馮志強(qiáng)，康紅普

（1.煤炭科學(xué)研究總院北京開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013）

破碎煤巖體化學(xué)注漿堵水技術(shù)研究及示范工程

馮志強(qiáng)1，2，康紅普1，2

（1.煤炭科學(xué)研究總院北京開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013）

從煤巖體的裂隙分布、滲流水力學(xué)特征與化學(xué)注漿堵水機(jī)理出發(fā)，詳細(xì)分析了滲透水裂隙的形成及分類(lèi)、破碎煤巖體注漿堵水作用機(jī)理；論述了巖體滲透系數(shù)與應(yīng)力、溫度的關(guān)系，水壓與注漿壓力的關(guān)系，巖體的可注性以及注漿位置選取與鉆孔深度的關(guān)系。通過(guò)對(duì)屯留煤礦南翼進(jìn)風(fēng)大巷的頂板水封堵工程的實(shí)例分析，說(shuō)明化學(xué)注漿堵水可借助深部開(kāi)裂程度較低的圍巖裂隙實(shí)施，形成隔水帷幕；涌水量大的厚層富含水破碎頂板由深部向淺部后退式注漿工藝，可顯著提高注漿堵水效果，降低材料消耗和工程成本。

注漿；裂隙分布；滲流

1 概述

在煤炭系統(tǒng)，隨著煤礦開(kāi)采深度和廣度的發(fā)展，以及綜采放頂煤開(kāi)采技術(shù)的廣泛應(yīng)用，極破碎煤巖體條件與日俱增。國(guó)內(nèi)有近200個(gè)較大的礦區(qū)，其中有50%左右的礦區(qū)受破碎煤巖體影響比較明顯。此外，我國(guó)華北、華東地區(qū)潛水位高，隨著開(kāi)采深度加大，礦井涌水量增加，破碎煤巖體內(nèi)含水量大，頂板出現(xiàn)淋水，使頂板管理更加困難。據(jù)統(tǒng)計(jì)，極破碎、富含水和淋水條件煤巖體占煤礦回采工作面與巷道工程總量的比例高達(dá)30%左右，而通過(guò)化學(xué)注漿堵水（一種適用而高效的施工技術(shù)）可以解決這一難題。

目前化學(xué)注漿技術(shù)無(wú)論在理論上，還是在實(shí)際應(yīng)用上，都取得了很大的進(jìn)展，但仍然存在著許多問(wèn)題有待于深入研究和解決。從現(xiàn)有的注漿理論可以看出，目前，研究漿液在構(gòu)造面中流動(dòng)和在孔隙中滲透擴(kuò)散時(shí)均把漿液簡(jiǎn)化為牛頓流體且與時(shí)間無(wú)關(guān)；而絕大部分漿液屬非牛頓流體的賓漢姆流體，且具有時(shí)變性，這就導(dǎo)致了注漿過(guò)程中的理論計(jì)算與實(shí)際相差太大，甚至是荒謬的［1］。理論研究落后于工程實(shí)際需求，如：煤巖體中的注漿方法主要是壓入法，漿液在壓力差的作用下從注漿孔煤巖體內(nèi)擴(kuò)散，其擴(kuò)散距離（常稱(chēng)為擴(kuò)散半徑）決定著注漿孔的布置和漿液消耗量，也是選擇工藝參數(shù)、評(píng)價(jià)注漿效果的重要依據(jù)。但漿液的擴(kuò)散過(guò)程是隱藏的，目前還不可能在施工中對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這樣，漿液的擴(kuò)散距離只能靠理論或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。而現(xiàn)有計(jì)算漿液擴(kuò)散距離的理論公式還遠(yuǎn)未成熟，實(shí)用價(jià)值有限，經(jīng)驗(yàn)公式又往往是針對(duì)某些特定漿液（主要是化學(xué)漿液）總結(jié)的，不具有普遍意義。因此，目前煤巖體中的注漿還沒(méi)有可靠的預(yù)先確定漿液擴(kuò)散距離的方法。由于這一理論缺陷，給破碎煤巖體注漿帶來(lái)了如下問(wèn)題：①注漿工程的投資和效果難以預(yù)計(jì)；②確定孔距、漿液配比和注漿壓力時(shí)的隨意性較大。針對(duì)上述問(wèn)題，本文從巖體裂隙的特點(diǎn)以及滲流水特征上進(jìn)行分析，力求從根本上形成對(duì)注漿堵水技術(shù)理論上的完善以更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐，并通過(guò)工程實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。

2 巖體中裂隙分布、滲流水力學(xué)特征與化學(xué)注漿堵水機(jī)理

2.1 巖體中裂隙的特點(diǎn)

基巖裂隙分為原生裂隙、風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙。原生裂隙在成巖過(guò)程中和以后的沉積中多已被充填；風(fēng)化裂隙多在基巖風(fēng)化帶處發(fā)育，而且在許多地區(qū)和上覆松散沉積物一起組成統(tǒng)一含水體。比較復(fù)雜和對(duì)地下水起著控制作用的主要是構(gòu)造裂隙。

構(gòu)造裂隙受到區(qū)域構(gòu)造場(chǎng)的控制，它主要在斷層兩側(cè)或構(gòu)造交匯部位，背、向斜軸部和收斂端，以及應(yīng)力集中區(qū)發(fā)育。由于裂隙隨構(gòu)造而伴生，研究證明它的發(fā)育和展布具有如下特點(diǎn)。

2.1.1 裂隙具有方向性和共軛性

由于斷層和褶曲的發(fā)育具有一定的方向性，因而由此產(chǎn)生的羽狀裂隙或拉伸及剪切必然按照一定的方向發(fā)育。裂隙的統(tǒng)計(jì)和研究證明，在一個(gè)地區(qū)總是以某一方向裂隙的發(fā)育為主，而與其共軛的另一方向次之。裂隙及斷裂的方向和地下水的運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，特別是新構(gòu)造裂隙更是地下水聚集和活動(dòng)的主要場(chǎng)所。

2.1.2 裂隙具有成帶性

在水平方向上裂隙的帶狀分布是明顯的，在垂直方向上分帶亦很明顯。肖楠森教授曾按水動(dòng)力和水化學(xué)特點(diǎn)將新構(gòu)造裂隙帶在垂直向上分為3帶：即由地表至50～60 m深度內(nèi)稱(chēng)為地下水淋濾入滲帶，這個(gè)深度以上裂隙中充填沉積有大量松散的泥砂、鐵錳氧化物，水量水質(zhì)均不穩(wěn)定；在60～200 m左右深度范圍內(nèi)為地下水侵入蝕徑流帶，此帶內(nèi)有少量泥沙及O2，CO2等氣體，對(duì)圍巖有強(qiáng)烈侵蝕溶蝕作用，該帶水量大，水質(zhì)穩(wěn)定；深度在200 m以下叫地下水礦化滯流帶，該深度以下裂隙逐漸閉合，礦化度加大，水量少、水質(zhì)差。這些劃分雖然比較粗略，但地下水在垂向上的分帶性是客觀存在的。

2.1.3 裂隙具有網(wǎng)絡(luò)性

斷裂和裂隙彼此交叉形成菱形網(wǎng)格，在斷裂交匯和裂隙密集部位，利于地下水富集。砂頁(yè)巖地層在剛性和柔性巖體之間容易形成層間裂隙，剛性巖體發(fā)育的高角度裂隙和層間裂隙相交，形成三維菱形網(wǎng)絡(luò)，一般層間裂隙含有地下水。井筒開(kāi)挖時(shí)有時(shí)掘至砂巖頂部即見(jiàn)水，而且水量較大。由于層間裂隙的存在和裂隙的網(wǎng)絡(luò)性，地下水在巖體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)既有層間運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，又不完全順層向巖層的傾斜方向流動(dòng)，在垂向上也沒(méi)有隨著含水層的繼續(xù)下掘而水量按比例增大的規(guī)律，地下水在砂巖裂隙中的運(yùn)動(dòng)是一種脈狀或網(wǎng)狀運(yùn)動(dòng)，而不同于孔隙介質(zhì)中的滲流。

2.1.4 裂隙含水具有不均一性

裂隙巖石在垂向和走向上滲透性都是不均一的。斷裂切穿了巖性差異很大的地層，溝通了含水層之間的聯(lián)系，而裂隙一般穿透能力較差。煤系地層裂隙一般僅在砂巖等剛性巖體中發(fā)育，在泥巖頁(yè)巖中不發(fā)育。裂隙的發(fā)育程度除了受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的控制外，還與巖體自身的巖性、膠結(jié)方式、力學(xué)性質(zhì)、厚度等因素有關(guān)。顆粒較粗的砂巖裂隙較發(fā)育，而且孔隙度也大。接觸式膠結(jié)的砂巖容易形成含水裂隙，而泥質(zhì)鈣質(zhì)基底式膠結(jié)的砂巖則裂隙性差。砂巖厚度大，裂隙比較稀疏，形成的平均間距也大，但這樣的裂隙一般開(kāi)度大、延伸遠(yuǎn)，成為地下水的主要流動(dòng)干道，水量較大。反之則裂隙延伸長(zhǎng)度有限，水量易于疏干。煤系地層由于巖相變化大，厚度不穩(wěn)定，裂隙發(fā)育的差異性很大，地下水的主要通道僅是那些與導(dǎo)水?dāng)鄬踊蚝w有直接聯(lián)系的區(qū)域性裂隙，并不是所有裂隙均含水。井下開(kāi)挖和工作面預(yù)注漿中，經(jīng)常遇到同一含水層，大多數(shù)鉆孔不出水，僅有少數(shù)鉆孔出大水的情況，說(shuō)明僅是個(gè)別裂隙含水。

由于裂隙發(fā)育的上述特點(diǎn)，使巖體裂隙中地下水的運(yùn)動(dòng)變得十分復(fù)雜。因而在用化學(xué)漿注漿堵水的過(guò)程中，漿液的流動(dòng)規(guī)律也變得很復(fù)雜。

2.2 裂隙巖體滲流水力學(xué)表征

2.2.1 單一裂隙水力表征

研究裂隙巖體滲透性的一條重要途徑是對(duì)裂隙水流進(jìn)行模擬試驗(yàn)。把巖體裂隙簡(jiǎn)化成平行板之間的裂縫，設(shè)水流服從Darcy定律、為黏性不可壓縮介質(zhì)，在裂隙中的流動(dòng)為單相、無(wú)紊亂（即層流）。

2.2.2 一組平行裂隙的水力表征

若巖體中只有一組裂隙發(fā)育，忽略其他裂隙的滲水性，將本組裂隙內(nèi)的水流平均到巖體中去，則可得巖體順裂隙走向的等效滲透系數(shù)。

2.2.3 多組裂隙的水力表征

若有多組裂隙發(fā)育，或巖體中有幾條較大裂隙時(shí)，可用裂隙網(wǎng)格水力學(xué)進(jìn)行分析，即對(duì)裂隙網(wǎng)格的結(jié)點(diǎn)建立方程組，認(rèn)為各裂隙流向任一結(jié)點(diǎn)的流量之和為零［2］。利用邊界條件求解方程組，即可求得網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)處的水頭值。

2.3 化學(xué)注漿堵水機(jī)理

為了滿足堵水施工的需要，煤炭科學(xué)研究總院北京開(kāi)采研究所開(kāi)發(fā)研制了聚氨酯堵水化學(xué)注漿材料，該材料的三態(tài)變化是其堵水成功的原因。這種漿液在液態(tài)、凝膠態(tài)和固態(tài)3種不同狀態(tài)都具有屏蔽靜水涌出的能力，只是止水方式和能力不同。液態(tài)時(shí)，它依賴(lài)自身的屈服強(qiáng)度屏蔽涌水，但它只適于靜水壓小于其屈服強(qiáng)度時(shí)，這為漿液凝固創(chuàng)造了條件。凝膠態(tài)時(shí)，漿液結(jié)石體與裂隙面的黏結(jié)網(wǎng)絡(luò)基本形成，具有相當(dāng)強(qiáng)度，這時(shí)，漿體依靠黏塑性特征屏蔽涌水，靜水壓力下，其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、密實(shí)。固態(tài)時(shí)，漿體依靠自身強(qiáng)度、抗?jié)B性及其與裂隙面的黏著強(qiáng)度屏蔽涌水。

當(dāng)把該注漿材料注入到巖層中含水的空隙中時(shí)，該注漿材料與水混合接觸，就會(huì)發(fā)生鏈增長(zhǎng)、鏈交叉、氣體生成、漿液膨脹等一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，在巖層空隙中最終生成不溶于水的、與空隙表面具有極強(qiáng)黏結(jié)強(qiáng)度的凝膠固結(jié)體，從而填實(shí)了過(guò)水空隙，隔斷了巖層內(nèi)過(guò)水通道，達(dá)到堵水的目的。

該化學(xué)漿液遇水反應(yīng)生成不穩(wěn)定的氨基酸的中間產(chǎn)物，隨即分解并放出二氧化碳?xì)怏w。調(diào)節(jié)催化劑及發(fā)泡劑的不同用量，可以調(diào)節(jié)漿液在水中的凝膠速度，使?jié){液的凝膠速度與二氧化碳?xì)怏w生成速度相平衡，則反應(yīng)物體積開(kāi)始膨脹，并最終生成穩(wěn)定的泡沫凝膠體。膨脹反應(yīng)其實(shí)質(zhì)為擴(kuò)鏈反應(yīng)，在膨脹反應(yīng)的同時(shí)，漿液黏度逐漸增高，反應(yīng)產(chǎn)物的分子鏈增長(zhǎng)，并硬化交聯(lián)，最后生成網(wǎng)狀的致密凝膠體。

3 注漿堵水參數(shù)研究

注漿堵水成敗的關(guān)鍵不僅與被注介質(zhì)的滲透系數(shù)有關(guān)，而且還應(yīng)保證漿液在被壓力水沖出前凝固，與裂隙巖壁發(fā)生交聯(lián)作用。因此，注漿受諸如應(yīng)力、水壓、裂隙寬度、注漿泵壓、漿液凝固時(shí)間和注漿位置等因素影響。

3.1 巖體滲透系數(shù)及與應(yīng)力、溫度的關(guān)系

漿液主要在巖體的裂隙網(wǎng)絡(luò)中流動(dòng)，由于裂隙的存在，導(dǎo)致巖塊的彈性模量很大，而巖體的變形模量要小得多，兩者之差反映了裂隙變形的影響。在正常荷載作用下，巖體絕大部分變形發(fā)生在裂隙。裂隙的過(guò)水能力又和裂隙隙寬的3次方成比例［3～7］。因此，裂隙巖體滲流場(chǎng)受應(yīng)力環(huán)境的影響很大，而滲流場(chǎng)的改變將改變滲透體積力的分布，后者又必將對(duì)應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生影響。

在注漿過(guò)程中，由于漿液的化學(xué)反應(yīng)釋放熱量，因而存在溫度的影響。注漿巖體中滲流場(chǎng)與溫度場(chǎng)是相互作用、相互影響的。一方面，巖體滲流場(chǎng)的存在與改變，將使?jié)B透漿液參與巖體系統(tǒng)中的熱量傳遞與交換，從而影響巖體溫度場(chǎng)的分布。另一方面，巖體溫度場(chǎng)的改變，既可引起漿液的黏度及巖體滲透系數(shù)的改變，還會(huì)由于溫度梯度（或溫度勢(shì)梯度）的存在引起漿液的運(yùn)動(dòng)。巖體中滲流場(chǎng)與溫度場(chǎng)雙場(chǎng)相互作用、相互影響的結(jié)果，會(huì)使雙場(chǎng)耦合達(dá)到某一平衡狀態(tài)，形成溫度場(chǎng)影響下的滲流場(chǎng)及滲流場(chǎng)影響下的溫度場(chǎng)。

3.2 水壓與注漿壓力

注漿壓力是漿液流動(dòng)、充塞壓實(shí)和脫水的總動(dòng)力。在注漿過(guò)程中應(yīng)有一定的注漿壓力，注漿壓力的大小應(yīng)由水的壓力決定。注漿壓力太小時(shí)，漿液擴(kuò)散不到距離鉆孔遠(yuǎn)的地方，在漿液凝固之前就被水稀釋、帶出，起不到加固作用，堵水就會(huì)失敗；注漿壓力超過(guò)水壓一定數(shù)值時(shí)，漿液能擴(kuò)散到距離鉆孔較遠(yuǎn)的地方，在被水帶出前就已凝固，起到堵水的作用。因此，注漿壓力一定要大于水的壓力。

3.3 煤巖體的可注性

巖體的可注性為每種巖體都有自己引起漿液滲透的啟動(dòng)壓力，啟動(dòng)壓力大于臨界壓力（臨界壓力為使巖體產(chǎn)生劈裂時(shí)所需的注漿壓力）時(shí)，為不可注巖體；當(dāng)啟動(dòng)壓力小于臨界壓力時(shí)為可注性巖體。

最好的注漿結(jié)果是用最低的成本達(dá)到最好的封堵效果，即：第一，不要引起任何漿液的無(wú)為消耗；第二是把漿液注入到天然孔隙中去。漿液在細(xì)裂隙中運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要高的注漿壓力；漿液在粗裂隙中運(yùn)動(dòng)時(shí)，只需要較低的注漿壓力。巖體具有不同類(lèi)型、不同強(qiáng)度、不同擴(kuò)散半徑和不同流動(dòng)性等特點(diǎn)，導(dǎo)致不同巖體類(lèi)型都有各自的可注性。在軟巖中，僅寬裂隙才有可注性；在堅(jiān)硬巖體中，細(xì)裂隙也是可注的。不同可注性決定著注漿方案的制定。如果提供一個(gè)足夠大的注漿壓力去注漿，無(wú)論如何也會(huì)把漿液壓入到被注巖體內(nèi)，但是這樣的大量漿液會(huì)封堵人造孔洞而不是封堵巖體的天然滲透性，是與注漿目的背道而馳的。

目前，國(guó)內(nèi)常用的標(biāo)準(zhǔn)水泥為4 900孔／cm2，其粒徑為0.085 mm，水泥漿液只能注入到大于0.255 mm的孔隙之中。當(dāng)孔隙為0.255 mm時(shí)，使用水泥漿阻力達(dá)到最大。反之，孔隙（裂隙）越大，漿液阻力越小，可注性越好。但是，隨巖石裂隙的增大，漿液的流動(dòng)性越好，在導(dǎo)水通道中被水稀釋的程度越高。尤其是在動(dòng)水注漿中，漿液的顆粒小，不利于快速有效地實(shí)現(xiàn)堵水。

3.4 注漿位置選取與鉆孔深度的確定

堵水成敗的關(guān)鍵因素是注漿鉆孔位置的選擇和鉆孔深度的確定。注漿堵水的關(guān)鍵問(wèn)題是切斷水源的源頭，這是治本，不至于出現(xiàn)堵住一個(gè)地點(diǎn)而另一個(gè)地點(diǎn)又出水的情況；在出水地點(diǎn)明水注漿在大裂隙、大水壓情況下也只是起到治標(biāo)的作用。所謂明水注漿是對(duì)煤礦井巷在施工中已經(jīng)發(fā)生了涌（突）水部位進(jìn)行注漿堵水，也稱(chēng)后注漿。明水注漿屬動(dòng)水注漿，受注部位明確，可以直接觀測(cè)巖石出水裂隙和破碎帶的發(fā)育情況，對(duì)注漿孔的布置針對(duì)性較強(qiáng)。但當(dāng)水壓很大時(shí)，在壓力的作用下壓力水還會(huì)從薄弱地點(diǎn)冒出，不是合理的治理方案。為了更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)堵水實(shí)踐，現(xiàn)就根據(jù)是否明確水流方向條件進(jìn)行分類(lèi)研究。

3.4.1 水流方向明確條件

（1）單裂隙出水情況：?jiǎn)瘟严冻鏊闆r對(duì)于已明確水流方向的條件下，只要將注漿位置選擇在封堵位置的上游就能完全地切斷水源，起到封堵的作用，在此不再過(guò)多敘述。

（2）一組裂隙出水情況：一組裂隙出水情況對(duì)于已明確水流方向的條件下，鉆孔布置在2條裂隙之間的出水點(diǎn)上游位置，而且鉆孔要向裂隙傾斜。

（3）裂隙帶出水情況：這種條件下，也是要將鉆孔在出水點(diǎn)靠近水源方向成排布置，鉆孔間距D≤2R（R為漿液擴(kuò)散半徑，如圖1），使形成的堵水帷幕隔斷水流，起到堵水效果。

圖1 相鄰兩鉆孔布置圖Fig.1 Layout of two adjacent boreholes

以上3種情況下鉆孔深度要求鉆孔導(dǎo)通裂隙（如圖2）。

3.4.2 水流方向不明條件

當(dāng)水流方向不明時(shí)，應(yīng)盡量查明水流方向，在確實(shí)不明或沒(méi)有必要查明情況下參考以下方法。

（1）單裂隙出水情況：對(duì)于單裂隙出水，應(yīng)該采取沿裂隙注漿的方法，鉆孔要沿裂隙布置，并且鉆孔要傾向裂隙底部，使鉆孔底部與裂隙導(dǎo)通。

（2）一組裂隙出水情況：一組裂隙出水時(shí)，鉆孔要沿平行于兩條裂隙且在兩條裂隙的中間線布置，而且鉆孔要向裂隙傾斜。

（3）裂隙帶出水情況：此種情況為最復(fù)雜也是最常存在的情況，不但要考慮漿液的擴(kuò)散半徑，讓擴(kuò)散半徑滿足D＜2R，而且還要考慮堵住原出水點(diǎn)出現(xiàn)新出水點(diǎn)的情況。

圖2 鉆孔與裂隙位置關(guān)系Fig.2 Location relation between borehole and fracture

4 注漿堵水示范工程

4.1 工程概況

屯留煤礦南翼進(jìn)風(fēng)大巷布置在3＃煤層中，沿煤層頂板掘進(jìn)。3＃煤層頂板多為灰黑色粉巖砂、泥巖或砂巖，其上有2＃煤層和1＃煤層的頂板兩層中細(xì)、中粗砂巖，單層厚度5～10 m。影響3＃煤層開(kāi)采的主要含水層是：①3＃煤層及1＃、2＃煤層的頂板砂巖；②3～4層石灰?guī)r，其單層厚度一般在2～6 m，裂隙較發(fā)育；③奧陶灰?guī)r，距3＃煤層約130～140 m。以上3個(gè)主要含水層組比較，奧灰為強(qiáng)含水層，其余2組為中等和中強(qiáng)含水層。

南翼進(jìn)風(fēng)大巷掘進(jìn)至1 165 m，掘進(jìn)頭頂板錨索孔出水嚴(yán)重，淋水段40～50 m，水量約為16～20 m3／h。施工至1 270 m處時(shí)，巷道迎頭頂板淋水大增，經(jīng)實(shí)測(cè)淋水量達(dá)50 m3／h，巷道掘進(jìn)被迫停止，必須采取措施對(duì)頂板水進(jìn)行有效封堵，巷道出水位置如圖3。

圖3 南翼進(jìn)風(fēng)大巷出水位置Fig.3 Location of rushing water in south air inlet roadway

采用直流電法探測(cè)技術(shù)對(duì)屯留煤礦南翼進(jìn)風(fēng)大巷1 115～1 195 m進(jìn)行了探測(cè)。通過(guò)探測(cè)確定在頂板上方70 m內(nèi)共存在6個(gè)相對(duì)富水段，分布在頂板以上6～10 m，16～20 m，26～31 m，35～39 m，48～52 m，60～64 m，其中一、二、五段為中強(qiáng)，三、四、六段為中等，這些含水段主要是3＃煤層頂板砂巖和巖石裂隙水。巷道頂板水主要來(lái)源于頂板6～10 m和16～20 m的巖石裂隙水，其次為上部的砂巖水。

4.2 注漿堵水方案

根據(jù)巷道周邊已知地質(zhì)資料結(jié)合探測(cè)成果，應(yīng)針對(duì)3＃煤層頂板6～10 m砂巖含水層進(jìn)行注漿治理。

4.2.1 注漿堵水材料

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件，采用本文作者開(kāi)發(fā)研制的聚氨酯預(yù)聚體單組份化學(xué)注漿材料。該材料以水作為固化劑，材料具有大量活性端基—NCO，遇水反應(yīng)固化成型，固結(jié)后強(qiáng)度較高，具有堵水和加固兼顧功效。

該注漿材料具有以下特點(diǎn)：

（1）純液態(tài)化學(xué)材料，15～30℃時(shí)的黏度為0.22～0.125 Pa·s，滲透能力強(qiáng)。

（2）以水為固化劑，材料遇水后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)固化成型，固化效果不受水量多少的影響，能夠保證材料的有效利用。

（3）固化速度從30 s到20 min（可調(diào)），改變促進(jìn)劑用量可改變漿液的固化速度，適應(yīng)不同的水流速度。

（4）材料固化填塞裂隙并粘接破碎圍巖，對(duì)潮濕裂隙面黏結(jié)強(qiáng)度0.6～0.8 MPa，結(jié)石體抗壓強(qiáng)度8～12 MPa。

4.2.2 注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）堵水范圍：主要針對(duì)南翼進(jìn)風(fēng)大巷1 165～1 270 m及掘進(jìn)工作面前方頂板富含水區(qū)域。

（2）鉆孔布置：南翼進(jìn)風(fēng)大巷寬5.2 m、高3.5 m，采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行支護(hù)。錨索長(zhǎng)度10 m，錨索孔深度9.7 m，穿入3＃煤層頂板砂巖含水層，形成巷道施工后的主要導(dǎo)水通道。

掘進(jìn)工作面10 m范圍頂板全部淋水，該區(qū)域應(yīng)全斷面堵水，確定注漿孔采用五花眼布置，沿巷道軸線方向布置三排注漿孔，頂板中部鉆孔垂直頂板，兩側(cè)鉆孔向兩幫傾斜，仰角75°。由于該工程屬于構(gòu)造裂隙帶出水，考慮鉆孔漿液擴(kuò)散的重疊，確定注漿孔排距1.5 m，間距3.0 m，注漿孔應(yīng)穿越含水層，孔深10～12 m。鉆孔布置如圖4。

圖4 注漿鉆孔布置圖Fig.4 Grouting borehole layout

（3）鉆孔直徑：孔口部分采用?50 mm鉆頭鑿巖機(jī)打孔，其余部分采用?36 mm鉆頭錨桿機(jī)打孔。

（4）注漿泵：注漿泵使用德國(guó)卡波公司生產(chǎn)的CTGX45-Ⅱ型氣動(dòng)注漿泵。驅(qū)動(dòng)（空氣）壓力0.2～0.8 MPa，排液壓力0～27 MPa，排液量0.3～25 L／min。

（5）注漿順序：注漿順序?yàn)橐恍?-1，1-2，1-3，1-…→二序2-1，2-2，2-3，2-…→三序3-1，3-2，3-…，如圖4所示。

（6）封孔：每個(gè)鉆孔使用一個(gè)封孔器封孔，射漿管與封孔器相連。利用孔口注漿管將封孔器送至?50 mm鉆孔底部，開(kāi)始注漿自動(dòng)完成封孔。

（7）注漿速度：封孔及灌注鉆孔時(shí)，注漿速度20～25 L／min，快速封孔并充滿受漿孔段。調(diào)整泵速適應(yīng)漿液在裂隙內(nèi)的滲透速度，一般控制在5～15 L／min，裂隙發(fā)育時(shí)適當(dāng)提高注漿速度。

（8）注漿壓力：出水區(qū)域裂隙發(fā)育，但開(kāi)度相對(duì)較小，水壓在1 MPa以?xún)?nèi)。隨材料沿裂隙滲透反應(yīng)固化，裂隙將逐步被填塞，壓力逐漸升高。正常注漿時(shí)，應(yīng)通過(guò)控制注漿速度使注漿壓力緩慢升至終壓。分別控制各序鉆孔注漿壓力：確定一、二序孔注漿終止壓力3～4 MPa；三序孔注漿終止壓力3～5 MPa。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同條件進(jìn)行調(diào)整。

（9）注漿量：?jiǎn)慰诐B透范圍2～2.5 m，材料注入量100～150 kg／孔。

4.3 注漿堵水效果分析

通過(guò)對(duì)屯留煤礦南翼進(jìn)風(fēng)大巷涌水的封堵，掘進(jìn)工作面（＋1 270 m）3＃煤層頂板砂巖富含水層破碎區(qū)水量原來(lái)為50～80 m3／h，封堵后滴水小于0.5 m3／h，堵水率98%以上。同時(shí)對(duì)封堵后的頂板進(jìn)行窺視，窺視結(jié)果如圖5、圖6。

圖5 距頂板3.0m處漿液充填效果Fig.5 Effect of mortar filling at 3 m above roof

圖6 距頂板3.4 m處漿液充填效果Fig.6 Effect of mortar filling at 3.4 m above roof

窺視結(jié)果表明：注漿施工對(duì)圍巖裂隙進(jìn)行了有效充填。漿液滲透到極破碎巖體內(nèi)部，形成了較完整密實(shí)的漿液固結(jié)體，煤巖體裂隙內(nèi)形成了完整而致密的充填層，對(duì)頂板水起到了隔絕作用。

5 結(jié)論

（1）詳細(xì)分析煤巖體裂隙的特點(diǎn)和滲流水的特征是合理安排化學(xué)注漿堵水的基礎(chǔ)，明確含水層的位置及結(jié)構(gòu)是合理布置注漿孔和注漿施工的關(guān)鍵。

（2）屯留礦井開(kāi)采深度大、導(dǎo)水構(gòu)造多、條件復(fù)雜，針對(duì)不同的導(dǎo)水構(gòu)造和相應(yīng)的圍巖結(jié)構(gòu)，堵、疏結(jié)合是治理礦井巷道頂板水害的有效手段。

（3）對(duì)屯留煤礦南翼進(jìn)風(fēng)大巷的頂板水封堵，開(kāi)發(fā)研制的注漿堵水漿液使用方便，漿液性能穩(wěn)定，并能在大范圍以及涌水情況下發(fā)揮很好的作用。

（4）本文中使用的聚氨酯化學(xué)堵水材料與水反應(yīng)固化成型，是一種適合困難條件下礦井巷道頂板水治理的新型材料，用于不同條件的含水層注漿治水效果顯著，堵水率在95%以上。

（5）借助深部開(kāi)裂程度較低的圍巖裂隙實(shí)施注漿堵水，然后形成隔水帷幕；涌水量大的厚層富含水破碎頂板由深部向淺部后退式注漿工藝，這樣可顯著提高注漿堵水效果，降低材料消耗和工程成本。

［1］ 馮志強(qiáng).破碎煤巖體化學(xué)注漿加固材料研制及滲透擴(kuò)散特性研究［D］.北京：煤炭科學(xué)研究總院，2007.

［2］ 楊米加，賀永年，陳明雄.裂隙巖體網(wǎng)絡(luò)注漿滲流規(guī)律［J］.水利學(xué)報(bào)，2001，（7）：41-46.

［3］ 謝興華，速寶玉.裂隙巖體水力劈裂研究綜述［J］.巖土力學(xué)，2004，（2）：330-336.

［4］ 柴軍瑞，仵彥卿.變隙寬裂隙的滲流分析［J］.勘察科學(xué)技術(shù)，2000，（3）：39-41.

［5］ 宋曉晨，徐衛(wèi)亞.裂隙巖體滲流概念模型研究［J］.巖土力學(xué)，2004，（2）：226-232.

［6］ 張金才，劉天泉，張玉卓.裂隙巖體滲透特征的研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1997，（5）：481-485.

［7］ Louis Cue.A Study of Ground Water Flow in Jointed Rock and Its Influence on the Stability of Rock Masses［R］.London：Imp.Col.L.1969.

Technology Research of Chemical Grouting for Cracked Coal-Rock Mass and Demonstration Project

FENG Zhi-qiang1，2，KANG Hong-pu1，2

（1.Beijing Coal Mining Institute，Central Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.Coal Mining&Design Department，Tian Di Science&Technology Co.，Ltd，Beijing 100013，China）

On the basis of the fracture distribution of coal-rock mass，infiltration flow mechanical characters and the mechanism of grouting to block up flow，the paper analyses the reasons of formation and classification of infiltration water fractures，and the mechanism of cracked coal-rock mass's grouting to cut-off water，and discusses the relations between permeability coefficient，stress and temperature，between water pressure and grouting pressure and between groutability of rockmass，grouting position and drill hole depth.At last，the paper alanyses a project example that describes grouting to cut-off the flow in the roof of an air intake roadway of southern part of Yanliu Mine，the result indicates that，through grouting into surrounding rock with low fracture level in depth，a grout curtain to cut off infiltration flow might be formed，and that a fallback grouting from deep to shallow into cracked roof with abundant water was conducted，thus，the effect of above two kinds of grouting was obviously improved，at the same time，the consumption of raw material and project cost were reduced.Key words：chemical grouting；fracture distribution；seepag e

TV442

A

1001-5485（2009）07-0060-06

2008-09-18；

2009-03-02

馮志強(qiáng)（1975-），男，呼和浩特市人，高級(jí)工程師，博士，從事破碎煤巖體的注漿加固技術(shù)研究，（電話）010-84263127，13810643738（電子信箱）fengzhiqiangg＠163.com。

（編輯：周曉雁）

·簡(jiǎn)訊·

長(zhǎng)江科學(xué)院派代表參加國(guó)際大壩委員會(huì)第23屆大壩會(huì)議

2009年5月23日至5月29日，國(guó)際大壩委員會(huì)第23屆大壩會(huì)議在巴西利亞召開(kāi)。來(lái)自世界各國(guó)的千余名專(zhuān)家學(xué)者參加了會(huì)議，我國(guó)有40多名代表參會(huì)。長(zhǎng)江科學(xué)院材料所石妍博士、河流所萬(wàn)建蓉教授級(jí)高工二人參加會(huì)議，交流了題目為《Study On Effect Of Aggregate Variety On Concrete Volume Deformation》（作者：Li Jiazheng，Shi Yan，Yang Huaquan）的學(xué)術(shù)論文，并就水電與大壩、已建水庫(kù)和新建水庫(kù)的泥沙淤積管理、已建大壩的更新改造、大壩安全管理等議題與各國(guó)專(zhuān)家進(jìn)行了探討。

國(guó)際大壩委員會(huì)是壩工界享有權(quán)威的民間學(xué)術(shù)組織，其宗旨是推動(dòng)大壩及其有關(guān)的土木工程（包括與壩相連的水電站）技術(shù)的進(jìn)展，通過(guò)各國(guó)家委員會(huì)相互交換技術(shù)情報(bào)，共同研究試驗(yàn)，出版論文集、報(bào)告和文件，但不以營(yíng)利為目的。該組織每3年召開(kāi)一次大會(huì)，每屆大會(huì)討論4個(gè)技術(shù)專(zhuān)題。參加會(huì)議人員除國(guó)際大壩委員會(huì)會(huì)員以外，還邀請(qǐng)來(lái)自世界范圍內(nèi)的知名專(zhuān)家學(xué)者、以及年輕科學(xué)工作者參與會(huì)議。在此次大會(huì)上，中國(guó)水科院的賈金生副院長(zhǎng)當(dāng)選為新一屆的委員會(huì)主席。

（摘自《長(zhǎng)江科學(xué)院網(wǎng)》）