劉帥洲

(長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012)

0 引言

安徽省馬鋼資源礦業(yè)集團(tuán)姑山礦業(yè)公司下屬的白象山鐵礦、姑山露轉(zhuǎn)井、鐘九鐵礦均為水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦山，井下的掘進(jìn)和采切工程注漿堵水工程量大，注漿材料消耗量多。為降低注漿成本，姑山礦業(yè)引入了一種超高水注漿堵水材料。超高水充填材料產(chǎn)品由A、B 兩個(gè)組分構(gòu)成，A 組分主要為鋁酸鹽熟料，B 組分為石膏石灰，燒結(jié)后配合緩凝劑、速凝劑、懸浮劑等添加劑按照一定的配比分別混合研磨而成。由于超高水充填材料具有材料成本低、早期強(qiáng)度好、凝結(jié)時(shí)間可調(diào)、與普通的水泥類漿液相比可注性好、漿體在流動(dòng)過程中不易出現(xiàn)分層離析現(xiàn)象、環(huán)保無毒等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于采空區(qū)充填、沿空留巷、尾砂尾泥固化、井下火區(qū)封閉等領(lǐng)域。但由于超高水充填材料尚未在礦山注漿堵水的工程領(lǐng)域推廣使用，且礦山注漿堵水系統(tǒng)復(fù)雜，需對(duì)其物理力學(xué)性能（漿液的不同配比及物理性能、凝膠時(shí)間、黏度及流動(dòng)性、結(jié)石率、結(jié)石體強(qiáng)度等）進(jìn)行系統(tǒng)性的室內(nèi)試驗(yàn)，確定配制漿液的最佳配比。

1 試驗(yàn)方法

根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的超高水充填材料的性能，結(jié)合礦山注漿堵水對(duì)材料的要求，本次設(shè)計(jì)9 種不同配比的漿液，材料配比見表1。

漿液采用WIGGENS 高速攪拌器攪拌，混合漿的密度采用NB-1 型比重計(jì)測(cè)定，漿液的酸堿度用pH 值表示，在A 液與B 液混合后、漿液凝膠前測(cè)定pH 值；無水條件下漿液的凝膠時(shí)間是指在一定溫度下，從參加反應(yīng)的全部組分混合時(shí)起，直到凝膠發(fā)生，漿液不再流動(dòng)為止的一段時(shí)間。超高水充填材料的A 液與B 液混合后，在燒杯內(nèi)一邊攪拌一邊觀測(cè)漿液的流動(dòng)性，采用秒表計(jì)時(shí)，測(cè)定溫度為25℃。

漿液的體積與結(jié)石體體積之比稱為結(jié)石率（β），其表達(dá)式為：

式中，V1為漿液的體積；V2為結(jié)石體的體積。

當(dāng)β小于1 時(shí)，表明結(jié)石體收縮，收縮率為（V1-V2）/V1；當(dāng)β大于1 時(shí)，表明結(jié)石體膨脹，膨脹率為（V2-V1）/V1。

本試驗(yàn)采用100 mL帶刻度的燒杯測(cè)定結(jié)石率，裝入約60 mL 漿液至某一刻度，記下讀數(shù)V1，待漿液凝固后，再觀察其體積的變化量，記下讀數(shù)V2。

本次試驗(yàn)試塊制作采用一次成型的方法，A 液與B 液快速混合攪拌后，立即倒入尺寸為7 cm×7 cm×7 cm 的試模內(nèi)，每組試塊為6 個(gè)，初凝后放入養(yǎng)護(hù)釜內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)的溫度為25C°，養(yǎng)護(hù)濕度為水下養(yǎng)護(hù)。測(cè)定3 d 和28 d 試塊的抗壓強(qiáng)度，抗壓試驗(yàn)采用MTS-815 型液壓伺服試驗(yàn)機(jī)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 注漿材料物理化學(xué)性能分析

黏度η是液體內(nèi)部阻礙其相對(duì)流動(dòng)的一種特性，是液體中的液體分子與固體顆粒內(nèi)摩擦的結(jié)果。漿液黏度采用1006 型泥漿黏度計(jì)測(cè)定，讀數(shù)值表示泥漿流出500 cm3容器的時(shí)間。超高水充填注漿材料的試驗(yàn)配比及物理化學(xué)性能見表1。

表1 超高水充填注漿材料的試驗(yàn)配比及物理化學(xué)性能

漿液的黏度是表征注漿材料可注性、漿液擴(kuò)散半徑大小的一個(gè)重要指標(biāo)。根據(jù)表1 測(cè)定的不同漿液配比黏度測(cè)定值，繪制漿液的黏度變化曲線，見圖1。從圖1 中可知，漿液的水固比越大，漿液的黏度越小。

圖1 漿液的黏度隨水固比變化曲線

2.2 無水條件下漿液的凝膠時(shí)間分析

根據(jù)無水條件下超高水充填注漿材料的凝膠時(shí)間測(cè)試結(jié)果，不同水固比漿液的凝膠時(shí)間變化規(guī)律見圖2，超高水注漿材料凝膠時(shí)間在8～85 s 之間變化，并隨著水固比增大，材料的凝膠時(shí)間增加。相同水固比、不同A、B 組分配比漿液的凝膠時(shí)間對(duì)比見圖3。從圖3 可以看出，同一水固比，凝膠時(shí)間隨著B 組分的比例降低而增加。相較于傳統(tǒng)水泥注漿材料，超高水注漿材料具有凝膠時(shí)間短的特點(diǎn)。因此在礦山注漿堵水工程中，超高水注漿材料可以快速封堵涌水鉆孔。

圖2 無水條件下漿液的凝膠時(shí)間隨水固比變化曲線

圖3 相同水固比不同A、B 組分配比漿液的凝膠時(shí)間對(duì)比

2.3 有水條件下漿液的凝膠時(shí)間分析

有水條件下不同水固比漿液的凝膠時(shí)間變化規(guī)律見圖4。由圖4 可知，漿液凝膠時(shí)間在8～92 s之間變化，凝膠時(shí)間隨水固比的增大而增加。與無水條件下漿液凝膠時(shí)間相比，其凝膠時(shí)間略微增大，其他變化規(guī)律基本一致，說明超高水材料具有一定的抗動(dòng)水特性。

圖4 有水條件下漿液的凝膠時(shí)間隨水固比變化曲線

2.4 漿液的結(jié)石率分析

漿體的結(jié)石率直接影響漿液對(duì)含水構(gòu)造的充填性能，也決定了注漿對(duì)含水構(gòu)造過水?dāng)嗝娴姆舛履芰Α２煌瘫葷{液的結(jié)石率變化規(guī)律見圖5。由圖5 可知，漿液結(jié)石率在80%～98%之間變化，漿液的水固比越大，其結(jié)石率越小。通過在實(shí)驗(yàn)室中養(yǎng)護(hù)發(fā)現(xiàn)，超高水材料在終凝之后隨時(shí)間延長，養(yǎng)護(hù)需水率增加，在常溫干燥空氣中養(yǎng)護(hù)易導(dǎo)致試塊表面干裂，影響材料強(qiáng)度。因而在材料結(jié)石強(qiáng)度測(cè)定試驗(yàn)中，采用溫水浴養(yǎng)護(hù)。

圖5 漿液的結(jié)石率隨水固比變化曲線

2.5 漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度分析

根據(jù)漿液結(jié)石體抗壓、抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，不同水固比漿液的抗壓強(qiáng)度（3 d、28 d）變化規(guī)律見圖6。由圖6 可知，漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度在0.2～3.5 MPa 之間變化，漿液的水固比越大，其結(jié)石抗壓強(qiáng)度越小。對(duì)比結(jié)石體3 d 與28 d 抗強(qiáng)強(qiáng)度，可以看出超高水材料前期強(qiáng)度增長較快，在恒溫水浴保養(yǎng)28 d 后結(jié)石體強(qiáng)度增長不明顯。

圖6 漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度隨水固比變化曲線

3 結(jié)論

通過對(duì)某超高水注漿堵水材料進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)不同配比漿液進(jìn)行測(cè)試和分析，得到如下結(jié)論：

（1）根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果，超高水注漿堵水材料的密度、黏度、強(qiáng)度等特性可以滿足其作為礦山注漿堵水材料的要求；

（2）在A、B 組分體積比為1:1 時(shí)，隨著漿液水固比的增加，其密度、黏度、強(qiáng)度均會(huì)降低，凝膠時(shí)間延長，水固比相同時(shí)，隨著B 組分的增加，其密度、黏度、強(qiáng)度增加，凝膠時(shí)間減少；

（3）超高水注漿堵水材料在注漿過程中具有快速凝膠的特點(diǎn)，此外還具有一定的抗動(dòng)水特性，因此使用超高水注漿堵水材料對(duì)注漿鉆孔附近水質(zhì)有一定影響，但對(duì)于遠(yuǎn)離治理區(qū)水質(zhì)影響甚微,說明超高水注漿堵水材料對(duì)有水質(zhì)要求的注漿工程具有適用性；

（4）本次試驗(yàn)推薦的漿液配比為水固比6:1、A 液與B 液體積比1:1 和水固比4:1、A 液與B 液體積比1:1 兩種漿液類型，前者適用于孔口混合的深孔細(xì)裂隙注漿堵水，后者適用于孔內(nèi)混合或鉆孔出水點(diǎn)深度小于20 m 的大裂隙注漿堵水。