張 寧

（山西焦煤能源集團有限公司，山西 太原 030006）

礦井井筒的防水堵漏工作是煤礦開采過程中經(jīng)常遇到的問題，通常治理井筒漏水采用注漿的方式[1]。通過漿液凝固后形成的固結(jié)體封堵井壁中的滲流通道，是有效解決礦井井筒防水滲漏的重要手段。目前，礦井井筒壁后注漿材料主要有兩種類型，一種是物理注漿材料，通常采用水泥或者水泥－水玻璃材料作為井筒壁后注漿堵水的漿液[2]。另一種是化學(xué)注漿材料，通常采用有機材料丙烯酰胺漿液。但是化學(xué)有機漿液往往附帶著毒性，隨著環(huán)保意識的提高以及對地下水資源的重視與保護，各種有毒的化學(xué)漿液被禁止使用[3]。由于水泥水玻璃漿液無毒無害，漿液的膠凝時間從十幾秒到十幾分鐘之間，因此，水泥水玻璃漿液被廣泛應(yīng)用于地鐵隧道、煤礦井巷等防水堵漏工程中。水泥水玻璃漿液結(jié)石體的強度較高，而且結(jié)石體的沁水率小，封堵效果好，可以作為煤礦井筒壁后注漿治理井筒涌水問題的注漿材料。

1 工程地質(zhì)概況

山西焦煤官地礦井田位于呂梁山脈東側(cè)，屬于中低山區(qū)。井田內(nèi)地形復(fù)雜，斷層切割劇烈，山頂多為黃土覆蓋，溝谷兩側(cè)基層裸露。其中地表主要為填土、黃土以及強風(fēng)化泥巖。官地礦副井井筒全深為680 m，直徑為7.0 m，其中地表土層采用雙層混凝土井壁，井筒內(nèi)壁厚度約為500 mm，井筒外壁厚度為400 mm。地下水位在-3 m，地表井筒施工過程中采用凍結(jié)法進行施工。針對井筒所處地層特點，井筒施工過程中采用地面預(yù)注漿以及凍結(jié)施工治水措施。在施工完成后井筒地表段開始出現(xiàn)滲水情況，滲水段距離地表45 m，整個副井井筒的涌水量為1 m3/h，井筒的涌水量相對較小。為了解決井筒的涌水問題，先采用水泥砂漿進行充填，井筒涌水量控制在0.5 m3/h。但隨著雨季的到來，井筒的涌水量開始逐漸增加，最大涌水量達到了1.5 m3/h，而且井筒滲水問題有進一步加大的趨勢。長期的地表潛水滲漏不僅會導(dǎo)致井筒筒壁發(fā)生變形，而且會影響周圍地下水位。水位線下降將導(dǎo)致地表出現(xiàn)二次沉降問題，影響礦井及周圍環(huán)境安全。為了徹底治理井筒涌水問題，采用水泥水玻璃漿液對井筒壁后進行注漿封堵。具體施工流程是：①調(diào)查井筒位置處水文地質(zhì)情況，包括年降水量等。②分析井筒涌水特點，選取合適的漿液類型。③制定合理可行的注漿方案，選擇安全無污染的注漿材料。④根據(jù)室內(nèi)試驗確定漿液的配比及漿液膠凝時間。⑤注漿效果檢驗。

2 注漿加固設(shè)計方案

2.1 注漿加固原理

山西焦煤官地礦井田位于呂梁山脈東側(cè)，屬于中低山區(qū)。井田內(nèi)地形復(fù)雜，斷層切割劇烈，山頂多為黃土覆蓋，溝谷兩側(cè)基層裸露。分析官地礦井所處的水文地質(zhì)及工程地質(zhì)資料可知，井筒在建設(shè)過程中穿越富水砂土地層，施工過程中由于采用了凍結(jié)施工的方法，施工過程中對淺層地表進行了凍結(jié)，井筒尚未出現(xiàn)滲漏情況。井筒周圍巖土體裂隙發(fā)育，巖土體的整體性較差，地表凍結(jié)停止后井筒壁后出現(xiàn)了較大的滲水情況。經(jīng)上述分析可知，井筒涌水水源主要來自基巖風(fēng)化帶和二疊系砂巖水，靜水壓力大，這些層段也是注漿工程加固防水堵漏的主要目標層段。由于水泥漿液的膠凝時間較長，在富水地層難以快速凝結(jié)，同時由于地下水滲流的原因還可能出現(xiàn)“跑漿”的現(xiàn)象，無法從根本上解決井筒滲水問題。因此，采用膠凝時間可以調(diào)節(jié)的水泥水玻璃漿液治理井筒滲水情況。水泥水玻璃的漿液膠凝時間從十幾秒到十幾分鐘不等，而且固結(jié)后結(jié)石體具有強度高，親水率小等特點，故可以作為井筒涌水堵漏材料。

2.2 井筒筒壁注漿施工工藝

采用回旋式Y(jié)G-2工程鉆機對井筒滲漏位置處進行梅花式鉆孔，鉆孔直徑為40 mm，鉆孔深度為2 m。利用BACHY型旋轉(zhuǎn)式制漿設(shè)備對注漿漿液進行充分攪拌，采用QB50/18化學(xué)注漿專用型氣動雙液注漿泵，實現(xiàn)雙液無極變比可調(diào)注漿。在注漿孔口安裝空口管－安裝高壓球閥－抽釬關(guān)閉球閥、連接混合器與注漿管路－控制注漿壓力（0.2～0.3 MPa）－漿液pH檢測－注漿孔封堵－換孔。

3 水泥水玻璃漿液性能研究

3.1 水泥水玻璃漿液膠凝時間

漿液的膠凝時間與固結(jié)體的強度是影響漿液的使用性能和注漿效果的重要參數(shù)。漿液的膠凝時間長短影響著漿液的擴散半徑[4]。在礦井井筒壁后堵水中要求快速對井筒滲流豎井進行封堵，選用的漿液必須具備膠凝時間短而且不易被流動的地下水稀釋的特性。由于水泥水玻璃漿液的膠凝時間在十幾秒到十幾分鐘不等，根據(jù)水泥與水玻璃以及添加劑氯化鈣的配比可調(diào)，因此通過倒杯法測量漿液的膠凝時間。倒杯法的操作流程為：①取200 mL主劑和適量固化劑（根據(jù)漿液配比添加）在甲杯中進行混合，同時計時開始。②用手持甲、乙兩個杯子，將混合好的漿液循環(huán)往復(fù)在兩個杯子倒來倒去，直至漿液凝結(jié)不再流動，這一過程中所記錄的時間為終凝時間。

從表1中可以看出在酸性條件下，隨著碳酸鈣含量的增加，漿液的pH值酸堿度逐漸升高，漿液的膠凝時間從600 min逐漸縮短至4 min左右。根據(jù)上述試驗結(jié)果可以得到漿液pH值在4.3～4.5左右、漿液的膠凝時間在4 min左右時，適合于礦井井筒壁后注漿堵水施工。

表1 20°Be'水玻璃膠凝時間

3.2 漿液固結(jié)體強度

漿液的膠凝時間會隨著漿液pH值的改變而發(fā)生變化，碳酸鈣的摻入不僅可以改變漿液的膠凝時間，同時也會改變漿液固結(jié)體的強度。在水玻璃和硫酸的體積比為0.946的漿液中加入不同含量的碳酸鈣來測定固結(jié)體的強度。采用WDW-100電子萬能試驗機對水泥水玻璃漿液固結(jié)體的強度進行測試，固結(jié)體強度及配比如表2所示。從表中可以看出碳酸鈣的含量由2.27 g增加到4.3 g過程中漿液結(jié)石體的強度逐漸增加，但是隨著碳酸鈣質(zhì)量的逐漸增加，漿液結(jié)石體的強度增長幅度逐漸減小。分析其中的原因是硫酸與碳酸鈣反應(yīng)生成的硫酸鈣微溶于水，阻礙了反應(yīng)的進行。加入3.9 g碳酸鈣得到最佳的結(jié)石體抗壓強度，合理的比例應(yīng)該是0.946:1:0.063。

表2 漿液結(jié)石體抗壓強度實驗配比及結(jié)果

3.3 注漿漿液配比

注漿施工前，可根據(jù)施工地點的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件、工程要求、材料性能等進行配方試驗，確定具體的配方和配比。但由于室內(nèi)實驗條件與現(xiàn)場存在差異，因此室內(nèi)實驗的結(jié)果要根據(jù)野外施工實際進行調(diào)整，以適應(yīng)現(xiàn)場的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件。在注漿過程中及時根據(jù)施工情況調(diào)節(jié)漿液配比，從而對漿液凝固時間、強度等進行有效控制。故初步設(shè)計井筒封堵材料采用水泥等混合材料以及水玻璃－硫酸漿液加碳酸鈣，水玻璃－硫酸－碳酸鈣比例為0.946∶1∶0.062。

4 注漿效果評價

當前，注漿施工封堵效果檢測的方式有物探法（TPS）、檢查孔法和數(shù)字鉆孔攝像法。本次水泥水玻璃漿液治理副井井筒涌水問題，注漿封堵過程中不能影響副井的正常使用功能。而且評價注漿效果最直接的方式就是觀測漿液的堵水效果。通過觀測涌水量，從注漿封堵前的1.5 m3/h已經(jīng)降低至注漿封堵后的0.05 m3/h，副井井筒的涌水問題得到了有效控制。目前，井筒僅出現(xiàn)少量滲水，不影響井筒的正常使用。根據(jù)本次水泥水玻璃漿液治理礦井井筒涌水問題的實踐可以發(fā)現(xiàn)，水泥水玻璃漿液的膠凝時間可調(diào)節(jié)，漿液凝固快，不容易被地下水稀釋，止水效果好。

5 結(jié)論

1）礦井井筒滲水問題一直是困擾礦井安全生產(chǎn)和建設(shè)的重要因素，通過綠色無毒的水泥水玻璃漿液來進行礦井井筒的堵水可以達到安全綠色、便捷高效的堵水效果。

2）水泥水玻璃漿液的膠凝時間可以隨漿液的pH值進行調(diào)整，適用于堵水工作漿液的pH值應(yīng)在4.3～4.5偏酸性環(huán)境，此時水泥水玻璃漿液的膠凝時間在4分鐘左右，可以防止?jié){液被地下水稀釋。

3）隨著碳酸鈣的質(zhì)量增加，固結(jié)體不同齡期的抗壓強度均不斷增大，但增大的程度逐漸減小，確定抗壓強度最大時對應(yīng)的水玻璃－硫酸－碳酸鈣的最佳配比為0.946∶1∶0.062。