无收缩灌浆料在煤层注水封孔工艺中的应用研究

陈善文 马 威 刘 勇 黎 志 陈 芳

（1.山西中煤华晋能源有限责任公司，山西省河津市，043300；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市沙坪坝区，400037）

煤层注水提高煤体水分含量是解决煤矿采掘工作面粉尘危害的根本性措施，它是通过预先施工的钻孔注入压力水使其渗透扩散到煤体内部，人为增加煤体水分，可以有效地降低煤体破碎时的产尘量。其中封孔是煤层注水工艺中最重要的环节之一，封孔的好坏直接决定煤层注水的防尘效果。目前，国内采用的封孔方式有水泥砂浆封孔、聚氨脂类材料封孔、封孔器封孔等，其中水泥砂浆封孔具有安全可靠、管理方便的特点，目前被广泛使用，但水泥砂浆封孔存在一定的缺点，即凝固析水收缩，对于近水平钻孔实用性较差。因此，需对水泥砂浆封孔工艺进行改进才可以满足煤层注水防尘的需求。本文即是从封孔材料选取的角度出发，提出采用一种具有微膨胀的无收缩灌浆料作为煤层注水封孔材料，并通过现场试验进行验证，降尘效果明显。

1 封孔材料的特点

无收缩灌浆料是以高强度材料作为骨料，以水泥、灌浆母料为介质，辅以高流态、微膨胀、防离析等外加剂配制而成。主要具有以下几个方面的特点：

（1）使用方便。材料为粉末状，现场加入一定量的水搅拌均匀后制成浆液即可用于封孔。

（2）自流性好。初期浆液较稀，自流性好，可利用封孔泵进行长距离灌浆施工。

（3）早强高强。浆体注入钻孔0.5～1.5h 后浆体逐渐变稠，强度逐渐增加，2～3h 后浆体可凝固为固体，并永久保持，1～3d 强度高达30 MPa以上。

（4）微膨胀。浆液在压力作用下可渗入钻孔周围裂隙中，凝固过程中逐渐膨胀，提高封孔性能。

（5）粘结强度高。与钢筋握裹力不低于6 MPa。

（6）凝固时间可调。可以通过改变无收缩灌浆料中外加剂的配比，调节材料的凝固时间，满足不同封孔作业需求。

2 现场应用

2.1 工程概况

图1 回风巷道煤层注水钻孔开孔位置示意图

图2 钻孔布置方式及参数设计

本文选取山西中煤华晋王家岭煤矿20107工作面为试验对象，该工作面位于201 盘区西侧，20107综放工作面走向长度1317 m，倾向长度230m，倾角2°～4°，采用综采放顶煤开采工艺，全部垮落法管理顶板，开采高度3 m，放顶高度3.28m，采放比1∶1.1。为了减少开采过程中的粉尘危害，根据矿井初步设计和安全生产情况，采取了煤层注水措施，选用布置于回风巷的单向长孔注水方式及动静压结合的注水系统。钻孔开孔位置如图1所示，钻孔布置方式及技术参数如图2 所示。其中，钻孔深度200m，孔径100 mm，间距10m，距离底板1.5～2.0 m （巷道高度3.4 m），注水钻孔8 个，动静压结合，动压5 MPa注水6 h，静压2 MPa注水18h，距离工作面50m 时停止注水。

2.2 封孔工艺

由于该工作面为近水平煤层，前期选用普通水泥添加膨胀剂的封孔工艺仍无法解决水泥凝固收缩、封孔不严、加压跑水的问题。针对该情况，现拟选用无收缩灌浆料作为封孔材料进行试验，所需封孔系统如图3和图4所示。先将10m 长的塑料管与1m 长的无缝钢管重叠连接，深入钻孔内部，并在孔底采用棉纱捆扎预处理，在孔口采用锚固剂预处理，同时另伸一长1.5m 的塑料管用于注浆，注浆时利用夹布胶管将注浆泵与注浆管连接。

图3 封孔时孔内管路连接示意图

图4 封孔时孔外管路连结示意图

具体封孔工艺如下：

（1）采用棉纱进行孔底预处理，采用锚固剂进行孔口预处理，按图3和图4连接注浆管路。

（2）钻孔直径100mm，封孔段长度10m，据此计算所需浆液用量，制备水灰比为1∶1的无收缩灌浆料，充分搅抖均匀，利用注浆泵注入封孔段。

（3）观察注浆泵出口压力，保持0.5～1.0 MPa压力5min，使浆液能充分进入钻孔周围裂隙内部。

（4）待浆液注入完毕后，移至下一钻孔或清洗注浆设备及管路。

2.3 效果分析

本次试验在20107工作面回风巷选取一组8个钻孔进行封孔，其中1＃～4＃钻孔采用普通水泥添加膨胀剂的方式进行封孔，5＃～8＃钻孔采用无收缩灌浆料进行封孔，通过考察钻孔最大承受压力（本孔或煤壁出水时的注水压力）及割煤时司机处的降尘效率来对比两种不同封孔方式的使用效果。测试结果如图5和图6所示。

图5 不同钻孔注水时最大承受压力

图6 不同封孔方式时采煤机司机处粉尘浓度

从图5可以看出，采用普通水泥和膨胀剂的封孔方式时最大承压仅为2.0 MPa （取平均值，下同），而采用无收缩灌浆料进行封孔时最大承压可达到7.35 MPa。采用普通水泥封孔注水后采煤机割煤时司机处的总粉尘的降尘效率为25.0%，呼吸性粉尘的降尘效率为33.2%；而采用无收缩灌浆料封孔注水后司机处的总粉尘降尘效率为40.0%，呼吸性粉尘的降尘效率为47.9%。说明采用无收缩灌浆料的封孔效果要优于普通水泥封孔，进一步提高了煤层注水的降尘效率。

3 结论

（1）对于近水平煤层注水，无收缩灌浆料封孔效果要优化于普通水泥，最大承压可达7.35MPa。

（2）相对于普通水泥封孔，采用无收缩灌浆料封孔注水后司机处总粉尘的降尘效率可提高15.0%，呼吸性粉尘的降尘效率可提高14.7%。

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