注浆技术及其在煤矿安全的应用

摘要：章介绍了煤矿安全中所应用的一门技术—注浆技术。通过对注浆技术的发展历程的了解，分析了注浆技术中注浆泵的工作原理与分类，叙述了注浆技术中注浆施工工艺方法的分类以及注浆方法。最后通过注浆技术在煤矿瓦斯压力测定中的应用来说明其在煤矿中的重要性。

关键词：注浆技术 原理 分类 应用

1802年由法国人用木制冲击泵注入黏土和石灰浆液加固地层，被称为注浆的开始。1862年英国研制发明硅酸盐水泥后，注浆材料发展以水泥浆液为主。1880—1905年，美国人又相继研制了压缩空气和类似目前的压力注浆泵等注浆设备，对注浆材料的配方、注浆泵和注浆工艺做了不少改进，为现在岩层注浆技术奠定了基础。1884年化学浆液在印度问世，并用于建桥固砂工程。从化学注浆开始到20世纪40年代，注浆材料主要是以水玻璃为主，且在欧美各国广泛应用。20世纪40年代后，注浆技术的研究和应用进入一个鼎盛时期，尤其是60年代以来，有机高分子化学浆材得到迅速的发展，各国大力发展和研制化学注浆材料及其注浆技术。随着注浆材料的飞速发展，注浆工艺和注浆设备也得到巨大发展，注浆技术应用工程规模越来越广，几乎涉及到所有的岩土和土木工程领域。

在注浆技术中，注浆泵是注浆施工中最重要的设备之一，注浆泵应有足够的排浆量，泵压应大于量大注浆压力的1/4～1/5倍，以保证注浆工作的顺利进行。

对于高压旋喷注浆，它是通过泵的作用，把低压吸入的浆液或水，以高压排出，从而使喷嘴处液流压力升高。喷嘴处液流压力愈高，喷射流的破坏力愈大，固结体的尺寸也愈大。因此高压旋喷注浆法要求的泵压要比静压注浆大。在高压旋喷注浆中，一般单管法和二重法使用的是高压泥浆泵，而三重管法和多重管法使用的多是高压水泵。

1、静压注浆用泵

YSB-250/120型液力调速注浆泵，是为适应我国当前静压注浆工艺的要求而设计的。泵的调速系统采用了可调式液力变矩器的调速传动装置，由于变矩器功率可调，且具有相对稳定的恒功率运转特性，使泵具备当压力稳定时可无级变速调节流量和压力增高、流量自动降低的特性，从而满足了注浆工艺的要求。YSB型注浆泵，为卧式高压双缸双作用泵，输送介质为水泥-水玻璃液，适合深井地面预注浆或井下高压注浆。

泵的工作机构采用往复泵型式，可承受较高的压力，它由涡轮涡杆、曲柄连杆机构、没块带动拉杆，最后使活塞作往复运动。泵缸采用双缸双作用式，可输送较大的流量。调速机构采用先进的液力变矩器，能够满足注浆过程中大幅度的无级调量要求。传动机构采用涡轮涡杆、曲柄连杆机构，安全可靠，承载力高，整台机器沿轴曲布置，紧凑合理，整体性强。

2、高压旋喷注浆用泵

国内高压水泵种类较多，输送的介质为水、油和乳化液，一般要求工作介质温度不超过55℃。目前在高喷注浆中，常用3XD型、3W-6B、3W-7B等三柱塞泵。

高压喷射注浆施工工艺的施工机具主要由钻机和高压发生设备两大部分组成。多重管的功能，不但可输送高压水，而且还同时将冲下来的土、石抽出地面。喷嘴是直接明显影响喷射质量的主要因素之一。流线形喷嘴的射流特性最好，喷射流的压力脉冲经达流线形状的喷嘴时，不存在反射波，因而使喷嘴具有聚能的效能。但这种喷嘴极难加工，在实际工作中很少采用。喷嘴的内圆锥角的大小对射流的影响也是比较明显的，试验表明；当圆锥角θ为13°~14°时，流量损失很小，喷嘴的流速量值较大。

注浆技术的分类

在注浆技术中，注浆施工工艺的注浆施工方法的分类主要有两种：①按注浆管设置方法的种类分类；②按注浆材料混合方法或灌浆方法的分类。

1、按注浆管设置方法分类

（1）用钻孔方法：主要用于基岩或砂砾层，或已经压实过的地基。这种方法与基他方法相比，具有不使地基土扰动和可使用填塞器等优点，但一般工程费用较高。

（2）用打入方法：当灌浆深度较低时，可用打入方法。即在注浆管顶端安装柱塞，将注浆管或有效注浆管用桩锤或振动机打进地层中的方法。

（3）用灌浆方法：在比较均质的砂层或注浆管打进困难的地层等采用的方法。这种方法利用泥浆泵，设置用水喷射的注浆管，因容易把地基扰动，所以不是理想的方法。

2、按灌注方法分类

(1)一种溶液一个系统的方法：将所有的材料放进同一箱子中，预选做好混合准备，再进行注浆，这适用于凝胶时间较长的浆液。

(2)两种溶液一个系统的方法：将A溶液和B溶液预先分别装在各自准备的不同容器中，分别用泵输送，在注浆管的头部使两种溶液会合。这种在注浆管中混合进行灌注的方法，适用于凝胶较短的浆液。

(3)两种溶液两个系统的方式：将A溶液和B溶液分别准备放在不同的容器中，用不同的泵输送，在注浆管（并列管、双层管）顶端流出的瞬间，两种溶液就汇合而注浆，适用于凝胶时间是瞬间的情况。

注浆方法

1.钻杆注浆施工法，是把注浆用的钻杆（单管），由钻孔钻到所规定的深度后，把注浆材料通过内管送入地层中的一种方法。钻杆注浆法的优点是：与其他注浆法比较，容易操作，施工费用较低。其缺点是：浆液沿钻杆和钻孔的间隙容易往地表喷浆；浆液喷射方向受到限制，即为垂直单一的方向。

2．单过滤管注浆法，是把过滤管先设置在钻好的地层中，并填以砂、管与地层间所产生的间隙（从地表到注浆位置）用填充物（粘性土或注浆材料等）封闭，不使浆液溢出地表。一般从上往下依次进行注浆。每注完一段，用水将管内的砂冲洗出后，重复上述操作。这样逐段往下注浆的方法，比钻杆注浆方法的可靠性高。

3．双层管双栓塞注浆法，是沿着注浆管轴限在一定范围内进行注浆的一种方法。具体地说，就是在注浆管中有两处设有两个栓塞，使注浆材料从栓塞中间向管外渗出。

4．双层管钻杆注浆法，其使用特点为：

（1）注浆时使用凝胶时间非常短的浆液，所以浆液不会向远处流失；

（2）土中的凝胶体容易压密实，可得到强度较高的凝胶体；

（3）由于是双液法，若不能完全混合时，可能出现不凝胶的现象。

注浆技术在煤矿安全中的应用

淮南某矿井田13—1煤层为突出危险煤层，出煤斜巷揭开13—1煤层需采取防突措施，本次实验拟采用煤体注浆加固技术。注浆材料是一种双组分可溶性硅酸盐树脂，适用于稳定煤层和岩层、固化破碎煤层、岩层及采煤工作面。其渗透性极强，可渗透到0.14mm以上宽度的缝隙，在对结构强度和韧性要求较高的条件下具有超快速反应特性。其性能:具有阻燃性(反应最高温度低于100℃)，流动时间1min左右，凝固时间为2min。在注射15而n后粘接强度达到1MPa，半小时后达到3MPa，7d后压缩强度达到30MPa。注浆后改变了围岩的松散结构，提高粘接力和内摩擦角，封闭裂隙阻止水对岩体侵蚀，使岩体强度显著提高。同时具有很好的塑性(弹性)，虽受压力影响可产生塑变，然而却不开裂。可有效封闭巷道表面裂缝，防止氧气扩散到煤体内，也可防止自燃煤层的有害气体如CO渗出。材料性能稳定。石门揭开有瓦斯突出危险的煤层时，在煤岩交界面附近两侧，岩石、煤体的力学性质相差悬殊，这种差异容易产生变形突变(应力不连续)，如果煤体松软、强度低，不能有效抵抗这个高应力的冲击和高瓦斯膨胀作用，就可能发生煤与瓦斯突出。注浆加固防突机理主要体现在增加煤体强度和煤岩交界面的整体性，减少岩体和煤体的差异性。在石门揭开有突出危险煤层现场施工工程中，采用新型化学注浆材料，气动双液注浆泵及相应注浆新工艺有效地防止了煤与瓦斯突出，整个防突工程只用15天即完成，相比常规揭煤防突措施约提前6个月完工，技术经济效益十分显著 。

参考文献：

[1]. 煤炭科学研究院.煤矿灌浆技术.北京:煤炭工业出版社，1978.

[2].郝哲等.注浆理论与应用.北京:地质出版社，2006.