高浓度化学浆液的研制与应用效果

朱效中，朱学光

(安徽省地质实验研究所，安徽合肥 230001)

高浓度化学浆液的研制与应用效果

朱效中，朱学光

(安徽省地质实验研究所，安徽合肥 230001)

淮北某煤矿因第四含水层水量过大，通过F5断层导入采煤工作面，使采煤生产陷入停顿。为解决采煤工作面涌水量过大问题，研制了高浓度化学浆液，经钻孔注浆收到良好的止水效果，使近200万t煤炭资源恢复开采，取得了很好的经济和社会效益。

高分子;高浓度;化学浆液;注浆止水;采煤

0 引言

高浓度化学浆液主要是由膨润土粉、高效分散剂、絮凝剂、膨胀性纤维和结构性复合处理剂按程序配制而成。特点是在外力作用下，有较好的流动性，失去外力时，结构恢复，有较好的塑性(弱固性)，受采煤影响断层再次活化时有较好的自动充填裂隙隔水作用。主要应用于复杂的钻探工程、坑探工程、矿山突水治理等。

1 问题的提出

淮北某煤矿采煤工作面上方赋存F5等多条断层，由于受采动影响，断层位移，断裂带活化，再生裂隙发育，产生不规则的导水裂隙，使四含水通过裂隙导入采煤工作面，最大导水量达161 t/h，被迫停止采煤生产。矿方希望能研制出一种塑性胶体，注入断层，封闭四含水通道，恢复采煤生产，并在断层再次受到采煤影响时可以实施二次或多次注浆，保证采煤生产的连续性。

2 高浓度化学浆液的研制

2.1 理论依据

2.1.1 高分子的桥联作用

由于高浓度化学浆液中含有大量的高分子物质，分子链相对于粘土颗粒长300～500倍，大部分粘土颗粒吸附在链节处，由分子链和粘土颗粒的桥联作用，形成充满整个体系的网架结构，加入高价阳离子絮凝剂后和高分子羧基、酰胺基等基团的作用结果，增强了浆液的空间网架结构的强度。

2.1.2 粘土颗粒边角结构作用

高度分散的粘土颗粒的边角与边角之间产生吸附作用，形成立体的空间网架结构。

2.1.3 高分子的附壁作用

注浆时在压力作用下，高粘度化学浆液进入断层，渗入岩石破碎带和裂隙，高分子物质同时与裸露的岩石颗粒产生吸附作用。

2.1.4 絮凝剂的增塑作用

高浓度化学浆液在失去外力时，浆液逐渐趋于静止，网架结构形成，随着粘土颗粒、高分子的定向排序，在絮凝剂的作用下强度不断增强，形成具有一定强度的塑性帷幕，切断了导水通道，从而达到止水的目的。

2.1.5 木质纤维的膨胀作用

木质纤维有较好的吸水性，加入时颗粒较小，在浆液运动过程中迅速膨胀，体积增加，并具有良好的桥联作用，在空间形成网架结构，提高了浆液的粘度，失去外力后，浆液的流动性渐止，并加速塑性的形成。

2.2 基础浆液材料的选择及配方与性能

根据断层注浆的特殊要求，在以往工作经验的基础上，我们选择了山东高阳膨润土粉、聚丙烯腈、聚丙烯酰氨、纯碱、木质纤维粉等基础性浆液材料。

根据实践经验和大量的室内实验，主要优选出低粘度化学浆液和高粘度化学浆液2种配方，前者用于清洗钻孔、疏通和扩大断层和裂隙通道，并防止坍塌堵塞过水通道;后者主要用于断层注浆，封闭过水通道。

2.2.1 低粘度化学浆液

配方(1m3水的加量):山东高阳膨润土粉30～35 kg，纯碱1.8 ～2 kg，水解聚丙烯腈18 ～20 kg，太古油6～8 kg，防塌剂20～25 kg。

性能:漏斗粘度22～25 s，pH值＞12，密度1.03～1.07 g/cm3，静切力 1.6 ～2.5 Pa，动切力 1.1 ～1.5 Pa，胶体率100%，流动度＞30 cm，分离度9%。

2.2.2 高粘度化学浆液

配方(1m3水的加量):山东高阳膨润土粉100～120 kg，纯碱6 ～7 kg，聚丙烯腈30 ～35 kg，润滑减阻剂8～10 kg，絮凝剂4～5 kg，聚丙烯酰胺木质粉35 ～45 kg。

性能:漏斗粘度80～120 s，pH值＞12，密度1.2～1.25 g/cm3，静切力10 ～18 Pa，动切力6 ～12 Pa，胶体率100%，失水量3～6 mL/30 min，流动度12～16 cm，分离度0.3%。

2.3 室内实验

针对封堵四含水的特殊要求，以上述配方各配制2000 mL浆液，做了静置实验、高速分离实验、防塌实验和浆液性能恢复实验。

2.3.1 静置实验

主要目的:观察静态下有无水浆分离现象，由浆液形成弱固性的过程和时间。

各取400 mL均分装入4个100 mL的烧杯中，加玻璃盖密封，放入恒温箱中(恒温18℃)，每隔6 h观察样品变化情况，观察浆液有无分离现象。再移去玻璃盖，倒置烧杯，移去烧杯观察样品的形态变化情况。经24 h观察，低粘度和高粘度化学浆液均无水浆分离现象，随着静置时间的增长，浆液渐渐失去流动性。样品形态变化情况见表1。

表1 静置实验结果

2.3.2 高速分离实验

主要目的:浆液受力状况下有无水浆分离现象。

选择医用高速分离机，按上述配方，各取120 mL，各分装入4个试管中，用塑料塞封闭，编号后移入高速分离机保护筒中，转速选择3000 r/min，旋转时间选择5 min，经计算低粘度化学浆液的平均分离度为9%，高粘度化学浆液的平均分离度为0.3%，符合浆液的设计要求。

2.3.3 防塌实验

主要目的:防止注浆过程中塌孔，封闭注浆通道，影响再注浆质量。

取部分易塌地层岩样(泥岩)，粉碎后过200目筛，在烘箱中烘干(105℃，时间3 h)，然后取出放在干燥瓶中冷却至室温。按岩粉与水9∶1的比例混合，放入模具中压制成φ20 mm、长300 mm的圆柱形试样，将试样放入500 mL的烧杯中，加入400 mL泥浆，把搅拌机叶片调至距试样顶部15 mm处，搅拌速度600～700 r/min，连续搅拌8 h，取出试样，测量试样的变化量，经采用“页岩稳定性指数”公式计算，低粘度化学浆液对试样的稳定性指数为76，高粘度化学浆液对试样的稳定性指数为86。

2.3.4 浆液性能恢复实验

按上述高浓度化学浆液配方配制800 mL，放入1000 mL的烧杯中密封静置24 h，搅拌速度设置在1000 r/min，搅拌10 min，测定其密度、粘度、pH 值、静切力、动切力、胶体率、失水量、流动度和分离度等性能，经对比与静置前性能吻合。

2.4 小结

上述室内实验表明，低粘度和高粘度化学浆液具有较好的防塌性能，高粘度化学浆液具有良好的流动性，静置18 h具有一定的强度，随着静置时间的增长强度越高，在外力作用下仍可恢复流动性，是封闭过水通道的优质塑性材料。

3 高浓度化学浆液的实际应用及效果

3.1 矿区地层概况

该矿区第四系覆盖层厚240.56～256.44 m，岩性自上而下为:粉砂质土、细砂、粘土、亚粘土及砂砾层(砾径45～65 mm);风化带岩性为:泥岩，呈层状、碎片状或薄片状;煤系地层岩性多为泥岩、页岩及砂岩。以往钻探施工实践表明，钻进砾石层时，钻速慢，钻压不稳，岩心采取率仅为23%;钻进砂岩时，泥浆消耗量大。但总体而言仍属于易施工地层。

3.2 钻孔的布置与施工

在详细分析地质资料的基础上，沿采煤工作面上方2F5主断层布置01、02、03三个钻孔，孔与孔之间的距离为20 m。钻孔设计及实际施工情况见表2，01号孔结构及止水示意如图1所示。

表2 注浆钻孔设计及施工情况

图1 01号注浆钻孔结构及止水示意图

3.3 连通试验

为确认四含水与采煤工作面水的关系，进一步了解导水通道的实际状态，提高注浆的有效性，选择5%的食盐水，注入孔内，在采煤工作面定时采集样品，经对采集样品的分析，确认了四含水通过断层进入采煤工作面，且连通性好，进水速度快。

3.4 泵站的布置

沿02孔垂直的方向约8 m处布置泵站，浆液池规格为8 m×8 m×1 m，容积为64 m3。设计最大一次性注浆50 m3。

3.5 注浆方法

注浆前先向孔内注入低粘度化学浆液20 m3，进一步导通过水通道，保持通道完整。随后向孔内注入高粘度化学浆液50 m3，泵压稳定在0.8～1.0 MPa，停止注浆24 h，再注浆时，泵压急剧升高至5.0～5.5 MPa，约30 min泵压恢复到0.8～1.0 MPa。泵压急剧变化的原因是孔内高粘度化学浆液失去泵压后，在克服其它压力的情况下趋于静止，逐渐形成网架结构，切力增加形成具有一定强度的帷幕并具有一定的塑性，从而达到隔水的目的，因此造成开泵时泵压急剧升高，随着浆液的流动，网架结构被破坏，泵压逐渐恢复正常，室内实验和实际应用是吻合的。

3.6 注浆止水效果

01 孔注浆149.2 m3，02 孔注浆145.8 m3，03 孔注浆119.2 m3，累计注浆414.2 m3。在注浆过程中，工作面四含水导入量逐渐减少，由原来的最高161 m3/h减少到32 m3/h。随着注浆量的增加和注浆时间的增长，工作面涌水量逐渐降低，7月31日产生一个突变点，涌水量降至27.48 t/h，8、9、10月份工作面涌水量徘徊在40～20 t/h。6～10月份月平均涌水量变化曲线如图2，从图2可以看出工作面涌水量减少的渐变过程，8～10月份工作面涌水量稳定在32 t/h左右，比注浆前降低40 t/h，彰显高分子高浓度化学浆液可自动调节隔水的独特作用，从而获得了最佳的止水效果。恢复了采煤生产，使近200万t煤炭资源恢复开采，达到了注浆的目的，取得了良好的经济效益和社会效益。

图2 平均涌水量随月份变化曲线

4 结语

高浓度化学浆液应用于煤矿水灾治理是钻探施工技术服务煤炭行业新的拓展，也为钻探技术的研究和应用提供了广阔的空间，在实际应用中，虽然取得了很好的注浆止水效果和社会效益，为煤矿水灾治理开拓了新的途径，受到煤炭行业的好评，但由于高浓度化学浆液的室内研究还没有规范的程序和量化标准，而且实际应用偏少，再加上笔者理论和实际实验水平有限，在室内研究和实际应用中还存在许多不足之处，敬请指正，以期高分子化学浆液在以后的生产实践中取得更好的技术效果和社会效益。

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Development of High Concentration Chemical Slurry and the Application Effect

ZHU Xiao-zhong，ZHU Xue-guang(Anhui Institute of Geological Experiment，Hefei Anhui 230001，China)

Because large amount of water in the fourth aquifer of a coal mine in Huaibei，water was introduced into the coalface through F5fault with serious influence to the production.High concentration chemical slurry was developed to solve the problem and restart mining by borehole grouting with good effect.

polymer;high concentration;chemical slurry;water-stoppage by grouting;coal mining

P634. 5;TD74

A

1672－7428(2011)10－0060－03

2011－03－16;

2011－08－30

朱效中(1955－)，男(汉族)，安徽肖县人，安徽省地质实验研究所党委书记、高级工程师，钻探工程专业，从事基础施工和管理工作，安徽省合肥市芜湖路239号，dss1955@sina.com。