煤矿用注浆堵水剂

■沈永毅，徐 尧，刘小燕

■1.大众报业集团，山东 济南 250014;2.济南大学土木建筑学院，山东 济南 250022;3.威海市经济技术开发区建筑设计院，山东 威海 264205

煤矿水害是指在煤矿修建和生产过程中遇到的水的干扰和危害，是最常见的煤矿病害。煤矿水害影响矿山工程施工的进度和质量、造成洞内空气潮湿，恶化工人的劳动环境，影响施工人员身体健康，机械设备锈蚀，绝缘设备失效，电路短路，漏电伤人，增加矿井的排水设施及排水费用、给煤矿生产带来了不安全因素、严重者甚至发生淹井事故、造成生命和财产的重大损失。

注浆是治理水害的有效方法。注浆是将一定量的注浆材料通过注浆压力，沿裂隙流动扩散，当其远离注浆孔，压力梯度降低到临界压力时，浆液流速减小，粘滞性增大，流速很低最后停止流动，堵塞裂隙，浆液内材料与水之间发生化学反应，改变水流流动状态，浆液逐渐凝聚产生强度，最后封堵住水流通道。

国内外开发和使用的注浆堵水材料分为水泥类和化学类材料。水泥类，包括普通水泥、超细水泥、改性水泥和水泥-水玻璃浆液等。化学浆液包括:环氧类、聚氨酯类、丙烯酰胺类、甲基丙烯酸酯类、丙烯酸盐类、水玻璃类等。煤炭行业现所用材料主要有水泥类、水泥水玻璃类和化学高分子聚合物堵水剂类。

1 水泥类浆液

水泥作为注浆材料具有强度高、耐久性好、无毒、材料来源广、价格低廉等优点。它是使用最早、应用最广的注浆材料之一，一般注浆施工优先选用普通水泥。在细裂隙和微孔地层中，其可灌性虽不如化学浆材好，但若采用劈裂灌浆原理，则不少弱透水地层都可用水泥浆进行有效的加固。因此，水泥浆在国内外灌浆工程中一直是用途最广和用量最大的浆材。以水泥为主包括添加一定量的外加剂，用水配制成浆液，采用单液方式注入，这样的浆液称为单液水泥浆。所谓外加剂，系指水泥的早强剂、速凝早强剂、塑化剂、悬浮剂等。

(1)纯水泥浆的主要特点是材料来源广泛，成本较低，无毒性，施工工艺简单，粘度随水灰比而变，凝结时间从数小时到数十小时结石率可达99%，但稳定性差，易沉淀析水，在水流较大的条件下注浆时，浆液易受水的冲刷和稀释，仅适用于静水条件下注浆，固结体为脆性材料，地层运动易产生新水流通道。

(2)超细水泥浆液又叫MC浆液，其平均粒径为4μm。最大粒径为10μm。这个特性使MC浆液能够渗入渗透系数为10-3～10-4cm/s的细砂层和岩石的细裂隙中。超细水泥是以极细的磨细水泥颗粒组成的无机注浆材料，配成浆液有极好的渗透性和耐久性。浆液的凝结时间可以用水玻璃在20s至几分钟的范围内调节，结石体抗压强度可达25MPa，且具有良好的工作环境，无毒，固砂体渗透系数可达1.0×10-6cm/s，适用于堵水工程。但超细水泥在高压水堵水中和水量较大时，虽然凝结时间短，强度上升时间长，粘结力差，易被水流沿裂隙通道冲散，导致堵水失败;材料抗拉、抗剪强度低，经常需要重复注浆堵水。

2 水泥-水玻璃类浆液

水泥浆中加入水玻璃有两个作用，一是作为速凝剂使用，掺量较少，约占水泥重的3% ～5%;另一是作为主材料使用，掺量较多，即是水泥-水玻璃浆液，俗称CS浆液(C代表水泥，S代表水玻璃)。CS浆液克服了水泥浆液凝胶时间长，难以控制，注入地层后易被地下水稀释，无法保持其原有凝胶化性能的缺陷。CS浆液的出现是水泥注浆的大发展，提高了效果，扩大了适用范围。这种浆液不仅具备水泥浆的全部优点，而且兼备化学浆液的某些优越性，例如凝胶时间快，可以从几秒到几十分钟内准确控制，结石率高达95% ～98%，适用于防渗和加固灌浆，在地下水流速较大的地层中，采用这种混合型浆材也可达到快速堵漏的目的。

3 高分子聚合物类

高分子聚合物包含丙烯酰胺类及无毒丙凝、聚氨酯、脲醛树脂、环氧树脂等。

⑴丙烯酰胺类浆材国内称丙凝。丙烯酰胺类浆液的性能主要是指其凝胶时间和抗压强度，它的抗压强度一般来讲是比较低的，改变配方对抗压强度的影响不大，而其凝胶时间则可以控制在几秒到几个小时之间。丙凝浆液及固结体的主要特点为:

①浆液属于真溶液，其粘度与水甚接近，其可灌性非常好，浆液能渗入粒径小于0.01毫米的土层或渗透系数大于10-4cm/s的被灌体。

②浆液从制备到凝结所需的时间，可以在几秒钟到几小时内精确地加以控制。

③浆液的粘度在凝结前维持不变，这就能使浆液在灌浆过程中维持同样的渗入能力。

⑵聚氨酯类浆材是一种防渗和加固效能都很高的高分子化学灌浆材料，它属于聚氨基甲酸酯类的高聚物，是由异氰酸酯和多羟基化合物反应而成。主要性能如下:

①浆液相对密度1.036～1.125，遇水反应，因此不易被地下水冲稀，止水效果好。

②浆液遇水反应时，放出CO2气体，使浆液产生膨胀，向四周渗透扩散，直到反应结束时止。浆液黏度低，可注性能好，工艺设备简单;

③固结体抗压强度高，可作为补强材料;抗渗性能好，渗透系数可达10-8～10-13cm/s。固结体无毒性、耐久性好。

⑶脲醛树脂是由脲素和甲醛缩合而成的高分子聚合物。脲醛树脂浆液有脲醛树脂浆液、脲-甲醛浆液、改性脲醛树脂浆液。脲醛树脂在固化前是一种水溶性树脂，用水配制成水溶液，这种溶液在酸性条件下，在常温、常压下就能迅速固化，并且具有一定的强度。但该材料一般较脆，抗渗性较差，与岩石粘结力不强，且毒性较强，不利于使用。

⑷环氧树脂是一种高分子材料，它具有强度高，粘结力强，收缩率小，化学稳定性好，并能在常温下固化等特点;但它作为灌浆材料则存在一些问题，例如浆液的粘度大，可灌性小，憎水性强，与潮湿裂缝粘结力差等。

总结现有注浆堵水材料，一般水泥—水玻璃类材料价格低，初凝时间可控，凝结后强度高，耐久性好，无毒。但浆液含固体颗粒，对微裂隙渗透能力低，龄期长，虽然初凝时间可控，但强度上升缓慢，在封堵大流量涌水是容易被水流冲散，堵水效果差;固结体为脆性材料，抗拉、抗剪强度低，在煤岩体再次受力变形时会产生新的水流通道，导致注浆体渗漏水;另外水泥浆堵水设备笨重，材料运输量大，工人劳动强度高，不利于井下运输和施工。

目前采用较多的高分子聚合物堵水剂浆液无颗粒，经设备压力和遇水膨胀力能渗透到微裂隙中，凝胶时间可准确控制，强度上升时间短，遇水膨胀后与煤岩体高度粘合，封堵水流通道，适用于各类地质水害的治理;矿用高分子聚合物堵水剂施工时无需施做止浆墙，可现场调节注浆速度防止漏浆，保证注浆堵水效果，减少准备工作量;具有一定的延展性和柔韧性，可防止煤岩体的再次变形运动产生新的裂隙造成渗漏水。

[1]龚晓南.地基处理手册[M].中国建筑工业出版社，2000∶297-354.