任松濤

（1.河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺 054000；2.河北省礦井微震重點實驗室，河北 邢臺 054000；3.河北省礦井物探工程研究中心，河北 邢臺 054000）

1 粘土材料堵水機理

粘土主要成分由粘土礦物組成，另外還含有非粘土礦物和其他雜質(zhì)。粘土礦物分為4個族類。①高嶺石族：代表性礦物為高嶺石，其他礦物包括埃洛石、地開石、珍珠陶土等，含高嶺石礦物為主的粘土稱為高嶺土。②蒙脫石族：代表性礦物為蒙脫石，其他礦物包括綠脫石、拜來石、皂石等，含蒙脫石礦物為主的粘土稱為膨潤土或蒙脫土。③水云母族：代表性礦物為伊利石（伊利水云母），其他礦物包括絹云母、水白云母等，含伊利石礦物為主的粘土稱為伊利土或水云母土。④海泡石族：代表性礦物為海泡石，其他礦物包括凹凸棒石、坡縷縞石等，相應的粘土分別稱為海泡石粘土、凹凸棒粘土和坡縷縞石粘土。粘土中含有非粘土礦物和其他雜質(zhì)，如長石、石英、氧化鐵、灰?guī)r顆粒等。粘土的化學成分一般有SiO2、Al2O3、H2O、Fe2O3、MgO、Na2O、CaO等。SiO2、Al2O3、H2O的含量占到95%以上。粘土材料作為堵水注漿材料時，一般選取的粘土是含沙量比較大的紅粘土。注漿使用的是其在5 um以下的細土粒，也稱膠粒或粘粒。

粘土的性質(zhì)指粘土的親水性、分散性、可塑性和粘著性以及粘土造漿率，這是衡量粘土造漿性能的重要指標。粘土粒度指水基分解后的天然顆粒的粒度，其粒度越細漿液的滲透性就越強。粘土漿中粘膠粒和沙粒均有存在。在粘土精漿中的粒度分布：粘膠粒（或粘粒）的（粒經(jīng)是指5 um以下）含量一般在30～50%；粉粒（粒徑5～50 um）的含量一般在35～50%；含沙量（粒經(jīng)50～250 um）在5～10%，一般小于5%，粒經(jīng)5 um以下的含量越多粘土漿的性能越好。50 um以上的砂粒容易淤積在注漿孔內(nèi)，造成堵孔，影響注漿效果，必須分離去除掉。制取的漿液中粘土膠體顆粒粒徑在5 um以下，而粘土漿液中含有較多的砂粒，砂粒粒徑在0.2～1.5 mm，1 mm的砂粒堆積后就會很快堵塞3 mm以下的裂隙，形成孔塞。因此粘土漿液除砂效果是影響注漿效果的關(guān)鍵，粘土精細漿液制漿系統(tǒng)可以很好地解決粘土除砂問題。

注漿改造是一種按人的意志改變巖體（層）水文地質(zhì)條件的方法與手段，基本原理是漿液在一定壓力作用下、在一定時間內(nèi)將受注層原來被水占據(jù)的空隙或通道被漿液材料置換、充填，直至脫水、固結(jié)或膠凝，使結(jié)石體或膠凝體與圍巖體形成阻水整體，最終被改造成為不含水層的隔水層過程，從而改變不利于采礦的水文地質(zhì)條件。這是承壓水開采注漿的主要指標。這個過程對圍巖有加固作用，但不是最主要的。因為注漿后煤層開采過程中，礦壓、特別是老頂來壓造成的底鼓、煤壁切斷對煤層底板的破壞深度大，受此影響范圍內(nèi)的巖層形成二次破壞，形成新的裂隙。

眾多的地面灌漿工程證實，對于裂隙性注漿，只有當注漿材料的粒度是裂隙寬度的1/4以下時注漿材料才能被順利擠入、直至填滿裂隙（圖1），如果加壓到足夠大（3倍），漿液材料被進一步壓實脫水，停住后裂隙內(nèi)擠入的材料與圍巖成為一體，在初始水壓的狀態(tài)下不會倒出來。這個過程就是裂隙被充填的過程，導水富水的裂隙充填完成后，裂隙就沒有了，相當于導水通道沒有了。裂隙完全充填后突水的兩個因素，即裂隙通道和水就消除了。

圖1 粒徑和裂隙寬度的關(guān)系示意Fig.1 Relationship between particle size and fracture width

粘土制漿過程中的除砂工藝對粘土漿液質(zhì)量有著重要的決定作用。通常選用10目，40～80目，150～200目的篩網(wǎng)，如果是微裂隙注漿應考慮采用振動型200目篩網(wǎng)除砂機除砂工藝。粘土漿液等級對裂隙注漿的效果有著很大影響，具體粘土精漿的分級以及裂隙寬度與注漿材料粒徑可注性關(guān)系見表1、表2。

表1 粘土精漿分級Table 1 Refined clay slurry classification

表2 裂隙寬度與注漿材料粒徑的可注性關(guān)系Table 2 Relationship between fracture width and grouting material particle size groutability

另外粘土漿液具有很好的攜帶性，可以在制好 的漿液中添加其他注漿材料和干料，比如水泥、粉煤灰制取粘土水泥漿、粘土粉煤灰漿，針對不同的出水類型使用不同的漿液進行封堵。同時粘土漿液具有很好的壓裂效果，對于微小的裂隙出水，粘土漿液可以擴散的更遠，對裂隙起劈裂作用，增大注漿量，從而可以對微裂隙出水起到很好的治理作用。

2 粘土材料在堵水工程中應用分析

2.1 粘土漿液在動水堵水注漿中的應用實例

介休煤礦90101工作面于2017年6月22日18時，工作面推采至80 m時，工作面割煤后煤壁二處出水：一處在運輸順槽附近，另一處在機頭向機尾方向的30～40 m處。經(jīng)多方核實后，判斷工作面的出水量在1 200 m3/h左右，后基本穩(wěn)定在1 500 m3/h，最大值在2 100 m3/h。根據(jù)地質(zhì)報告奧灰水位+900—+913 m，突水前工作面處的奧灰水壓在3 MPa左右。

由于是動水堵水注漿，所以不能采取傳統(tǒng)的蓋帽注漿方法。利用區(qū)域治理技術(shù)在地面實施注漿定向鉆孔向奧灰水源層實施注漿封堵出水及通道，以工作面涌突水量變化就來直接檢驗堵水效果，從源頭上治理，不留隱患。注漿材料上以粘土為主，搭配水泥、粉煤灰以及其他化學添加劑。鉆孔布置如圖2所示。

圖2 堵水工程注1孔主孔鉆孔平面布置Fig.2 Plane layout of main drilling hole in water plugging project No.1 hole

工程共施工1個奧灰觀測孔、4個地面注漿主孔、27個分支孔。累計注干料46 987.15 t，其中粘土40 075.81 t、水泥6 656.33 t、粉煤灰295.81 t。注1孔施工14個分支孔，注漿量最多，累計注干料35 420.81 t，其中粘土3 0933.78 t、水泥4 359.32 t、粉煤灰127.71 t，堵水效果最為明顯。注1-5下孔，累計注干料25 278.24 t，其中粘土24 130.78 t、水泥1 147.45 t，施工結(jié)束后達到減水300 m3/h的效果。注1-5下846 m處漏失量5 m3/h，注干料2 339 t，平剖面圖如圖3、圖4所示。

圖3 注1-5下孔鉆孔平面布置Fig.3 Drilling hole plane layout in No.1-5 lower hole

圖4 注1-5下孔鉆孔剖面Fig.4 Drilling hole profile in No.1-5 lower hole

注1-5下孔846 m漏失處，注干料2 339 t，其中粘土2 125 t，水泥214 t，漿液密度1.2～1.4 g/cm3，注漿終壓7 MPa，此次注漿結(jié)束后，井下水位在排水泵量不變的情況下，比注漿前持續(xù)下降，經(jīng)反復核算，減水100 m3/h，達到了短期注漿堵水的目的。注漿統(tǒng)計表見表3。

表3 注1-5下孔846 m漏點注漿Table 3 Grouting table for 846 m leakage point in No.1-5 lower hole

續(xù)表

由圖5可見第9至14個班次在同等漿液密度和排量的情況下，注漿量變大，說明在粘土漿液的壓裂作用下，通道被進一步打開，導致注漿過程出現(xiàn)了虹吸現(xiàn)象，實際泵量比注漿泵的檔位泵量大，從而每班的注漿量變大。此次注漿從注漿量來看，注漿量相對較大，由于漏失量比較小，可能是開始導水裂隙比較小，和突水點連通性比較差，用純粘土漿液注漿一段時間后，通道進一步被刷大，和突水點連通性變得更加通暢，繼續(xù)注漿用粘土水泥漿液，加快了漿液在通道內(nèi)的沉淀，導致迅速起壓，高壓脫水后，粘土漿液里水分被分離排除，使粘土和周圍的巖體膠結(jié)到一起，對通道起到很好的充填作用，同時也對突水點起到了很好的減水作用。

圖5 注1-5下孔每班注漿量與漿液密度及孔口壓力關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between grouting quantity per shift slurry density and hole pressure in No.1-5 lower hole

2.2 粘土漿液添加骨料堵水實例

2017年3月，山西龍泉礦4301工作面回采過程中發(fā)生了底板突水，出水量達400 m3/h，出水后進行了水文地質(zhì)補充勘探及注漿堵水。4301工作面于2018年9月12日恢復生產(chǎn)，恢復生產(chǎn)前4301工作面涌水量減少為105 m3/h，恢復生產(chǎn)后隨著工作面推采，工作面涌水量逐漸增大，2018年11月涌水量增大為250 m3/h左右，12月涌水量為210 m3/h左右，隨后穩(wěn)定在200 m3/h左右。

隨后對4301工作面剩余水量進行治理，依靠地面定向水平分支鉆孔技術(shù)，在地面進行鉆探探查、注漿治理，一方面探查隱伏導水通道，對底板含水層進一步治理，減少工作面涌水量，降低排水費用；另一方面通過治理工程，對奧灰富水層段進行探查，研究奧灰含水層的水文地質(zhì)條件及其注漿改造效果，取得合理的鉆探、注漿參數(shù)，指導后期下組煤奧灰地面區(qū)域治理工程的開展。注漿材料一般情況下選用水泥，如遇裂隙發(fā)育、注漿量大的情況，可使用粘土水泥漿、純粘土漿，或采取添加骨料、早強劑等作為輔助注漿材料。在地面布置1個井場，設計1個主孔，1個垂直探查孔，在奧陶系灰?guī)r頂面以下30 m層位，間距為40～60 m，布置6個水平分支孔，設計總進尺6 120 m。首先根據(jù)前期堵水工程井下鉆孔成果資料，在預測出水通道位置布置了注1-1、1-2、1-3鉆孔，然后考慮到奧灰補給區(qū)域及通道不甚清楚，需要控制到兩巷及其外圍附近，在外圍增加了注1-4、1-5、1-6鉆孔。如圖6、圖7所示。

圖6 4301工作面地面鉆孔平面布置Fig.6 Ground drilling hole plane layout in 4301 working face

圖7 4301工作面地面鉆孔剖面示意Fig.7 Ground drilling hole profile in 4301 working face

注1-1孔2019年6月8日自孔深255 m開始定向鉆進，至2019年11月24日鉆進至2 471.25 m完成設計孔深注漿封孔，共進尺2 216.25 m在孔深1 088 m、1 125 m、1 936 m分別鉆遇3個漏失點，發(fā)生漏失層均在奧灰頂面以下30 m附近，共注水泥5 596.639 t，粘土406.108 t，干料合計6 002.747 t。

根據(jù)粘土攜帶性強的特點，在制成的粘土水泥漿液里加入干料，以便于干料能更好的達到出水點，避免干料出現(xiàn)就地上浮或者下沉而到達不了出水點的現(xiàn)象。如圖8所示。

圖8 4301工作面實際排水量Fig.8 Factual drainage quantity in 4301 working face

注漿結(jié)束后，OW1、SW6、OW2、OW7四個水文觀測孔水位均表現(xiàn)為上升，漲幅分別為18.3、1.7、14.5、2.9 m，且OW2水位升幅超過了歷史最高水位9 m左右，同時井下4301采空區(qū)涌水量由注漿前的150 m3/h，減少到120 m3/h，減少了30 m3/h左右，分析原因為注漿封堵了奧灰徑流的部分排泄通道，導致奧灰含水位逐漸恢復，注漿取得了一定的效果。

3 結(jié) 語

粘土材料以其獨特的堵水特點，在動、靜水注漿狀況下均表現(xiàn)出了明顯的效果，同等條件下比其他材料注漿量大，提高了鉆孔注漿材料的噸水干料比，注漿后膠凝體能更好的防止二次突水，大大提高了注漿堵水的質(zhì)量。