加气硅化封堵底板裂隙的系统及方法技术领域
本发明涉及底板裂隙的充填技术领域，具体涉及一种加气硅化封堵底板裂隙的系统及方
法。
背景技术
随着煤矿开采深度的不断增加，开采条件、地质条件越来越复杂，工作面回采过程中，
往往会遇到高承压水的问题，这给安全生产带来很大困难，很容易出现底板突水事故。
目前，本领域的研究者们通常是采用深降强排和带压开采的方式来解决上述问题，其中
的带压开采过程中一般会采用封堵底板裂隙的方法，这样可以防止底板承压水渗入工作面，
然而在封堵底板裂隙时，一般矿井选择的注浆材料很难注入宽度小于60um的裂隙，而当岩土
的裂隙达到50um时，水即可明显透过，细微裂隙的存在使高承压水溃入矿井的风险大大提高，
因此，急需寻找一种封堵效果更好的封堵系统及方法。
发明内容
针对上述细微裂隙封堵不完全的问题，本发明提出了一种加气硅化封堵底板裂隙的系统
及方法，该方法可以有效的封堵底板细微裂隙，防止承压水进入矿井，具有良好的推广应用
价值。
本发明的任务之一在于提供一种加气硅化封堵底板裂隙的系统。
一种封堵底板导水破坏带裂隙钻孔的系统，包括密封装置、水玻璃供应装置、二氧化碳
供应装置和清洗装置，
所述密封装置包括密封圈和法兰，所述钻孔处垂直安设有主管道，所述主管道与钻孔壁
之间通过所述密封圈密封，所述法兰加固在底板顶面的主管道处，所述法兰配有螺栓，通过
法兰和螺栓配合固定将主管道固定在钻孔处，并将钻孔封堵；
所述主管道的顶部设置有两条支路管道，分别为第一支路管道和第二支路管道，所述第
一支路管道与水玻璃供应装置连接，所述第二支路管道与二氧化碳供应装置连接，通过水玻
璃供应装置和二氧化碳供应装置分别提供Na2SiO3、CO2，以实现对裂隙的封堵；
所述清洗装置用于封堵结束后对裂隙封堵后残留的水玻璃进行冲洗。
上述方案中，通过水玻璃供应装置提供的Na2SiO3、二氧化碳供应装置提供的CO2，二者
混合后发生反应生成硅酸，硅酸可以渗透到微孔隙中，使95％以上的底板裂隙被硅酸充填。
作为本发明的一个优选方案，所述水玻璃供应装置包括水玻璃储存器和注浆泵，所述水
玻璃储存器的底部通过第一注浆管路与注浆泵的一端连接，所述注浆泵的另一端连接有第二
注浆管路，第二注浆管路上设置有第一阀门和第一压力表，所述第二注浆管路的另一端连接
至第一支路管道。
作为本发明的另一个优选方案，所述二氧化碳供应装置包括二氧化碳储罐和输气管路，
所述输气管路与二氧化碳储罐的出口处连接，并且另一端连接至第二支路管道上，所述输气
管路上设置有第二阀门和第二压力表。
优选的，所述主管道上设置有用于控制Na2SiO3和CO2进量的第三阀门。
优选的，所述清洗装置包括注水桶，所述注水桶下方的出口处连接注水管路，待封堵结
束后，所述注水管路与注浆泵连接。
本发明的另一任务是提供一种加气硅化封堵底板裂隙的方法。
上述方法依次包括以下步骤：
a对底板水文地质条件进行精细探测，确定底板的注浆半径，注浆深度，确定硅化加固
岩石的体积；
b在底板布置钻孔，根据所述钻孔的深度确定主管道的长度，将主管道垂直插入所述钻
孔底部，主管道与钻孔之间通过密封圈密封，在底板处的主管道通过法兰配合螺栓固定；
c主管道的顶部设置有第一支路管道和第二支路管道，将第一支路管道与水玻璃供应装
置连接，将第二支路管道与二氧化碳供应装置连接；
d首先打开二氧化碳供应装置，待钻孔内的二氧化碳达到一定压力时；接着打开水玻璃
供应装置向钻孔注入Na2SiO3，水玻璃强烈吸收CO2形成真空作用，并渗透到微孔隙中，使95％
以上的底板裂隙被硅酸所充填；
化学反应式如式(1)
Na2SiO3+CO2+H2O＝H2SiO3↓+Na2CO3；
e注浆完成后，用水泥砂浆封孔，将注水桶接入到主管道，将主管道清洗干净，以待下
次注浆使用。
优选的，每米注浆量可按式(2)计算：
Q＝K×V×n×1000(2)
式中：
Q—水玻璃的总用量(L)；
V—硅化加固岩石的体积(m3)；
n—岩土的孔隙率(％)；
K—经验系数，粘性土、细砂岩中，K＝0.3～0.5；粗砂岩中，K＝0.5～0.7。
与现有技术相比，本发明通过分步向钻孔内注入二氧化碳和水玻璃，二者经过化学反应
Na2SiO3+CO2+H2O＝H2SiO3↓+Na2CO3生成硅酸沉淀，水玻璃通过吸收CO2，生成的硅酸完全进入底
板裂隙中，硅酸能够将底板中宽度小于60um的细微裂隙充填率达95％以上，封堵效果好，无
毒，不污染环境，价格低廉。
通过水玻璃供应装置和二氧化碳供应装置配合，控制水玻璃和二氧化碳的流量，观测设
置在管路上的压力表来推算所需二氧化碳进量，实现注浆反应。
本发明方法在煤层底板水文地质条件进行精细探测时，准确的探测出煤层底板注浆半径，
由此节约了材料的使用，注浆效果更佳，避免出现部分钻孔注浆不连接，导致裂隙封堵不完
全。
本发明注浆设备简单，不需要搅拌机等设备，节约设备成本，操作更加简单，所需人员
少，一般2～4人即可完成，节约人员成本，并且整个过程在巷道即可完成，没必要再开硐室，
节约施工成本。
本发明具有安全性与可靠性好，施工方法简单、效率高、成本低等优点。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明系统的结构示意图；
图中，1-水玻璃储存器，2-注水桶，3-注浆泵，4-电机，5-二氧化碳储罐，6-第一支路
管道，7、第三阀门，8-法兰，9-密封圈，10、11-阀门，12-第一阀门，13-第一压力表，14-
第二压力表，15-第二阀门，16-底板导水破坏带，17-主管道，18-第一注浆管路。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
如图1所示，本发明封堵底板导水破坏带裂隙钻孔的系统，主要是用于对底板钻孔裂隙
进行封堵，包括密封装置、水玻璃供应装置、二氧化碳供应装置和清洗装置，钻孔是在底板
导水破坏带16的底板处垂直向下打孔得到的。
密封装置包括密封圈9和法兰8，钻孔处垂直安设有主管道17，主管道17伸入到钻孔的
最底部，主管道17的作用是提供注浆和注二氧化碳的通道，主管道17与钻孔壁之间通过密
封圈9密封，法兰8加固在底板顶面的主管道17处，通过与它配合的螺栓将主管道固定在钻
孔处，并将钻孔封堵；主管道17的顶部设置有两条支路管道，两条支路管道与主管道17形
成Y型结构，两条支路管道分别为第一支路管道6和第二支路管道。
水玻璃供应装置，主要由提供水玻璃的水玻璃储存器1和用于输送水玻璃的注浆泵3组
成，其它部件如第一注浆管路18等都可进行常规的替换，只要具有输送水玻璃的功能就行，
图中示出的，第一支路管道6与第二注浆管路连接，且在第二注浆管路上设置有第一阀门12
和第一压力表13，第二注浆管路的另一端与注浆泵3的一端连接，注浆泵3的另一端通过第
一注浆管路与水玻璃储存器1连接，当然，为了便于注浆泵运作，注浆泵3还配有电机4。
二氧化碳供应装置主要包括二氧化碳储罐5和输气管路，输气管路与二氧化碳储罐5的
出口处连接，并且另一端连接至第二支路管道上，输气管路上设置有第二阀门15和第二压力
表14。
清洗装置包括注水桶2，注水桶2下方的出口处连接注水管路，待封堵结束后，注水管
路与注浆泵连接，对裂隙封堵后残留的水玻璃进行冲洗。
作为优选，在主管道上设置有用于控制Na2SiO3和CO2进量的第三阀门7，为了便于控制
玻璃水和清洗水的流量，在第一注浆管路、注水管路上分别设置有阀门10和阀门11。
本发明，加气硅化封堵底板裂隙的方法，依次包括以下步骤：
步骤1、对煤层底板水文地质条件进行精细探测，确定底板的注浆半径，注浆深度，确
定硅化加固岩石的体积；
步骤2、当上述精细探测达标后，对煤层底板进行注浆，具体的如图1所示，封堵底板
导水破坏带中的裂隙，包括以下子步骤：
a先将钻机或三角架安放于预定孔位，调好高度和角度，进行钻孔；
b根据注浆深度确定主管道以及第一支路管道和第二支路管道的长度，钻孔进行结束后；
再将主管道插入钻孔中，主管道保持垂直和距离正确，主管道与钻孔壁用密封圈9密封，硅
化加固的破坏带应在其表面保留0.3m厚的不加固岩层，此部分岩层用水泥浆封堵，以防溶液
上冒，加气硅化在注浆管上部加法兰8，增强其密封效果和防止压力过大主管道被挤出钻孔；
c将二氧化碳储罐5通过第二支路管道与主管道相连，打开第二阀门和第三阀门，关闭
第一阀门12，进行第一次CO2放气，此时CO2气压，在第二压力表14处不做控制，放气时间
约为10min；
d将水玻璃储存器1与主管道相连，注浆时，先开动注浆泵3，关闭第二阀门和第三阀门，
将阀门10和第一阀门12全部打开，自循环1～2min后，慢慢开启第三阀门7，同时慢慢调
整第一阀门12，调整压力(一般为0.2～1.0Mpa)，溶液经第一支路管道6，通过主管道注
入破坏带，一般达到设计注浆量即停止注浆，当注浆压力大于设计压力2～3倍时仍然灌不进
去，即可终止注浆；
每米注浆量可按下式计算：Q＝K×V×n×1000
式中：
Q—溶液的总用量(L)；
V—硅化加固岩石的体积(m3)；
n—岩土的孔隙率(％)；
K—经验系数，粘性土、细砂岩；K＝0.3～0.5；中、粗砂岩：K＝0.5～0.7；
e注浆结束后进行第二次CO2放气，此次此时CO2气压P2＝0.1～0.2MPa。放气时间约为
30min；
步骤3、注浆完成后，借桩架用倒链分级将管子拔出，遗留孔洞用水泥砂浆封孔，将清水
桶2接入到注浆泵3，将注浆管道清洗干净，以待下次注浆使用。
实施例1：
以某煤矿一回采工作面为例，在治理工作面底板承压水过程中，对该煤矿工作面底板进
行加气硅化封堵底板裂隙进行说明：
加气硅化封堵底板裂隙的方法包括以下步骤：
【步骤一】对1201工作面底板水文地质条件进行精细探测，确定该工作面底板为粗砂岩，
确定注浆半径为1.5m，注浆总高度为5.8m；
【步骤二】当上述精细探测达标后，对煤层底板进行注浆，具体的如图1所示，封堵底
板导水破坏带中的裂隙，包括以下子步骤：
(1)先将钻机或三角架安放于预定孔位，调好高度和角度，进行钻孔；
(2)根据注浆深度及每根管的长度进行钻孔结束后；再将注浆管插入钻孔中，注浆管保
持垂直和距离正确，注浆管与钻孔壁用密封圈密封,硅化加固的破坏带在其表面保留0.3m厚
的不加固岩层，此部分岩层用水泥浆封堵，加气硅化在注浆管上部加法兰，增强其密封效果
和防止压力过大注浆管被挤出钻孔；
(3)将二氧化碳储存罐与主管道相连，进行第一次CO2放气，放气时间为12min；
(4)将水玻璃储存器与主管道相连，注浆时，先开动注浆泵，慢慢开启阀门，同时慢慢
调整阀门，调整压力1Mpa，溶液经Y型球阀混合器，通过注浆管注入破坏带，达到设计注浆
量为2600L时停止注浆，
每米注浆量可按下式计算：Q＝K×V×n×1000
式中：
Q—溶液的总用量(L)；
V—硅化加固土的体积(m3)；此处取7.065m3；
n—岩土的孔隙率(％)；此处取9.02；
K—经验系数，粘性土、细砂岩；K＝0.3～0.5；中、粗砂岩：K＝0.5～0.7；此式中K取
0.7；
(5)注结束后进行第二次CO2放气，此次此时CO2气压P2＝0.2MPa，放气时间为30min；
【步骤三】注浆完成后，借桩架用倒链分级将管子拔出，遗留孔洞用水泥砂浆封孔，将
清水桶接入到注浆泵，将注浆管道清洗干净，以待下次注浆使用。
注浆结果：经此次注浆后，经检验底板导水破坏带裂隙封堵效果良好，裂隙封堵率达97％，
从而达到封堵底板裂隙的作用。
需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变
型方式均应在本发明的保护范围内。