高压注浆泵对导水裂隙的封堵方案研究

常建军

（山西宁武大运华盛老窑沟煤业有限公司， 山西 宁武 036700）

引言

注浆技术对于煤炭底板水害的防治工作具有显著的保障作用，可有效提高煤矿对不利地质构造所引起的冒顶和突水事故。而注浆泵的选择、注浆量的计算和选用是注浆技术的关键[1-2]。通过注浆泵的注浆封堵可以有效填充煤巷裂隙，对隔水层进行保护，增加隔水层厚度和煤层抗压强度，从而提高煤炭生产的安全性。但由于注浆系统较为复杂，需要动用较大的人力和物力，所以在施工初期需要对注浆设备的注浆能力、注浆位置、注浆量的大小进行计算。

1 老窑沟煤矿工作面概况

老窑沟煤矿井田内奥灰水位较高，导致2、5 号煤层部分区域处于带压开采区，因此在进行采掘活动之前，需要在井下建造临时注浆系统，对钻探探查到的断层、裂隙密集带等导水构造进行注浆治理。本次工程的主要目的在于加固502 机轨合一下山底板隔水层薄弱带，预加固顶板破碎带，预防回采中发生奥灰水突出，为矿井安全提供保障。

2 注浆泵的选择

以往老窑沟煤矿所采用的注浆泵为330 型隔爆注浆泵，在使用过程中具有操作简单、注浆均匀的优点，但由于该设备整机故障率较高，存在变速箱、花键套、封圈阀门等零部件容易损坏的特点，注浆过程中经常需要对密封圈进行更换，难以保持注浆作业得到稳定进行，维护工作量大。并且该设备体积较大，搬运需要较多的人力和物力，无形中增加了井下人员的作业劳动强度。

因此，老窑沟煤矿选择2ZGZ-120/105 型高压注浆泵作为本次注浆的主要设备，其结构见图1，主要包括变速把手、离合器把手、排浆接头、安全阀等零部件。该泵压力可实现自动、手动的双重设置，利用不同压力的转换使浆体凝固，将水泥浆输送至煤岩层，通过对顶底板裂隙和灰岩裂隙的渗透达到加固煤层、增加隔水层厚度的的作用。该注浆泵为高压泵，为便于零部件的清洗和更换，油（浆）缸内的柱塞、柱塞密封圈、柱塞杆等都采用可拆卸式连接而成。另外，对设备提高了抗震、抗冲的保护，压力表可实时对液压系统的运行情况进行监测。同时设备体积较小，设备底部采用轮式设计，搬运安全、轻便，减少工人的劳动强度。

图1 2ZGZ-120/105 型高压注浆泵结构示意图

3 导水通道的注浆封堵

老窑沟矿在矿井生产时，将对导水裂隙、构造和导水旧钻孔采用2ZGZ-120/105 型高压注浆泵进行注浆堵水。根据探查资料显示，目前地质构造以断层为主，因此，本次封堵方案将以断层的突水封堵为主。对断层突水的注浆方法主要有两种：对导水断裂构造区域进行封堵，将钻孔打至断裂构造导水通道带，然后进行注浆[3]；对揭露断层巷道进行封堵，此方法主要适用于当突水断裂构造发育地点不明确时，先通过往巷道中填充砂石，然后再注浆加固，从而起到隔离突水点的作用[4]。

3.1 钻场及钻孔的布设

钻场采用锚喷联合支护，其施工地点应尽量选择在岩体的完整区域，为便于排水，钻场底部至少应与巷道底部水平甚至高出。浆液的扩散半径是决定钻孔布置的主要原因，根据老窑沟矿以往经验，决定设定浆液扩散半径为25 m，即注浆加固与改造范围内钻孔终孔位置的间距需在50 m 以内，见下页图2。

图2 导水断裂构造封堵施工示意图

3.2 注浆站工作方案的制订

老窑沟矿本次注浆将主要围绕502 机轨合一下山底板隔水层薄弱带进行加固。

3.2.1 注浆流程

将吸浆管和吸水管拧紧牢固后分别置入水泥浆和水储浆桶内，按照产品比例进行浆液的调配，一般情况可用单液水泥浆进行浇筑，当遇到大量扩散时采用水泥+水玻璃双液浆交替灌注[5-6]。

注浆方法采用分段下行式注浆法，孔口止浆的方式，注浆过程可以按实际情况连续与间歇相结合。注浆中需注意：注浆作业前利用高压清水将裂隙贯通，使裂隙处于较高的可注性，并通过注水测定钻孔内的水压、涌水量和浆体配比参数；浆体配比完成后，再通过注浆泵注入。在此过程中，将对压力表进行实时监测，直到注浆结束后在关闭进浆阀门打开泄浆阀；注浆完毕后，需用清水对注浆管路进行冲洗，待钻孔稳定后再进行注浆系统的拆除工作，没有破损的水泥浆管和吸水玻璃管需及时回收并做好标记，防止混用[7-8]。

3.2.2 注浆管路

注浆管路为6.67 cm（2 寸）不锈钢注浆管两趟，通过高压法兰盘连接，单趟管路长400 m。

3.2.3 注浆材料

注浆的原材料以水泥、水、早强剂、三乙醇胺、水玻璃风成分，水泥浆选用不易受潮的硅酸盐水泥，水质中ω（SO2）的含量应<1%，pH 值>4。经过配比后的水泥单液浆主要用于裂隙、小型岩溶且钻孔水量小于50 m3/h 的受注层段，水灰比控制在1∶（1～3）之间，大水钻孔后期阶段也可部分采用。

3.2.4 注浆总压

注浆压力的高低直接决定了注浆液的扩散距离和有效充填范围，若压力设定过低，会致使浆液漏注，无法达到既定的扩散区域；压力设定，过高则有可能对浆液产生较大的冲击，扩散至其他裂隙通道，产生新的裂隙。通常而言，注浆总压由孔内浆柱自重压力和注浆泵所产生的压力相加而成，根据老窑沟矿以往注浆经验，注浆总压应大于受注含水层最大静水压力的3 倍以上，设计设定为3.5~6 MPa。

3.2.5 单孔注浆效果

在钻孔注浆结束后，对注浆效果进行检测，通常选用压水进行试验。压水试验通过在钻孔内高压注水进行的岩体原位的渗透作用，从而测定2、5 号煤底板岩石的透水率。最后根据岩石的渗透性对注浆效果进行定型的分析，如果发现裂隙发育水量较大时要进行补注浆作业。

3.3 注浆量

本工程注浆总量84.5 t，注浆孔口压力介于3.5~6 MPa，各个钻孔注浆量见表1。根据钻探信息分析，注浆量大小与孔口压力没有明显的相关性。钻孔主要揭露岩性以泥岩、煤为主，少量砂岩，涌水点主要发生在砂岩段，薄层砂岩裂隙发育弱，且上下有泥岩隔水层，垂向水力联系弱，故钻孔吃浆量一般不大，局部受构造影响的破碎带，钻孔注浆量较大[9]。

表1 单孔注浆量统计

4 结语

2ZGZ-120/105 型高压注浆泵是一种搬运方便、结构操作简单的矿用注浆设备。对于老窑沟矿2、5 号煤层开采无法避开的导水通道，采用水泥注浆封堵的方法进行防治。502 机轨合一下山底板隔水层薄弱带注浆工程共计注浆84.5 t，减轻了排水负担，实现了隔水层厚度的增加，并较之前的设备减少了人力和物力的浪费。