水灾防治(第6章)

矿井水灾防治第六章

煤矿注浆堵水技术简介第一节

注浆技术的发展、现状与研究方向第六章煤矿注浆堵水技术简介

第一节注浆技术的发展、现状与研究方向又称为灌浆（Grouting），它是将一定材料配制成浆液，用压送设备将其灌入地层缝隙内使其扩散、胶凝或固化，以达到加固地层或防渗堵漏的目的。从而改善受注地层的水文地质或工程地质条件。注浆（InjectionGrout）注浆技术起源于地下工程的特殊需要。1802年，法国人查理斯·贝里格尼在修理第厄普冲刷闸时，用木制冲击筒装置，人工锤击方法向地层挤压将石灰和粘土浆液加固迪普港的砖石砌体，开始了注浆施工。1824年，英国的约瑟夫·阿斯普丁研制成功硅酸盐水泥后，一些国家开始以水泥为主要注浆材料，将注浆技术应用于建筑基础、水坝和矿山工程中。1845年，美国沃森在一个溢洪道陡槽基础下灌注水泥砂浆。1864年，阿里因普瑞贝硬煤矿的一个井筒第一次使用了水泥注浆法，以后又相继在比利时、法国和德国使用了这种方法。1885年蒂金斯成功采用地面预注浆方法开凿井筒，并取得了专利权。从此，注浆技术作为矿山工程、建筑工程中防水、加固的重要手段，先后在英国、法国、南非、美国、日本以及前苏联等国家得到了广泛的应用。1884年，英国的豪斯古德在印度建桥时首次使用化学注浆并获得成功。1887年，德国切撤尔斯基发明了硅化法并获得专利。1909年，比利时人勒马尔塔蒙特提出了双液单系统的一次压注法并获得专利。荷兰采矿工程师尤斯登在1920年首次论证了化学注浆的可靠性，并创造了水玻璃－氯化钙双液双系统两次压注法，开始了化学注浆的历史。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第一节注浆技术的发展、现状与研究方向上世纪50年代以后，欧美及日本等国家开展注浆材料研究，美国研制了粘度接近水、凝胶时间可任意调节的丙烯酰胺浆液（AM—9），接着各国分别研制出了木质素类、脲醛树脂类、酚醛树脂类、呋喃树脂类、丙烯酸盐类、聚氨脂类、环氧树脂类、不饱和聚酯树脂等性能各异的注浆材料。另一方面，注浆材料向超细水泥方向发展，逐步替代化学浆材，减小对环境污染和降低工程造价。砂、土层的化学注浆防渗加固技术逐步被20世纪70年代以后开发的高压喷射注浆法所取代；高压喷射注浆技术由单管（CCP法），逐步发展为二管（双介质）和三管（三介质：水、气、浆）。我国20世纪50年代初在煤炭、水电、铁路等行业中，利用注浆法治理水害，才填补了旧中国在注浆技术方面的空白。20世纪60年代以后，煤炭行业的注浆技术得到快速发展。注浆材料由单液水泥浆发展到CS双浆，即水泥─水玻璃浆液。1964年我国研制成功MG—646新型化学浆液，1967年研制成功水泥一水玻璃双液注浆法，70年代研制成功聚氨酯化学注浆材料。近年来又开发了以粘土为主剂的CL─C型粘土水泥浆，降低了注浆成本。注浆材料的发展，促进了注浆设备和机具的研制，相继出现了一系列高性能专用注浆泵，高精度的陀螺定向测斜仪，高效的冻注钻机，KWS型止浆塞等。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第一节注浆技术的发展、现状与研究方向注浆方法分类；1．按注浆材料的不同分类：化学注浆、水泥注浆、粘土类注浆2．按浆液的混合方式分类：单液单系统法、双液单系统法同步注入型双液双系统法、交替注入双液双系统法3．按注浆的施工时间分类：预注浆、后注浆。4．按注浆的目的不同分类：加固注浆、堵水防渗注浆、置换注浆5．按浆液的渗透方式为类：充填注浆、渗透注浆、挤密注浆和劈裂注浆6．按注浆管形式进行分类：钻杆法、花管法、双层管双栓塞法、同步注入法、高压喷射搅拌法第六章煤矿注浆堵水技术简介

第一节注浆技术的发展、现状与研究方向

注浆效果检测是评价注浆工程的主要手段，国内外关于注浆效果的检测大体上通过取样试验和现场检测进行（表6-1）。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第一节注浆技术的发展、现状与研究方向检测种类检测内容检测方法取样试验固结体强度抗压试验固结体渗透性渗透试验注浆范围声波探测固结体密度γ射线密度计现场检测围岩变形量表面位移及深部位移观测围岩渗水量设点观测围岩单位时间渗水量堵水防渗效果钻孔压水试验第二节注浆基本理论注浆理论是研究浆液在岩土空隙中的流动规律，揭示地质条件、浆材性质和工艺技术之间的相互关系，为注浆设计和现场施工提供理论依据。注浆理论研究，由于岩土层的各向异性，浆液在岩土层中运动状态很难控制，推导出的公式与实际会有较大出入，需要不断归纳、总结，修正，使其更加符合实际。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论一、注浆机理注浆机理概括起来有五个基本机理组成：渗透注浆压密注浆劈裂注浆电化学注浆高压喷射注浆广义地说注浆法是指一切使浆液与地层发生填充、置换、挤密等物理和化学变化的地层处理方法。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论（一）渗透注浆在注浆压力作用下，浆液克服各种阻力而渗入岩土的孔隙、裂隙，使岩土孔隙、裂隙中存在的气体和水被排挤出去，浆液充填孔隙或裂隙，形成较为密实的固化体，从而使地层的渗透性减小，强度得到提高。注浆压力越大，吸浆量及浆液扩散距离就越大。这种理论假定，在注浆过程中地层结构不受扰动和破坏，所用的注浆压力相对较小。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论（二）压密注浆通过钻孔向土层中压入浓浆，随着土体的压密和浆液的挤入，将在压浆点周围形成灯泡形空间的浆泡，通过浆泡挤压邻近的土体，使土体被压密，承载力得到提高，并因浆液的挤压作用而产生辐射状上抬力，从而引起地层局部隆起，许多工程利用这一原理纠正了地面建筑物的不均匀沉降。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论（三）劈裂注浆在注浆压力作用下利用液体传压的特性，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起岩石或土体结构的破坏和扰动，使地层中原有的孔隙或裂隙扩张，或形成新的裂缝或孔隙，从而使低透水性地层的可注性和浆液扩散距离增大。这种注浆所用的注浆压力相对较高。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论（四）电化学注浆当在岩土内产生电场后，就在岩土中引起电渗、电泳和离子交换等作用，并通过钻孔－电极往岩土内注入浆液－电解液时，在孔隙性岩土内产生注浆压力作用、电动力学、电化学和构造形成过程，结果在岩土空隙内积聚了化合物，从而达到隔水作用。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论（五）高压喷射注浆利用钻机钻进到设计深度后，经钻杆和钻头上的特殊喷嘴将浆液高速喷出，以射流切削，搅动土体，使浆-土拌合，同时钻杆边旋转边提升，浆液凝固后形成柱状固结体，达到加固土层和止水防渗作用。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论二、注浆定理根据注浆机理和注浆工艺的不同，可以概括为如下10个注浆定理。（一）尺寸效应定理（二）流变效应定理（三）时间依赖性定理（四）偏流效应定理（五）劈裂定向定理（六）劈裂判别定理（七）液流极限定理（八）耦合定理（九）吸渗反应定理（十）能量耗散定理第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论（一）尺寸效应定理对于渗透注浆，浆材颗粒尺寸必须小于被注介质空隙的尺寸，即必须满足浆材对空隙的尺寸效应。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论（二）流变效应定理浆液按其流变性可分为：牛顿（Newton）流体牛顿型浆液的流动性只取决于其粘度μg；非牛顿流体（主要是Bigham体）。非牛顿型浆液的流动性则同时取决于屈服强度τ和粘度μg两个参数。真溶液化学浆液则只受流变效应控制。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论（三）时间依赖性定理在注浆过程中，大多数浆液的粘度和屈服强度都会随时间而增加，这会使浆液的流动性变坏。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论（四）偏流效应定理裂隙交叉对水流的影响效应使裂隙水交叉流具有三个水力特性：偏向、裂隙的两方向α与β上水流阻力效应不等、偏流。因此，不能将裂隙岩体看成为单个裂隙的集合，而应看成是单个交叉裂隙的集合。偏流效应有可能使注浆设计中对浆液渗流状态的预测和控制与实际不尽符合。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论（五）劈裂定向定理劈裂注浆时，劈裂现象首先发生在岩土体中垂直于小主应力的平面上或沿岩体内部各种弱面上或者大致与钻孔正交的裂隙组。浆液劈裂流动面总是发生在阻力最小的应力面上，由于正常固结及欠固结地层的主应力是水平应力，因此初始劈裂面应该是垂直的。进一步增大注浆压力后，则水平应力转化为被动压力状态。这时最大主应力为水平向，裂隙面也由垂直转化为水平向。在均质岩土体中主要产生径向裂隙，在层状岩土体中主要产生水平裂隙。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论用数值法、Q=f（p）曲线法来表示岩（土）层中发生水力劈裂的条件和判别其性质。数值法——从钻孔压水试验分析，可区分三类情况：当流量与水头呈线性关系时，水在裂隙中呈层流状态，岩（土）体中未发生水力劈裂；流量与水头呈平方根函数时，渗流呈紊流状态，可能裂隙中发生了阻塞或裂隙中充填料被压密；当流量的增长高于水流的增长时，表明渗流断面已被扩大，此系由于土体劈裂、裂隙充填物冲走或裂隙变形等原因所导致。（六）劈裂判别定理第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论（七）液流极限定理具有抗剪强度的非牛顿液体浆液在以一定的注浆压力向地层中注入时，若渗透区域中产生的剪切阻力与注浆压力平衡，则浆液就停止流动。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论（八）耦合定理在整个注浆系统的协调迭代中，全系统的最优化不一定要求各子系统全部最优化，但各子系统的最优解必须满足耦合方程。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论（九）吸渗反应定理化学浆液对低渗透介质的渗透，主要不是由于注浆压力的压渗作用，而是由于浆液对岩土的润湿能力和亲和力造成的。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论（十）能量耗散定理在岩土的劈裂注浆中，由于浆液在摩擦过程中的能量耗散，只有部分能量参与岩土体劈裂过程。岩土颗粒之间以及裂隙之间相互滑动引起的能量耗散既与振幅有关，亦与频率有关。因此，注浆速率和注浆压力在劈裂过程中是一对同等重要的参数。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论三、岩土注浆理论基础渗透注浆是浆液压渗到土壤的孔隙和岩体的裂隙中并扩散到足够远的地方。岩土介质的可注浆性就是研究岩土介质能否让何种浆液渗入其孔隙和裂隙的可能性，它既取决于岩土介质的渗透性，又取决于浆液的粒度和流变性，还与渗径结构有关。化学浆液理论上可以进入任意小的孔隙，但实际上，如果被注地层的孔隙很小，浆液的粘度很大，浆液在孔隙内流动速度将会很慢，扩散的范围很小，甚止注不进去。颗粒悬浊型浆液，当浆材颗粒直径大于土颗粒间孔隙有效直径或岩层裂隙宽度时，在注入过程，浆液中粗颗粒在注浆管口附近或岩缝口形成滤层，使其他较小的颗粒无法进入地层。一般岩土介质可注性理论主要研究渗透注浆的岩土介质渗透几何参数与浆液粒度的比值满足的基本条件。可注性取决于岩土体的可劈裂性和浆液的流动性。（一）浆液的可注性

（二）浆液的流变性第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论四、渗透注浆理论渗透型注浆取决于三个基本要素：浆液流变学特性渗流流线特性浆液扩散形状基本要素不同，就有不同的基本方程。它们三者的相互结合，产生了各种注浆理论模式和计算公式，同时各自适用于特定的情况。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论五、压密注浆理论压密注浆的浆液极稠，浆液在土体中运动是挤走周围的土，起置换作用，而不向土内渗透。压密注浆的注浆压力对土体产生挤压作用，只使浆体周围土体发生塑性变形，远区土体发生弹性变形，而不使土体发生水力劈裂，这是压密注浆与劈裂注浆的根本区别之点。压密注浆过程中，刚开始注浆，当浆泡的直径和体积较小时，注浆压力基本上沿钻孔的径向即水平向扩展。随着浆泡尺寸的逐渐增大，便产生较大的上抬力而使地面抬动时，能使下沉的建筑物回升到相当精确的范围。压密注浆是用浓浆置换和压密土的过程。注浆压力的大小是控制压密注浆效果的主要因素。图6-5压密注浆原理示意图浆泡水泥浆封闭第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论六、劈裂注浆理论劈裂注浆的全过程从力学上说有两方面的机制：1）浆液传导作用，即浆液顺着裂隙及土体颗粒间隙流动充填，使土体的密度和压力都增加，这是一组传导方程控制的过程。2）高压注浆的效果，还表现为裂隙的张开，压力能量的耗散及裂隙的压力残存，这是一组能量方程控制的过程。在裂隙岩石中注浆时，控制水力劈裂发生和发展的主要因素为岩体中已经存在的软弱构造，目前所用的注浆工艺不太可能引起新鲜岩体的劈裂。现场研究结果也证明，注浆过程中观测到的地面上抬，主要来自原有节理裂隙的扩张，而且多数水泥浆劈裂缝都不受主应力方向的控制，而取决于裂隙和软弱夹泥的存在及其产状。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论六、劈裂注浆理论劈裂性质的判别在工程实践中，为了预先了解岩层发生水力劈裂的条件和性质，常用钻孔压水试验资料进行分析判断，常用的方法有以下几种。

第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论试段号第一次试验第二次试验比值流态分类水头P1/m流量Q1/（L/min·m-1）P2Q2Q2/Q1P2/P1（P2/P1）1/2187.720.20137.720.301.501.571.25A250.001.09100.002.202.0121.41350.000.17100.000.321.8821.41457.501.60107.502.401.501.871.37B550.002.1280.002.631.251.61.26650.000.76100.001.081.4221.41782.303.00132.306.902.301.601.25C872.900.30122.900.602.001.681.29977.900.30127.900.602.001.641.28六、劈裂注浆理论第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论①图6-10a中P与Q呈直线关系，岩层未发生水力劈裂；②图6-10b中的流量随压力不可逆地增大，岩层裂隙发生了冲刷或塑性变形等；③图6-10c中流量的增大是可逆的，岩层裂隙发生了弹性变形；④图6-11a曲线表明岩层裂隙发生较快的冲蚀；⑤图6-11b曲线表明岩层裂隙发生缓慢的冲蚀；⑥图6-11c曲线表明岩层裂隙发生了颗粒堵塞。图6-10几种典型的压水试验曲线（a）PPPQQQ（b）（c）图6-11有填料裂隙的压水试验曲线QPQPQP（c）（b）（a）七、裂隙岩体的注浆理论裂隙岩体内存在大量的节理裂隙，尤其是多次构造作用形成的节理分布相当复杂。研究浆液在岩体裂隙内流动规律就更复杂。目前，只能利用裂隙岩体的一些渗流模型，研究浆液在较为简单的裂隙模型内流动规律。现有的注浆公式只限于水平单一裂隙或一组裂隙内浆液的流动。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论八、电化学注浆理论电化学注浆是指在施工时将带孔的注浆管作为阳极，滤水管作为阴极，将溶液由阳极压入岩土中，并通过直流电，在电渗作用下，孔隙水由阳极流向阴极，促使通电区域中岩土的含水量降低，并形成渗浆通路，化学浆液也随之流入岩土的孔隙中，并在岩土中硬结。因而电化学注浆是在电渗排水和注浆法的基础上发展起来的一种加固方法。该法最大特点在于它可消除孔隙岩层段的残留涌水，且使浆液定向扩散。但由于电渗排水的作用，可能会引起邻近既有建筑物基础的附加下沉，应予慎重对待。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论九、高压喷射注浆理论高压喷射注浆（简称高喷法或旋喷法）是在注浆法的基础上发展并引入高压水射流技术所产生的一种新型注浆法。采用钻机先钻进至预定深度后，由钻杆一端安装的特殊喷嘴把某种浆液或水以高压流的形式从喷嘴里射出，冲击破坏土体，高压流切割搅碎的土层，呈颗粒状分散，一部分被浆液和水带出钻孔，另一部分则与浆液搅拌混合，随着浆液的凝固，组成具有一定强度和抗渗能力的固结体。固结体的形状取决于喷射流的方向。当喷射流以360°回转，且喷射流由下而上地提升时，固结体的截面形状为圆形，称为旋喷；而当喷流的方向固定不变时，固结体的形状如板状或壁状，称为定喷。当喷射流在一定的角度范围内来回摆动时，就会形成扇形或楔形的固结体，称为摆喷。定喷和摆喷两种方法通常用于建造帷幕状抗渗固结体，而旋喷形成的圆柱状固结体，多用作垂直承载桩或加固复合地基。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论高压喷射注浆法适用于处理淤泥、淤泥质粘土、粘性土、粉土、黄土、砂土、人工填土和碎石土等地基，也可用于截水、防渗、抗液化和土锚固定等。高喷法的加固体可用作挡土结构、基坑底部加固、护坡结构、隧道棚拱、抗渗帷幕、桩基础，地下水库结构、竖井斜井等地下围护和基础。它具有成本低、速度快、效率高、加固体强度高、加固质量均匀、加固体的形状可控的特点。图6-16高压喷射注浆的三种形式第六章煤矿注浆堵水技术简介

第二节注浆基本理论第三节注浆材料一、概况（一）注浆材料及其特点注浆材料配制和作用一般包括三个阶段：原材料配制浆液形成结石体加入水或其他溶剂化学反应或物理反应结石体用于充填、堵塞地层中的裂隙或孔隙，起到堵水和加固的作用。原材料包括主剂和助剂，助剂根据其在浆液中的作用，分为固化剂、催化剂、速凝剂及悬浮剂等第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料理想的注浆材料，应满足以下要求：①浆液粘度低，流动性好，可注性好，能够进入细小隙缝和粉细砂层；②浆液凝固时间可以在宽域时间内任意调节，并能人为地加以准确控制；③浆液的稳定性好。常温、常压下存放一定时间不改变其基本性质，不发生强烈的化学反应；④浆液无毒、无臭，不污染环境，对人体无害，属非易燃、易爆物品；⑤浆液对注浆设备、管路、混凝土建筑物及橡胶制品无腐蚀性，并且容易清洗；⑥浆液固化时，无收缩现象，固化后有一定的粘结性，能牢固地与岩石、混凝土及砂子粘结；⑦浆液结石率高，结石体有一定的抗压强度和抗拉强度，不龟裂，抗渗性好；⑧结石体应具有良好的耐老化特性和耐久性，能长期耐酸、碱、盐、生物菌等腐蚀，并且其温度、湿度特性与被注体相协调；⑨注浆后材料颗粒应有一定的细度，以满足注浆效果，但颗粒越细，浆液成本也就越高；⑩浆液配制方便，操作简单，原材料来源丰富，价格合理，能大规模使用。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料按浆材料主剂性质分为两大系列：（二）注浆材料的分类无机系列单液水泥类浆液水泥粘土类浆液可控域粘土固化浆液高水速凝材料浆液水泥-水玻璃类浆液水玻璃类浆液有机系列丙烯酰胺类浆液木质素类浆液脲醛树酯类浆液聚胺酯类浆液其他有机类浆液第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料二、无机系列注浆材料第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料（一）单液水泥类浆液以水泥为主包括添加一定量的附加剂，用水配制成浆液，采用单液方式注入岩土层，这样的浆液称为单液水泥浆。单液水泥浆系指是指能改善水泥浆液性能的速凝剂、早强剂、塑化剂、悬浮剂等。附加剂第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料1.水泥浆的基本性能（1）纯水泥浆不包括附加剂，只有水泥和水调制而成的浆液，随着水灰比的增大，水泥浆的粘度、密度、结石率、抗压强度等有十分明显的降低，初凝、终凝时间逐渐延长。（2）附加剂①水泥速凝剂能缩短水泥凝固时间的化学药剂。我国速凝剂种类很多，如“711”型、红星一型、阳泉一型、氯化钙、苏打、水玻璃、碳酸钾、硫酸纳等。水泥浆中加入氯化钙或水玻璃均有显著速凝作用。②水泥的速凝早强剂水泥的速凝早强剂是复合附加剂，如水玻璃、三乙醇胺加氯化钠、三异丙醇胺加氯化钠及二水石膏加氯化钙等。一般情况下，速凝早强剂用量为：三乙醇胺（或三异丙醇胺）占水泥用虽0.05％～0.1％，氯化钠占水泥用量0.5％～1.0％。③水泥的分散剂和悬浮剂单液水泥浆易沉淀析水，需发加入悬浮剂。为了降低水泥浆的粘度，提高浆液的流动性，增加浆液的可注性，往往要加入分散剂。④水泥的其他附加剂亚硫酸盐、纸浆废液、食糖、硫化钠等属于塑化剂，而膨润土、高塑粘土属于悬浮剂。为满足注浆工程的特殊需要，水泥需添加一些其他附加剂，如缓凝剂、流动剂、加气剂、膨胀剂、防析水剂等。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料1.水泥浆的基本性能水灰比附加剂初凝时间终凝时间抗压强度/0.1MPa名称用量/%1d2d7d28d1∶10014h15min25h00min81659921∶1水玻璃37h20min14h30min101855—1∶1氯化钙27h10min15h04min101961951∶1氯化钙36h50min13h08min11206598第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料2.单液水泥浆的特点①水泥作为注浆材料，来源丰富，价格低廉；②浆液结石体强度高，抗渗性能好；③采用单液方式注入，工艺及设备简单，操作方便；④由于水泥是颗粒材料，可注性差，难以注入中细粉砂层及细裂隙岩层；⑤水泥浆液初、终凝时间长，不能准确控制，容易流失，易沉淀析水、强度增长慢、结石率低、稳定性较差等缺点。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料3.超细水泥浆液超细水泥浆液的特性：1）同样水灰比超细水泥浆液粘度比普通水泥和胶体水泥浆液粘度低、稳定性好。2）超细水泥颗粒有较高的化学活性，能较好地凝结硬化，获得高早期和后期强度；龄期3天的超细水泥结石体抗压强度不低于20MPa，28天可达30MPa以上（W/C=0.6）。3）超细水泥浆液凝结时间的确定可用掺入硅酸钠的方法在45～150s的范围内调解。4）超细水泥具有可调的膨胀率，容易使结石体充满整个裂隙，使其界面结合得十分严密，大大提高了其抗渗能力。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料4.湿磨超细水泥湿磨水泥制浆方法（简称WMC）：湿磨超细水泥是对水灰比为1：1的普通水泥的浆液再予以磨细15min，所达到的平均粒径为4～10μm，比表面积达到7000～10000cm2/g，析水率只是普通水泥浆液的5％左右，可以在磨细操作的同时进行注浆。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料5.膏状水泥浆液膏状水泥浆液是普通水泥浆液、膨润土和附加剂经过高速搅拌而成的。它的水灰比低，为0.4～0.7。这种稠浆2小时内的析水率不超过5％。在压力作用下，水分不会被挤出，并且在注浆过程中有触变性。具有高稳定性，能够较为饱满地充填裂隙，结石体的强度高，抗化学溶蚀的能力强。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料（二）水泥粘土类浆液1.水泥粘土类浆液的性能表6-9粘土用量对浆液性能的影响水灰比粘土用量/占水泥%粘度/×10-3Pa·s密度/g/cm3凝胶时间结石率/%抗压强度/MPa初凝终凝3d9d14d28d0.5∶15滴流1.842h42min5h52min991.85－33.213.60.75∶15401.657h50min13h1min934.056.967.947.891∶15191.528h30min14h30min872.415.174.288.121.5∶1516.51.3711h5min23h50min661.293.453.247.302∶1515.81.2813h53min51h52min571.252.582.587.850.5∶110不流动－2h24min5h29min100－－20.3－0.75∶110651.685h15min9h38min992.936.965.12－1∶110211.567h24min14h10min911.684.552.88－1.5∶110171.438h12min20h25min791.562.793.30－2∶110161.329h16min30h24min581.251.582.52－0.5∶115－－－－－－－－－0.75∶115711.704h35min8h50min990.402.402.95－1∶115231.626h20min14h13min951.301.562.18－1.5∶115191.517h45min24h5min800.850.971.40－2∶115161.349h50min29h16min600.731.132.24－第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料2.水泥和粘土的化学反应水泥和粘土搅拌后，首先是水泥水化，产生水化物的同时，一部分继续硬化，形成水泥水化物的骨架，另一部分则与周围具有活性的粘土颗粒发生反应。反应主要是离子交换及团粒化作用和凝结作用。所谓离子交换是指水泥与水反应生成的钙离子（Ca++）被带负电荷的粘土颗粒吸附而发生胶凝。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料3.水泥粘土类浆液的特点①较单液水泥浆液成本低，流动性好，抗渗性强，结石率高；②抗压强度因配方不同有所差异，一般情况下为5～10MPa，比单液水泥浆低，只适用于充填注浆；③浆液材料来源丰富，价格低廉，采用单液注入工艺，设备简单，操作方便；④浆液无毒性，对地下水和环境无污染。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料（三）可控域粘土固化浆液

以粘土为主剂加入一定量的添加固化剂而成，浆液成本低、来源广、应用范围大。浆液特点：①以粘土为主要成分，占80%～85%；②具有高分散性和高可控流动性，且其结石不收缩，堵水率可达90%以上；③浆液可注性好，扩散半径可控，可降低注浆钻孔数量，避免浆液流失；④浆液具抗水稀释性、流变可控制性，能在动水状态下注浆，避免浆液过多损耗；⑤浆液结石体塑性强度高，化学稳定性好，具有良好的抗震性和化学侵蚀能力。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料（四）高水速凝材料以铝矾土、石灰和石膏为主要原料，配以多种无机原料附加剂，经磨细、均化等工艺，配制成甲、乙两种粉料的水硬性胶结材料。主要技术特征：①由甲乙两种固体粉料组成；②具有高含水性，水和固体粉料体积比高达6：1～9：1，水灰比为2：l～3：1；③具有可注性。甲乙两种固体粉料与水搅拌制成的甲乙两种浆液，单独放置可达24h以上不凝固、不结底，流动性好，适应于远距离输送；④具有速凝性。甲乙两种浆液混合后30min之内即可凝结成固体；⑤强度性能。甲乙两种材料浆液混合后开始凝固，lh抗压强度可达0.5～1MPa，2h强度可达2MPa，一天可达4MPa，7d以后可达5MPa以上；⑥无毒、无害、无腐蚀；⑦酸碱性：甲料的PH为9～10，为弱碱性；乙料的PH为11～12，为碱性；⑧高水材料所形成的结石体早期破坏后还具有重结晶恢复强度的特性。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料（五）水泥-水玻璃类浆液水泥-水玻璃类浆液亦称CS浆液（C代表水泥，S代表水玻璃），是以水泥和水玻璃为主剂，两者按一定的比例采用双液方式注入，必要时加入附加剂所形成的注浆材料。水泥-水玻璃类浆液是一种用途极其广泛、使用效果良好的注浆材料。CS浆液的适宜配方为：水泥为425号或525号普通硅酸盐水泥水泥浆的水灰比为0.8：l～1：1，水泥浆与水玻璃的体积比为1：0.1～1：0.8水玻璃模数为2.4～3.4，浓度为22～40Be΄第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料CS浆液浆液的凝固机理2(3CaO·SiO2)+6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2硅酸三钙 水化硅酸钙氢氧化钙2(3CaO·SiO2)+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2硅酸二钙 水化硅酸钙 氢氧化钙3CaO·Al2O3)+6H2O→3CaO·2Al2O3·3H2O+Ca(OH)2铝酸三钙 水化铝酸钙 氢氧化钙由于Ca(OH)2的存在，水泥凝固时间较长，难以满足注浆的要求，必须采取措施，研究缩短水泥凝胶时间的方法，水玻璃是有效的速凝剂之一。水玻璃也叫硅酸钠或泡花碱，分子式为NaO·SiO2。Ca(OH)2+NaO·nSiO2→CaO·nSiO2·mH2O↓+Na(OH)。水玻璃把Ca(OH)2置换为水化硅酸钙。使水泥快速凝固，凝固时间一般可控制在30~60秒之内，并且可以调节。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料衡量水玻璃性质有两个重要参数。模数：M=一般情况下M=2.4~3.3浓度：用玻美度(Bé)表示，实际应用时有两种水玻璃：38BéM=3.1~3.3注浆用51BéM=2.4~2.6堵漏用如果想进一步缩短CS浆液的凝胶时间，也可以在其中加入其他的化学添加剂，如三乙醇胺、氯化钠、硅粉等，可将CS浆液的凝胶时间缩短至7~15秒。如果要延长CS浆液的凝胶时间，可在其中加入缓凝剂，如磷酸二氢钾等。衡量水玻璃性质有两个重要参数。模数：M=第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料水泥-水玻璃浆液的特点：1.浆液可控性好，凝胶时间可准确控制在几秒到几十分钟的范围内；2.浆液结石体强度高，可达5.0～10.0MPa；3.浆液的结石率高，可达100%；4.结石体的渗透系数小，为10-3cm/s；5.该浆液适宜于0.2mm以上裂隙及1mm以上粒径的砂层使用；6.材料来源丰富，价格便宜，浆液对地下水和环境无污染。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料（六）水玻璃类浆液水玻璃类浆液是指水玻璃在固化剂作用下产生凝胶的一种注浆材料。1.水玻璃-氯化钙浆液两种液体在地下土壤中相遇，立即发生化学反应，生成二氧化硅胶体，并将土粒包围起来凝成整体，不仅起到防渗作用，更主要的起到加固作用。2.水玻璃-铝酸钠浆液水玻璃与铝酸钠反应，生成凝胶物质硅胶及硅酸铝盐，胶结砂和土壤，起到加固和堵水作用。3.水玻璃-硅氟酸浆液水玻璃和硅氟酸两种浆液相遇便产生絮状沉淀物，在性能上是一种比较好的水玻璃浆。4.其他类水玻璃浆液①水玻璃－磷酸类②水玻璃－草酸硫酸铝类③水玻璃－二氧化碳类④水玻璃－有机胶凝剂类第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料三、有机系列注浆材料第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料（一）丙烯酰胺类浆液丙烯酰胺类浆液要求双液系统注入，主剂、交联剂、还原剂（或强还原剂）及缓凝剂溶解在水中单独存放，简称甲液；氧化剂也溶解在水中单独存放，简称乙液。由于丙烯酰胺单体具有毒性，日本、美国等现在已不再使用。浆液特点：①粘度小，在凝胶前一直保持不变，具有良好的渗透性；②凝胶时间可以准确地控制在几秒至几十分钟的范围内，浆液凝胶是在瞬间发生并完成的；③凝胶体抗渗性能好，渗透系数为10-9～10-10cm/s；④凝胶体抗压强度低，一般不受配方的影响，其值约为0.4～0.6MPa。简称丙凝浆液，是以有机化合物丙烯酰胺为主剂，配合其他交联剂、促进剂和引发剂等材料而制成的液体，以水溶液状态注入地层，在地层中发生聚合反应而形成具有弹性、不溶于水的聚合体，是一种性能优良、用途广泛的化学注浆材料。丙烯酰胺类浆液第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料（二）木质素类浆液以纸浆废液为主剂，加入一定量的固化剂所组成的浆液，包括铬木质素浆液和硫木质素浆液两种。1.铬木质素浆液双液系统注入的注浆材料，浆液由三部分组成，甲液是亚硫酸钙纸浆废液，乙液包括固化剂和促进剂，固化剂采用重铬酸钠，促进剂有三氯化铁、硫酸铝、硫酸铜、氯化铜等。浆液特点：①浆液的粘度较小，可灌性好，渗透系数为10-3～10-4cm/s的基础均可适于灌浆；②防渗性能好，用铬木质素浆液处理后的基础，其渗透系数达10-7～10-8cm/s；③浆液的胶凝时间可在几秒钟至十分钟范围内调节；④新老凝胶之间的胶结较好，结石体的强度达0.4MPa～0.9MPa。⑤原材料来源广，价格低廉。2.硫木质素浆液由于重铬酸钠是一种剧毒药品，在地层中注浆存在着铬离子（Cr6+）污染地下水的问题，因此铬木质素浆液的广泛应用受到了一定的限制，以过硫酸铵完全代替重铬酸钠，成为无毒的硫木质素浆液。浆液特点：①浆液粘度与铬木质素相似，可灌性能好；②胶凝时间可在几十秒至几十分钟之间控制；③凝胶体不溶于水、酸及碱溶液中，化学性能较稳定；④结石体抗压强度在0.5MPa以上。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料（三）脲醛树脂类浆液由脲素和甲醛综合而成的一种高分子聚合物，在固化前是一种水溶性树脂，用水配制成水溶液，溶液在酸性、常温、常压下就能迅速固化，并且具有一定的强度。脲醛树脂类浆液分三类，性能如下：第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料1.脲醛树脂浆液用市售固体含量为55%左右的脲醛树脂为主剂，注浆时稀释至40%，然后加入酸或强酸弱碱盐作固化剂。浆液特点：①材料来源丰富，价格便宜；②浆液结石体的强度较高，达40～80MPa，但较脆；③浆液粘度较大，在酸性条件下对设备有腐蚀性，在含碳酸盐地层注浆时其结石体强度会下降；④凝胶体抗渗性差，长期存放会变质固化，并且浆液的剌激性气味大。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料2.脲素-甲醛浆液该浆液用脲素和甲醛作注浆材料的甲液，固化剂作乙液。浆液特点：①浆液流动性好，粘度低；②解决了浆液长期存放的问题，但浆液配制后必须立即使用；③材料来源广泛，成本下降。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料3.改性脲醛树脂液脲醛树脂浆液虽有价格低廉、使用广泛等优点，但仍有许多不足之处对注浆不利，如质脆易碎，抗渗性差，与岩石胶结力不强，并有收缩现象，有效期短等，因此，有时在脲醛树脂生产过程中，加入一种或几种能参与反应的化合物或在脲醛树脂浆液中加入另一种注浆材料混合使用，以取长补短，达到改善性能的目的。改性脲醛树脂的特点：①浆液结石体强度大，胶结力强，固砂强度可达10.0MPa；②浆液粘度低，为25MPa·s，可注性好，可注入含泥量为20%的细砂中；③浆液凝胶时间可控范围宽，可从几十秒至几十分钟调节；④凝胶及其固砂体耐久性好，可抗5%浓度的强酸、强碱和盐的腐蚀；⑤材料来源丰富，成本较低。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料（四）聚氨酯类浆液由于浆液中含有未反应的异氰酸基因，遇水发生化学反应，交联生成不溶于水的聚合体，因此能达到防渗、堵漏和固结的目的。另外反应过程中产生二氧化碳，使体积膨胀而增加固结体积比，并产生较大的膨胀压力，促使浆液二次扩散，从而加大了扩散范围。聚氨酯类浆液可分为两大类水溶性非水溶性浆液区别在于：前者与水能混合后者只溶于有机溶剂。是一种防渗堵漏能力较强、固结强度较高的注浆材料，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。聚氨酯类浆液第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料1.非水溶性聚氨酯浆液由多异氰酸酯和多羟基化合物聚合而成。当该浆液制备时可分为“一步法”和“二步法”两种。“一步法”就是在灌浆时，将主剂的组分和外加剂直接一次混合成浆液。“二步法”又称预聚法，是把主剂先合成为聚氨酯的低聚物（预聚体），然后，再把预聚体和外加剂按需要配成浆液，这样可以缓和反应，减少放热。便于控制胶凝时间。浆液特点：①浆液是非水溶性的，遇水开始反应，因此不易被地下水冲稀或冲失；②浆液遇水反应时发泡膨胀，进行二次渗透，扩散均匀，注浆效果好；③结石体抗压强度高；④采用单液系统注浆，工艺设备简单。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料2.水溶性聚氨酯浆液水溶性聚氨酯浆液由预聚体和其他外加剂组成。预聚体也是由聚醚树脂和多异氰酸酯反应而成，外加剂与非水溶性聚氨酯所用的基本相同，目前国内所用的主要有两种，即高强度浆液的预聚体及低强度的预聚体。浆液特点：①浆液能均匀地分散或溶解在大量水中，凝胶后形成包有水的弹性体；②结石体的抗渗透性能好，一般在10-6～10-8cm/s之间；③浆液的凝胶时间可以根据催化剂或缓冲剂的用量在数秒到数十分钟之间调节。第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料（五）其他有机类浆液四种浆液：糠醛树脂浆液环氧树脂浆液丙烯酸盐浆液甲凝浆液第六章煤矿注浆堵水技术简介

第三节注浆材料第四节

注浆设备与机具注浆设备及机具，主要包括:钻机、钻具、注浆泵、搅拌机、注浆管线、止浆塞和混合器等其中:钻机与钻具是成孔设备注浆泵、搅拌机等其它设备、器具则是制备、输送浆液