第五章煤礦生產新材料安全工程學院課程內容1注漿材料2高水速凝材料3超高水充填材料第一節(jié)注漿材料一、注漿技術的歷史和發(fā)展

在地下工程施工中，經常會遇到水的威脅和不良地層的影響，嚴重時形成較大的事故，致使工程停滯，造成效大的經濟損失。注漿技術是治理此類地下工程水害和加固軟弱地層的重要技術手段之一，它包括堵水、截流、帳幕、巖土加固技術，廣泛應用于礦山、冶金、水電、鐵路、建筑、石化和某些軍事工程中，尤其是在煤礦的生產建設中應用更為普遍。注漿材料是指具有良好的流動性能，借助泵送設備可滲入到地層裂隙中，在一定時間范圍內能夠凝固并具有一定強度的材料。新華網哈爾濱4月6日電(記者梁冬)記者6日從黑龍江省七臺河市獲悉，經當地安監(jiān)部門初步核實，5日10時許，七臺河市新興區(qū)昌峰煤礦一井發(fā)生一起透水事故，目前已確認2人遇難，搶險救援工作正在緊張進行中。據介紹，事故發(fā)生后，礦主涉嫌瞞報，后經群眾舉報，當地安監(jiān)及公安等部門經走訪調查、咨詢相關當事人，最終認定了該起事故的發(fā)生，并已確認有2人在事故中遇難。目前，事故原因及遇難人數仍在進一步核查中。央廣網大同4月20日消息據中國之聲《新聞縱橫》報道，昨天下午6點50分左右，山西省同煤集團地煤公司姜家灣煤礦發(fā)生透水事故，該礦當班有247人下井，其中223人安全升井，還有24人被困井下。姜家灣煤礦是生產礦井，年生產能力90萬噸第一節(jié)注漿材料一、注漿技術的歷史和發(fā)展注漿材料發(fā)展也很快。第一個采用化學漿液注漿的實例是在1920年，荷蘭礦山技師尤斯登(Joodcn)首先發(fā)明了使用水玻璃—氯化鈣漿液注漿加固地層的方法。

充填注漿固結注漿帷幕注漿堵水水泥漿液化學漿液發(fā)展注漿方法注漿材料注漿工藝注漿范圍注漿設備單液漿雙液漿地面豎井預注漿帷幕注漿堵水井下工作面堵漏單液柱塞雙液比例注漿孔長幾十米成百上千石灰、粘土第一節(jié)注漿材料一、注漿技術的歷史和發(fā)展我國注裝技術的發(fā)展，從注漿法主要以漿材及其應用為標志而言，遠古時期的“女鍋五色石以補蒼天，積蘆灰以止淫水”（《淮南子．覽冥訓》）姑且不論，新石器時代用石灰摻粘土漿來加固地基的史料，也屬后人追記難以肯定。但是，4000多年前的采用石灰漿制作的石灰、砂與粘土等漿液混合成的“三合土”作砌料,長城至今魏然屹立在中華大地上’可謂注漿在中國應用成功的典型。二、注漿技術在我國工程中應用1953年，在黑龍江佳木斯市采用水玻璃進行注漿堵水。1959年6月，三峽巖基專題研究組在北京召幵的長江三峽工程水泥注裝材料研究會上，提出首份‘‘塑化劑對水泥分散穩(wěn)定性的影響報告”。1968年，廣州化學研究所研制出以糠酵-丙酮為稀釋劑的環(huán)氧樹脂化學漿材。1973年，天津大學等單位研究開發(fā)出聚氧酯（即氰凝）化學漿材。1974年，華東勘測設計研究院科學研究所研制出水溶性聚氨醋(HW)漿材。1979年，長江科學院、廣州化學研究所等研制出彈性聚氨酯漿材，成為我國獨創(chuàng)化學漿材之一，并為長江葛洲壩水利樞紐工程的薄層封閉式護坦止水做出重要貢獻。1988年，中鐵遂道集團科研所研制出改性水玻璃漿材，較好地解決了北京地鐵粉細砂層的注漿難題，從而使淺埋暗挖法在北京地鐵大量推廣應用。中國水利水電科學研究院研究出SK-E、中國水利水電基礎工程局科學研究所研制出JS、廣州化學研究所研制出‘‘中華-798”等一批改性環(huán)氧漿材。同時期，成功采用水泥-水玻璃雙液裝對衡廣復線大瑤山隧道F9斷層、軍都山遂道泥石流段進行堵水固結，從此’地下工程注架堵水技術得到了大范圍推廣應用。1996年，中鐵隧道集團科研所針對廣州地鐵楊算-體育西路區(qū)間隧道動水粉細砂層’研究開發(fā)了超細水泥-水玻璃雙液漿，并將其成功應用于該工程的注裝堵水、加固中。1997年，中鐵險道集團科研所針對深圳向西路人行通道工程動水粉細砂層，研究開發(fā)出TSS注裝管材專利產品，并將其成功應用，自此，動水粉細砂層注裝技術基本完善。三、注漿分類預注漿后注漿指在井巷、硐室等地下構筑物開鑿前所進行的注漿工作。煤炭行業(yè)常用的有地面預注漿和工作面預注漿兩種。用預注漿法進行堵水和巖土加固，使事故防患于未然。指在井筒、巷道、硐室等構筑物掘砌以后所進行的注漿工作。常見的后注漿有壁后注漿、深孔圍巖注漿、壁內注漿和裸體巷道注漿。它是煤礦生產建設中最常用的注漿方法之一。1、按注漿工作與井巷、硐室的掘進順序分類注漿分類水泥注漿化學注漿粘土注漿2、按使用的注漿材料進行分類漿液材料以水泥為主，包括添加其他少量的附加劑。漿液材料以粘土為主，包括粘土和水泥漿。注漿材料以化學藥液為主劑。注漿分類3、按漿液進入地層產生的能量方式進行分類靜壓注漿高壓噴射注漿漿液用注漿泵送入，使?jié){液壓入或滲透入受注地層稱為靜壓注漿。利用高壓泵輸送漿液，并通過特殊的噴嘴產生具有巨大能量的噴射流，切削地，與土、砂顆粒攪拌、混合、凝結稱為高壓噴射注漿。注漿分類充填注漿擠壓注漿滲透注漿4、按漿液在地層中運動的方式進行分類用漿液充填大裂隙、洞穴或冒落空間。將漿液均勻地注入巖石的裂隙或砂土孔隙，形成近似球狀或柱狀注漿體，注漿過程中地層結構不受擾動和破壞。也叫劈裂注漿。依靠注漿壓力迫使?jié){液在地層中壓開各種各樣的通道來擠入地層，漿液多呈現脈絡狀或樹枝狀固結，使松軟地層擠壓密，所以在地基加固中也稱之為壓密注漿。置換注漿通過一定的方法把受注地層中的砂、土逼放出來，形成的空間用漿液充填，稱之為置換注漿。此方法多用于立井通過流砂層的注漿施工中。高壓噴射注漿利用高壓噴射流的動能進行注漿。注漿分類5、按注漿工藝流程分類單液注漿雙液注漿用一臺注漿泵和一套輸漿系統(tǒng)完成注漿工作稱為單液注漿應用兩臺注漿泵或一臺雙液注漿泵和兩套輸漿管路同時注漿，兩種漿液在混合器混合后，注入含水巖層或需加固的巖層中，稱為雙液注漿。注漿分類6、按注漿目的分類加固注漿堵水注漿主要是加固松軟地層和破碎帶，如受動壓壓垮型巷道的加固注漿、建筑物地基基礎的加固注漿等。注漿法的分類多種多樣，一般來講各行業(yè)都按習慣劃分，如煤炭行業(yè)多按施工時間進行分類，即預注漿和后注漿。但這樣分類比較粗，不夠具體。在實際應用中常常根據具體的注漿工程再做詳細的區(qū)別，如封堵大面積散水、封堵特大突水、過流砂層、帷幕注漿等，雖然可以包含在預注漿和后注漿之中，但這樣更具體，并且不同的注漿工程都需要一套特定的技術和工藝，更易于區(qū)別。四、注漿材料及其特點以改良地基和巖體為目的，在地基或者巖石中注入的材料稱為注漿材料。此外，在建筑物和地基的界面，如巷道和隧道及井筒的壁后充填堵水等使用的材料也被稱為注漿材料。（二）對注漿材料的一般要求（一）注漿材料定義①漿液粘度低，流動性好，可注性好，能夠進入細小縫隙和粉細砂層；②漿液凝固時間可以在寬域時間內任意調節(jié)，并能人為地加以準確控制；③漿液的穩(wěn)定性好，常溫、常壓下存放一定時間不改變其基本性質，不發(fā)生強烈的化學反應；四、注漿材料及其特點④漿液無毒、無嗅，不污染環(huán)境，對人體無害，屬非易燃、易爆物品；⑤漿液對注漿設備、管路、混凝土建筑物及橡膠制品無腐蝕性，并且容易清洗；⑥漿液固化時，無收縮現象，固化后有一定的粘結性，能牢固地與巖石、混凝土及砂子粘結；⑦漿液結石率高，結石體有一定的抗壓強度和抗拉強度，不龜裂，抗?jié)B性好；⑧結石體應具有良好的耐老化特性和耐久性，能長期耐酸、堿、鹽、生物菌等的腐蝕，并且其溫度、濕度特性與被注體相協調；⑨注漿后材料顆粒應有一定的細度，以滿足注漿效果，但顆粒越細，漿液成本也就越高；⑩漿液配制方便，操作簡單，原材料來源豐富，價格合理，能大規(guī)模使用。五、注漿材料的分類（一）、無機系列注漿材料（1）、單液水泥

以水泥為主包括添加一定量的附加劑，用水配制成漿液，采用單液方式注入，這樣的漿液稱為單液水泥漿。所謂附加劑，系指水泥的速凝劑、早強劑、塑化劑、懸浮劑等。水泥基注漿材料特點：①水泥作為注漿材料，來源豐富，價格低廉；②漿液結石體強度高，抗?jié)B性能好；③采用單液方式注入，工藝及設備簡單，操作方便；④由于水泥是顆粒材料，可注性差，難以注入中細粉砂層及細裂隙巖層；⑤水泥漿液初、終凝時間長，不能準確控制，容易流失，結石率低。（一）無機系列注漿材料（2）、水泥粘土類漿液在單液水泥漿液中，根據施工目的和要求不同，有時需加入一定量的粘土，雖可以將粘土看作水泥的附加劑，但由于粘土的加入量有時比水泥的量還多，故單列為一類，稱為水泥粘土類漿液。水泥粘土類漿液材料特點：①水泥粘土類漿液較單液水泥漿液成本低，流動性好，抗?jié)B性強，結石率高；②水泥粘土類漿液抗壓強度因配方不同有所差異，一般情況為5～10Mpa，相比單液水泥漿有所下降，只適用于充填注漿；③漿液材料來源豐富，價格低廉，采用單液注入工藝，設備簡單，操作方便；④漿液無毒性，對地下水和環(huán)境無污染，較之使用化學藥劑為添加劑的漿液更安全。（一）無機系列注漿材料（3）、可控域粘土固化漿液可控域粘土固化漿液是以粘土為主劑加入一定量的添加固化劑而成的漿液，由于對粘土的要求低，一般都就地取材，因此具有漿液成本低、來源廣、應用范圍大等特點。?？煽赜蛘惩凉袒瘽{液的特點：①漿液以粘土為主要成分，占80～85%，粘土可就地取材，漿液成本低，相當于水泥漿液的1/3左右；②漿液具有高分散性和高可控流動性，且其結石不收縮，堵水率可達90%以上；③漿液可泵性好，擴散半徑可控，這樣就大大降低了注漿鉆孔費用，避免了漿液流失；④漿液具有抗水稀釋性、流變可控制等特點，因而它能在動水狀態(tài)下（甚至高速流水）以及大溶洞條件下進行注漿，可避免水泥漿液在此狀態(tài)下無法避免的漿液損耗；⑤漿液結石體塑性強度高（一般可達0.1～2Mpa），化學穩(wěn)定性好，具有良好的抗震性和化學侵蝕能力。（一）無機系列注漿材料（4）、水泥一水玻璃類漿液以水泥和水玻璃為主劑，兩者按一定的比例采用雙液方式注入，必要時加入附加劑所形成的注漿材料。水泥一水玻璃類漿液，是一種用途極其廣泛、使用效果良好的注漿材料。水泥一水玻璃漿液的特點：①漿液可控性好，凝膠時間可準確控制在幾秒到幾十分鐘的范圍內；②漿液結石體強度高，可達10～20Mpa；③漿液的結石率高，可達100%；④結石體的滲透系數小，為10-3cm/s；⑤該漿液適宜于0.2mm以上裂隙及1mm以上粒徑的砂層使用；⑥材料來源豐富，價格便宜，漿液對地下水和環(huán)境無污染。（一）無機系列注漿材料（5）、水玻璃類漿液水玻璃類漿液是指水玻璃在固化劑作用下產生凝膠的一種注漿材料。常用水玻璃漿液（1）水玻璃一氯化鈣漿液（2）水玻璃一鋁酸鈉漿液（3）水玻璃一硅氟酸漿液（4）其他類水玻璃漿液（二）有機系列注漿材料丙烯酰胺類漿液有機注漿材料木質素類漿液化學漿液單體毒性漿液粘度小凝膠時間可控凝膠體抗?jié)B性能好凝膠體抗壓強度低紙漿廢液一重鉻酸鈉漿液紙漿廢液一三氯化鐵一重鉻酸鈉漿液紙漿廢液一鋁鹽及銅鹽一重鉻酸鈉漿液硼砂鉻木質素漿液鉻木質素漿液硫木質素漿液脲醛樹脂類漿液脲醛樹脂漿液尿素一甲醛漿液改性脲醛樹脂液聚氨酯類漿液其他有機類漿液聚氨酯類漿液（1）非水溶性聚氨酯漿液非水溶性聚氨酯漿液是由多異氰酸酯和多羥基化合物聚合而成，當該漿液制備時可分為“一步法”和“二步法”兩種。“一步法”就是在灌漿時，將主劑的組分和外加劑直接一次混合成漿液。“二步法”又稱預聚法，是把主劑先合成為聚氨酯的低聚物（預聚體），然后，再把預聚體和外加劑按需要配成漿液，這樣可以緩和反應，減少放熱，便于控制膠凝時間。聚氨酯類漿液（2）非水溶性聚氨酯漿液非水溶性漿液的特點①漿液是非水溶性的，遇水開始反應，因此不易被地下水沖稀或沖失；②漿液遇水反應時發(fā)泡膨脹，進行二次滲透，擴散均勻，注漿效果好；③結石體抗壓強度高；④采用單液系統(tǒng)注漿，工藝設備簡單。聚氨酯類漿液（3）水溶性聚氨酯漿液水溶性漿液的特點①漿液能均勻地分散或溶解在大量水中，凝膠后形成包有水的彈性體；②結石體的抗?jié)B透性能好，一般在10-6～10-8cm/s之間；③漿液的凝膠時間可以根據催化劑或緩沖劑的用量在數秒到數十分鐘之間調節(jié)。煤礦常用注漿材料及應用范圍1、巖層注漿加固目的：煤礦巷道注漿加固的目的是提高破碎圍巖的強度與整體性，改善其力學性能，提高破碎煤巖體在采掘過程中的穩(wěn)定性，控制圍巖變形與破壞，避免和減少破碎圍巖造成的冒頂、片幫事故。分類：圍巖性質永久加固短期臨時加固井筒、大巷、專用硐室加固掘進工作面過構造區(qū)高應力區(qū)加固，回采工作面兩端頭、三角煤加固、回采巷道、工作面開切眼及回撤通道加固等煤礦常用注漿材料及應用范圍分類巖裂隙類型裂隙型破碎圍巖加固和疏松型軟圍巖裂隙成因原生裂隙破碎型弱破碎圍巖加固采掘動壓應力變化破壞型圍巖加固錨注加固巷道修復煤礦常用注漿材料及應用范圍(1)注漿提高巷道圍巖結構面的強度和剛度。作用(2)充填壓密裂隙。(3)注漿封閉水源、隔絕空氣。(4）注漿加固改善支護體受力狀態(tài)煤礦常用注漿材料及應用范圍(1)XX礦采動影響巷道圍巖注漿加固。應用實例(2)XX東翼大巷壁厚注漿加固。(3)XX礦九采回風石門斷層破碎帶注漿加固。文本文本煤礦常用注漿材料及應用范圍2、井下冒落空間充填充填前充填后文本文本煤礦常用注漿材料及應用范圍2、井下冒落空間充填文本文本煤礦常用注漿材料及應用范圍3、堵水注漿注漿堵水是以注漿泵為動力源，利用泵的壓力把配置好的具有充塞膠結性能的漿液，通過注漿孔注入含水巖層中，漿液以充填或滲透等形式驅走巖石裂隙或孔隙中的水，達到封堵裂隙隔絕水源的目的，從而起到永久堵水的作用，確保工程施工質量。煤礦常用注漿材料及應用范圍3、堵水注漿分類井筒注漿帷幕注漿巷道封堵注漿突水構造注漿突水水源封堵注漿注漿截留煤礦常用注漿材料及應用范圍3、堵水注漿應用案例東榮X礦井底車場回風巷道堵水注漿工程山西鐵峰煤業(yè)XX礦8#皮帶大巷綜合防治水技術XX煤礦西大巷擋水墻注漿密閉工程雞西某煤礦井筒流砂層注漿堵水工程煤礦常用注漿材料及應用范圍4、注漿防滅火注漿防滅火即將不燃性注漿原料（粘土、粉煤灰、矸石以及啥等固體材料）細?；笈c水按一定配比制成懸浮液，利用靜壓或動壓，經由鉆孔或輸漿管水力輸送至礦井防滅火區(qū)，以阻止煤炭氧化或撲滅自燃的煤體。應用：東榮X礦矸石山注漿滅火工程煤礦常用注漿材料及應用范圍5、其他應用注漿封孔瓦斯抽采鉆孔水力壓裂鉆孔深孔松動爆破鉆孔超前探放水鉆孔煤層帷幕本煤層瓦斯抽采卸壓帶帷幕注漿以一定壓力將封孔材料壓入鉆孔周圍裂隙，提高封孔效果。第二節(jié)高水速凝材料高水速凝材料指在水灰比大于或等于1.5:1的高水灰比條件下，能夠快速凝結，全部固化的一類用于沿空留巷巷旁充填和圍巖注漿工程的膠結材料，也叫高水充填材料。高水速凝材料用于沿空留巷巷旁充填，充填體現場澆筑，充填體從煤層底板到頂板是一密實的整體，具有增阻速度快、支撐能力大、密閉性能好、機械化程度高等一系列優(yōu)點，是沿空留巷巷旁支護技術的發(fā)展方向之一。主要應用于采空區(qū)充填、巷旁充填等。43（一）沿空留巷技術優(yōu)勢提高采出率沿空留巷技術可以提高采出率10%以上。采掘銜接緊張

可以降低巷道掘進率30%以上，緩解采掘接替。突出礦井

不需要重掘巷道，減少鉆探工作量，大大緩解采掘銜接緊張問題。瓦斯治理及防滅火

實現Y型通風，徹底治理隅角瓦斯問題；解決好充填體較煤柱密實接頂，減少空區(qū)漏風，有利于采空區(qū)防火。通過綜合分析，沿空留巷可以解決以下問題：

高水沿空留巷技術

高水沿空留巷技術

大型自移式充填支架控制圍巖“大型自移式充填支架”使充填區(qū)域圍巖得到有效控制，更安全可靠；不受采面支架制約，相互配合更靈活；方便充填袋的架設；延長了充填體有效保護時間；能適應高產大采高綜采工作面沿空留巷要求。

高水沿空留巷技術充填支架地面實照充填支架井下實照采空側充填支架井下實照巷道側46泵站、管路及充填點等相互位置平面布置示意圖某礦高水速凝材料巷旁充填系統(tǒng)皮帶下山軌道下山混合器6高水沿空留巷技術47泵站、管路及充填點等相互位置平面布置示意圖某礦高水速凝材料巷旁充填系統(tǒng)皮帶下山軌道下山混合器

高水沿空留巷技術48①充填袋架設架設模板，吊掛好充填袋，完成充填前準備工作。充填點工藝步驟②充填過程監(jiān)控對充填過程中出現的問題進行處理，并與泵站保持溝通。③充填點結束當充填工作結束后，對充填點進行梳理，做好交接工作。

高水沿空留巷技術49井下留巷效果實照留巷一年后效果實照

高水沿空留巷技術50井