王學(xué)偉，秦大健

（1.國家能源充填采煤技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邢臺(tái) 054000；2.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺(tái) 054000；3.河北充填采礦技術(shù)有限公司，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引 言

防治水注漿技術(shù)是將水泥、粘土、水玻璃等具有膠結(jié)性能的材料與水按一定比例混合均勻后配成注漿漿體，在采掘活動(dòng)開始前，利用高壓注漿設(shè)備，通過遠(yuǎn)離采區(qū)的地面上大面積均勻布置的鉆孔注入到地層的裂隙、孔隙或孔洞中。待漿液凝結(jié)、固化后，達(dá)到對(duì)裂隙進(jìn)行封堵截?cái)嘞虏康叵滤矫簩拥耐ǖ溃乐乖诓删蜻^程中發(fā)生水害事故的目的。注漿材料是影響注漿效果的重要因素，目前防治水注漿材料分為無機(jī)和有機(jī)注漿材料，其中無機(jī)注漿材料中的水泥類注漿材料因其具有良好的流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間可調(diào)、適應(yīng)性強(qiáng)，施工工藝簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦開采中被廣泛的應(yīng)用。但是，水泥類注漿材料存在一些缺點(diǎn)，在一些對(duì)含水層進(jìn)行局部注漿改造的礦井中，注漿量最多的能達(dá)到數(shù)十萬噸，價(jià)值數(shù)千萬。另外，水泥生產(chǎn)需要煅燒，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，水泥工業(yè)碳排放量?jī)H次于電力行業(yè)，增加了溫室氣體，資源消耗和生態(tài)問題突出。黃土是一種分布廣、開采難度低、成本低廉的材料。因此，對(duì)黃土進(jìn)行注漿性能研究，用黃土替代水泥作為新型注漿材料。

1 原 料

水泥選用冀中能源股份公司葛泉礦注漿水泥，黃土取自山西介休，各原材料化學(xué)成分見表1。

表1 原料化學(xué)成分Table 1 Chemical components of raw materials

2 粘度試驗(yàn)

漿液的粘度與漿液的性質(zhì)、濃度、溫度有關(guān)。對(duì)于水泥類漿液而言，粘度對(duì)于漿液流動(dòng)性影響很大，粘度致使?jié){液在管道及巖土空隙中流動(dòng)的注漿壓力沿程損失。粘度試驗(yàn)分2 組進(jìn)行，第一組試驗(yàn)保持水灰比1∶1 固定不變，黃土的摻加量從小到大按一定比例依次增加，記錄漿液流出500 mL 時(shí)所需的時(shí)間，結(jié)果如圖1 所示。第二組試驗(yàn)保持黃土水泥比為2∶3 固定不變，水灰比從小到大按一定比例依次增加，記錄漿液流出500 mL 時(shí)所需的時(shí)間，結(jié)果如圖2 所示。

圖1 粘度隨黃土水泥比的變化Fig.1 Variation of viscosity with loess cement ratio

圖2 粘度隨水灰比的變化Fig.2 Variation of viscosity with water cement ratio

2.1 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)儀器：馬氏漏斗粘度計(jì)。操作方法如下。

（1） 校正馬氏漏斗粘度計(jì)，在水溫20 ℃條件下流出500 mL 純水時(shí)間為15±0.5 s。

（2） 用一只手握住漏斗呈直立位置，食指堵住漏斗下部的流出口。

（3） 用另一只手拿起量筒量取700 mL 的鉆井液樣品經(jīng)篩網(wǎng)注入干凈并直立的漏斗中。

（4） 將手中的量筒500 mL 端向上放置于漏斗流出口下方，啟動(dòng)秒表，同時(shí)把食指移開出口管口，使鉆井液流入量筒。記錄流出500 mL 時(shí)所需的時(shí)間。

（5） 測(cè)試完畢將零部件洗凈擦干，應(yīng)特別注意對(duì)導(dǎo)流管的保護(hù)。

（6） 按順序?qū)⒏鞑考湃胍?guī)定部位，測(cè)試結(jié)束。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖1 可以看出，漿液的粘度隨黃土水泥比的增大而增大，說明黃土的摻加量對(duì)漿液的粘度影響很大，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選取合適的黃土水泥比才能滿足工程對(duì)漿液穩(wěn)定性的要求。由圖2 可以看出，水灰比對(duì)漿液粘度的敏感性影響比黃土水泥比要大，是注漿物理性能中流動(dòng)性最大的影響因素。在實(shí)際應(yīng)用中要特別注意水灰比的變化對(duì)漿液粘度的影響。

3 凝固時(shí)間試驗(yàn)

按黃土與水泥2∶3 的比例制備粉體材料做正交試驗(yàn)，按照《GB/T 1346-2011 水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》中凝結(jié)時(shí)間檢測(cè)方法，檢測(cè)材料標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量及凝固時(shí)間（表2）。

由表2 可以看出，水泥中加入黃土后，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量與水泥基本相同，凝固時(shí)間稍有增加，其中初凝時(shí)間比水泥增長(zhǎng)22 min，終凝時(shí)間比水泥增長(zhǎng)5 min。

表2 標(biāo)準(zhǔn)凝固時(shí)間Table 2 Standard solidification time

4 結(jié)石體強(qiáng)度試驗(yàn)

注漿漿液在流經(jīng)巖土層后，經(jīng)過滲透、填充等作用與巖土體擠壓、粘結(jié)成的一個(gè)整體被稱為結(jié)石體，結(jié)石體強(qiáng)度是評(píng)價(jià)注漿材料性能的一個(gè)重要指標(biāo)，因?yàn)榻Y(jié)石體的存在可以顯著提高巖土層的整體性，提高巖土層的抗?jié)B性和抗破壞能力，它是對(duì)巖土層加固防滲的關(guān)鍵，是判斷注漿漿液優(yōu)劣性能的重要指標(biāo)。

4.1 試驗(yàn)方法

按試驗(yàn)方案制備的料漿倒入40 mm×40 mm×160 mm 的特制雙層可拆卸三聯(lián)試模中（下層為標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)試模，上層為無底座三聯(lián)試模，即取2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)試模，將其中一個(gè)去掉底座后放置于下層三聯(lián)試模頂部），待泌水完成后，靜置6 h，再將上層無底座三聯(lián)試模移除，使用刮平尺將試塊刮平，放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)（溫度20±1℃，相對(duì)濕度大于等于90%），每組齡期試塊3 塊，養(yǎng)護(hù)3 d后，拆除試模，使用YAW4605 微機(jī)控制電液伺服壓力機(jī)測(cè)定3 d 試塊強(qiáng)度，將剩余7、14、28 d 齡期試塊放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，試塊達(dá)到齡期后，按照相同方法測(cè)定相應(yīng)齡期試塊的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度。

抗壓強(qiáng)度是在YAW4605 微機(jī)控制電液伺服壓力機(jī)的單向受壓條件下，試塊破壞時(shí)的峰值壓應(yīng)力，用P 表示，單位為MPa?？箟簭?qiáng)度公式如下：

式中：F 為峰值壓力；A 為受力面積。

抗折強(qiáng)度是將試塊的2 個(gè)光滑面放在DKZ5000電動(dòng)抗折機(jī)的支撐柱上，另一面與加載面接觸，三點(diǎn)作用，緩慢施壓，直至破壞。抗折強(qiáng)度用R 表示，單位為MPa?？拐蹚?qiáng)度公式如下：

式中：F 為試塊折斷后，施加在試塊中部的載荷；L 為支撐圓柱體之間的距離，棱柱體正方形界面的邊長(zhǎng)。

結(jié)石體試驗(yàn)分2 組進(jìn)行，第一組試驗(yàn)保持水灰比1∶1 固定不變，黃土的摻加量從小到大按一定比例依次增加，各齡期試塊按要求進(jìn)行破碎并做好記錄，結(jié)果如圖3 和圖4 所示。第二組試驗(yàn)保持黃土水泥比為2∶3 固定不變，水灰比從小到大按一定比例依次增加，各齡期試塊按要求進(jìn)行破碎并做好記錄，結(jié)果如圖5 和圖6 所示。

圖3 不同組分不同齡期的抗折強(qiáng)度（組分1～4）Fig.3 Flexural strength of different components at different ages（Components 1～4）

圖4 不同組分不同齡期的抗壓強(qiáng)度（組分1～4）Fig.4 Compressive strength of different components at different ages（Components 1～4）

圖5 不同組分不同齡期的抗折強(qiáng)度（組分5～9）Fig.5 Flexural strength of different components at different ages（Components 5～9）

圖6 不同組分不同齡期的抗壓強(qiáng)度（組分5～9）Fig.6 Compressive strength of different components at different ages（Components 5～9）

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

由圖3 和圖4 可以看出，在濃度不變的情況下，隨著黃土摻加量的增加，試塊的強(qiáng)度也不斷降低，當(dāng)物料中加入20%黃土?xí)r，3 d 強(qiáng)度降低23.1%，28 d 強(qiáng)度降低24.1%；在不同濃度漿液中，隨著加水量的不斷增加，試塊的強(qiáng)度也不斷降低。

5 黃土水泥注漿液的固化機(jī)理

通過水泥類注漿材料中摻加黃土，與水拌和均勻后，形成了一種具有自身特征的新型注漿漿液黃土水泥漿。黃土水泥漿液改變了黃土的自身特性，除黃土有膠結(jié)成分外，水泥也具有膠結(jié)作用，因而其固化過程較水泥和黃土漿更復(fù)雜。這與水泥和黃土的物理性質(zhì)和化學(xué)成分及礦物成分和水關(guān)系很大。為此，對(duì)于黃土水泥漿的固化機(jī)理主要從2 個(gè)方面進(jìn)行分析。

5.1 水泥的水化反應(yīng)

硅酸三鈣和硅酸二鈣是組成水泥的主要化合物，當(dāng)水泥與水拌和后會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)，生成的多種固溶體形成連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)填充于顆粒空間，相互粘結(jié)，直至水化結(jié)束，最終使水泥能夠快速的凝結(jié)硬化。研究分析發(fā)現(xiàn)，水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2可以與黃土中的石英與粘土礦物起反應(yīng)，生成不溶于水的穩(wěn)定結(jié)晶礦物，使黃土水泥漿固結(jié)硬化產(chǎn)生強(qiáng)度。方程式如下：

5.2 離子交換作用

當(dāng)黃土溶于水后，因離子交換和含K+無機(jī)鹽的溶解使得黃土中Na+、Ca2+、K+、Mg2+等離子迅速得到釋放。此時(shí)，膠體顆粒表面會(huì)大量吸附黃土中的低價(jià)陽離子，如Na+，K+被水泥水化生成的Ca（OH）2中的Ca2+進(jìn)行了當(dāng)量吸附置換，基于這種鹽基交換，漿液中細(xì)小的顆粒會(huì)凝聚起來，形成新的較大的凝聚體。同時(shí)，伴隨著黃土中SiO2緩慢的釋放，生成多種次生礦物，這種次生礦物的生成使得在巖土層中的注漿漿液固化后表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗風(fēng)化能力。

6 結(jié) 語

通過對(duì)黃土水泥注漿漿液物理性能指標(biāo)的分析可知，摻加黃土量的多少對(duì)注漿漿液的凝固時(shí)間影響較小，黃土的摻加量和濃度對(duì)注漿漿液的粘度影響較大。在濃度不變的情況下，隨著黃土摻加量的增加，試塊的強(qiáng)度也不斷降低。在不同濃度的漿液中、隨著加水量的不斷增加，試塊的強(qiáng)度也不斷降低。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)進(jìn)一步確定材料配比和濃度，以達(dá)到降低注漿成本的目的。本文以實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)為基礎(chǔ)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)黃土水泥漿固化機(jī)理做了初步分析，黃土水泥作為防治水注漿材料的可行性還需進(jìn)一步研究。