 ，但考虑到混凝土砌碹施 收稿日期2 0 1 2 - 1 0 3 1 作者简介汪青仓 ( 1 9 6 9 一) ，男，陕西洛南人，高级工程师，小纪汗煤矿矿长，主要从事矿井建设、开采设计及矿井管理等工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 1 1 1期 煤矿 开 采 2 0 1 3年第 2期 工工期长 、施工费用较高，同时无法与掘进施工平 行作业 ，因而放弃 了砌碹方案。 2 3 治理方案 为彻底解决孔隙水富水 区域的巷道支护问题 ， 决定采用两步走的综合方案 ：一是对岩层表面喷射 添加高性能外加剂的高性能湿式喷浆 ，保护岩层表 面不受空气 的风化和侵蚀 ，并起 到很好 的支护作 用 ；二是使用德国巴斯夫公司的纳米级注浆材料将 孑 L 隙水封堵在岩层深部 ，使巷道围岩的浅表部分不 再长期受孔隙水的浸泡和侵蚀而能长期保持其 自身 的强度性能。由于所选用 巴斯夫纳米级注浆的渗透 性非常好 ，为 了减少材料在 注浆过 程 中的漏浆损 失 ，先湿喷形成密封层 、再注浆的施工工艺。 2 3 1 高性能湿式混凝土喷浆 分析认为干喷回弹率大的原因在于围岩表面淋 水大 ，还没来得及粘结和硬化就被水 冲掉。为此， 小纪汗煤矿与巴斯夫公司共同合作试验 ，在混凝土 中添加外加剂马丽散 R P湿喷剂 ( 增强粘接效 果 、减少 回弹) ，配合 比如表 1所示 。 表 1 高性能湿喷混凝土配比 k g m ： 互 塑 旦 型 4 5 0 9 5 0 6 5 0 2 0 0 2 3 7 5 采用 6 m h湿喷机进行施工。湿式 混凝土喷 浆首先从出水较小 的区域开始 ，在 出水 较大 区域 ， 先将导水软管插入引水孔 ，然后连 同导水软管一起 喷在混凝土喷层内。1 1 0 m斜井井筒共喷浆 3 3 0 m 。 通过现场喷浆发现 ：在高性能混凝 土外加剂 马丽散 R P湿喷剂的作用下 ，喷射混凝土在有 水的表面能够快速反应和粘接，使得孔隙水环境下 的湿式喷浆得以成功实施。现场喷浆 回弹率较小 ， 帮部喷浆 回弹率小 于 1 0 ，巷道拱部 回弹率小于 2 0 ，远小于干喷 8 5 的喷浆 回弹率。现场试验 效果证明，湿喷工艺可有效解决副斜井富水区喷浆 支护困难问题。 2 3 2注浆堵水 和加 固方案 ( 1 )注浆材料纳米级注浆材料颗粒小 ( 1 1 0 0 n m) ，可注入性高 J 。本次注浆采用德 国巴斯 夫生产的美固M P 3 2 5纳米级硅胶体， 该材料在使 用时加入适量的速凝剂即可 ，材料的性能参数如表 2所示。该材料具有超低 的黏度 ( 流动性 与水相 当)和超强 的渗透性 ( 可渗透到 0 0 2 tx m的缝 隙) ， 是 目 前已知的渗透性最好的注浆材料；反应 时间可调 ( 1 0 mi n一5 h ) ，材料现场搅拌配制方便 ( 两组分配 比 3： 1 7：1 ) ；具有天然环保 、阻燃 等特性；凝固的硅胶体初始强度较低，但随时间的 98 延长而持续增大 ；注浆施工简单 ，可用普通注浆设 备进行混合 、注浆 。 表 2 美固 M P 3 2 5主要性能参数 ( 2 )注浆堵水 方案 小纪汗矿副斜井 4 4 0 5 5 0 m段淋水 ，主要为 围岩砂岩淋水。注浆时每隔 1 5 m布置 1 个 注浆堵水断 面 ( 如图 1 所 示 ) ，每 断面均匀布置 5个注浆钻孔 ，顶部 1个，左右肩部 各 1个 ，两帮 中部各 1个 。1 1 0 m井筒共布置 3 6 5 个注浆钻孔 。 根据美 固 MP 3 2 5材料 的渗透特性 ，确定初始 注浆孔的间距为 2 3 m。现场施工时根据流水量的 大小 、堵漏水效果来实时调整布孔的间距。注浆孔 深 3 m，孔径 4 2 m m；封孔处距孔 口2 m。 图 1注浆钻孔布置 设计每个钻孔注浆量约 3 5 0 k g ，注浆压力超过 8 MP a或出现大量返浆时终止注浆。副斜井 4 4 0 5 5 0 m段井筒共消耗美固 MP 3 2 5材料 1 3 0 t 。 2 4 堵水效果分析 该斜井第 1 段淋水 区约 1 1 0 m长，区域淋水较 大 ，采取先进行喷浆后再注浆 的方案，注浆施工结 束后 ，巷 道 淋水 明显 减 小 ，局 部 甚 至滴 水 不 漏 ( 如图 2所示) 。经验收检测 ，该 1 1 0 m段的最终出 水量降为 2 7 1 m h ，达到了堵水 目的。 图2 注 完浆后巷道 3 结束语 ( 1 )小纪汗煤 矿采用高性能混凝土湿喷技术 及纳米级材料注浆技术实现了巷道孔隙水堵水 ，斜 ( 下转 9 0页 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 1 1 1期 煤矿 开采 2 0 1 3年第 2期 试验区域 累计抽 出瓦斯量 2 6 3 8 X 1 0 1T t ，通过计算 得到瓦斯抽采率达到4 1 7 ，区域瓦斯治理效果 明显 。 4 2 煤层透气性系数 与非增透试验 区穿层钻孑 L 相 比，采取水力 冲 孑 L 、水力冲孔+ 水力压裂增透措施后 ，煤层透气性 系数明显增加 ，采取水力冲孔增透措施后煤层透气 性 比非增透 区增加 3 8倍 ；采取水力 冲孑 L + 水力压 裂增透措施后煤层 透气性系数 比非增透 区增加 8 4 倍 。 4 3 瓦斯抽采影响半径 采用压降法分别考察 了水力冲孔增透区和水力 冲孔+ 水力压裂增透区钻孔抽采影响半径 ，综合分 析观测的数据，得到水力冲孔增透区钻孑 L 抽采影响 半径达到 1 0 m，水力冲孔 + 水力压裂增透区钻孔抽 采影响半径可以达到 1 5 m，远远大于原始煤体钻孔 抽采影响半径 5 m。 4 4 抽放浓度 系统初 始 抽 放 瓦 斯浓 度 最 高 2 3 8 ，最 低 9 2 ，平均 1 3 1 ，抽放纯量最 高 8 5 2 m mi n ， 最 低 2 0 6 m m i n ，平 均 3 4 6 m 。 rai n ，平 均 负 压 6 8 8 k P a 。试验区域瓦斯抽采率达到 4 1 7 。 非增透区单孔抽放瓦斯浓度最 高 2 2 4 ，平 均 2 0 3 ，采取水力 冲孔增透措施后 ，单孔抽放 瓦斯浓度最高 6 2 8 ，平均 1 0 4 9 ，同比非增透 区平均增加 5 1 7倍 ；采取水力压 裂增透措施后 ， 单孔抽放瓦斯浓度最高 6 6 4 ，平均 1 5 2 5 ，同 比非增透区平均增加 7 5倍 。 5 结束语 ( 1 )考 察 期 间共 冲孔 7 4个，冲 出煤 量 4 2 3 3 t ，平均每孔 5 7 2 t ，经计算累计冲孑 L 体积为 ( 上 接 9 8页 ) 井淋水 量 由 5 4 m。 h降至 2 7 1 m h ，堵 水效果 显 著。 ( 2 )添加 马丽散 R P湿喷剂并相应 调整配 比 后，回弹率由8 5 降低到 2 0 以下，且注浆过程 中未发现较大漏浆 ，表明添加马丽散 R P湿喷剂后 混凝土回弹率大幅降低， 并最终实现了表面封堵。 参考文献 1 崔晓峰，胡玉红， 李伟，等 小纪汗矿井初步设计 R 西安 ：中煤西安设计工程有限责任公司， 2 0 0 9 2 秦勇 常村煤矿砂 岩含水层化学 注浆堵水应 用研究 J 9 0 4 8 8 3 m ， 平均每孔冲孔体积 6 5 m ，消除了钻孔 附近的应力 ，使煤层得到了卸压。 ( 2 )由考察分析可知 ，采 取水 力增透 措施后 瓦斯抽采体积变化明显 ，未采取水力增透措施的抽 采体 积分数 为 0 3 2 一2 2 4 ，平 均为 2 0 3 ； 采取水力冲孔增透措施后，抽采体积分数 0 8 6 2 8 ，平均为 1 0 4 9 ；采取水力 冲孔 + 水力压 裂增透措施后，抽采体积分数为 3 O 一 6 6 4 ， 平均为 1 5 2 5 。体积分数增加最多的由未采取增 透措施 的 0 3 2 增至采 取增透措施 后 的 6 6 4 ， 增加了 2 0 7 5倍 ，平均抽采体积分数由未采取增透 措施 的 2 0 3 增至采取增透措施后的 1 2 8 ，增 加了 6 4倍。 ( 3 )通过考察分析可知 ，水力 冲孔 防突措施 的卸压增透效果明显，能够降低煤层瓦斯压力，使 煤体的应力降低，透气性增加，能够消除工作面的 突出危险性 。 参考文献 1 林柏泉 ，张建 国 矿井瓦斯抽放理论与技术 M徐州 ：中 国矿业大学出版社 ，1 9 9 6 2 刘健 ，刘泽功 ，石必 明 低透气性 突 出煤 层巷道快 速掘进 的试验研究 J 煤炭学报 ，2 0 0 7 ，3 2 ( 8 ) ：8 2 7 - 8 3 1 3 段康康 ，刘泽功 ，赵 阳升 ，等 低 透气煤层 钻孔与水 力割缝 瓦斯排放 的实验研究 J 煤炭学报 ，2 0 0 7，2 7 ( 1 ) 4 刘明举 ，任培良，刘彦伟 水力 冲孑 L 防突措 施的破煤 理论分 析 J 河南理工大学学报 ，2 0 0 9 ，2 8 ( 2 ) ：1 4 2 1 4 5 5 张伊辉 穿层钻孔水力增透技术 研究 J 中州 煤炭 ，2 0 0 9 ( 1 2 ) ：1 5 - 1 7 6 任培 良 水力 冲孔卸压增 透技 术的研究与应 用 D焦作 ： 河南理工大学 7 刘 国俊 淮南 矿 区水力 冲孔 技术 参数 优化 及效 果考 察研 究 D焦作 ：河南理工大学 8 单智勇 煤巷掘进煤与瓦斯突出事故抑制技术研究 D 北 京 ：中国矿业大学 ( 北京) 责任编辑 ：李宏艳 煤矿开采 ，2 0 1 2 ，1 7 ( 4 ) ：9 6 - 9 7 3赵文华 ，王建波 ，胡东亮 ，等 红柳煤矿 1 1 2 2工 作面辅运巷 注浆堵水技术 实践 J 中国煤炭 ，2 0 1 1 ，3 7 ( 3) ：1 0 5 1 0 7 4 辛恒奇，徐栓祥 掘进巷道涌水断裂缝隙探测及注浆堵水技 术 J 煤炭科学技术 ，2 0 1 1 ，3 9 ( 5 ) ：1 0 5 - 1 0 7 5陈 科 主 副 井 井 简 注 浆 堵 水 加 固工 艺 参 数 的 合 理 确 定 J 能源技术与管理 ，2 0 1 2 ( 3 ) ：1 4 3 1 4 4 6刘 生优 骆驼山煤矿 1 6煤大巷奥灰 突水封堵 工程设计 J 煤炭工程 ，2 0 1 1( 1 O ) ：3 7 3 9 7 毛勇 ，李正东 地下 矿山喷射混凝 土工艺技术探 讨 J 采矿技术 ，2 0 1 2，1 2 ( 4 ) ：3 4 3 5 8 郭力 纳米注浆材料初探 J 洛阳理工学院学报 ( 自然 科学版) ，2 0 1 2，2 2 ( 1 ) ：9 1 2 责任编辑 ：施红霞 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m