賀 文

(1.天地科技股份有限公司，北京 100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；3.礦山深井建設(shè)技術(shù)國(guó)家工程研究中心，北京 100013)

烏蒙山區(qū)地跨云、貴、川三省，區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富[1]，區(qū)內(nèi)地形切割起伏大，含水巖組類(lèi)型多，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，造成區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源開(kāi)采難度較大。特別是礦井水害問(wèn)題，嚴(yán)重制約了區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源的安全高效開(kāi)發(fā)。隨著開(kāi)采深度的不斷增加，滇東北毛坪礦最大礦坑涌水量已達(dá)80000 m3/d[2]，不僅排水費(fèi)用陡增，同時(shí)水患已成為礦井正常生產(chǎn)的重大安全隱患。注漿技術(shù)是防治地下工程水患的重要手段[3，4]，既適用于井巷工程涌水量的預(yù)注漿提前封堵，也適用于水淹區(qū)域的快速封堵與搶險(xiǎn)。注漿堵水機(jī)理和新型注漿材料研發(fā)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。袁東鋒等[5]介紹了井筒穿越巨厚白云巖含水層的地面預(yù)注漿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超過(guò)300 m厚的含水層快速封堵。尚宏波等[6]研究了帷幕注漿中單液水泥漿擴(kuò)散規(guī)律，為堵水帷幕設(shè)計(jì)提供依據(jù)。賀文等[7]介紹了千米級(jí)盲豎井分段預(yù)注漿堵水技術(shù)，為盲豎井井筒水害防治提供借鑒。采用合理的注漿材料是成功實(shí)現(xiàn)注漿堵水的關(guān)鍵，工程中不僅要求注漿材料綠色環(huán)保、穩(wěn)定性好；而且要求材料取材方便、成本低廉，以便大規(guī)模應(yīng)用[8]。唐超等[9]研究了納米材料對(duì)水泥漿液的改性研究，發(fā)現(xiàn)納米硅溶膠可明顯縮短漿液的凝結(jié)時(shí)間，提高漿液黏度和結(jié)石率。田慶浩等[10]研究了黏土水泥漿的本構(gòu)關(guān)系和流變參數(shù)時(shí)變特性，指出H-B模型更符合試驗(yàn)結(jié)果?；瘜W(xué)漿材價(jià)格昂貴且存在污染水源的風(fēng)險(xiǎn)，因此無(wú)機(jī)注漿材料是當(dāng)前的主流選擇。黏土綜合漿是黏土原漿添加膠凝材料和結(jié)構(gòu)添加劑而配置的環(huán)保型注漿材料[10-12]，廣泛使用于我國(guó)井筒預(yù)注漿工程和煤層底板注漿改造[13-16]。

烏蒙山區(qū)礦井水害防治需求大量注漿材料，當(dāng)前成熟的黏土綜合漿材料主要以東部地區(qū)軟黏土配制，若采用東部地區(qū)黏土材料將急劇增加注漿材料成本?？紤]區(qū)內(nèi)有廣泛分布的紅黏土，是潛在的優(yōu)良注漿材料。然而烏蒙山區(qū)紅黏土與東部地區(qū)軟黏土存在一定性質(zhì)差異，因此，以烏蒙山區(qū)紅黏土為基礎(chǔ)研究紅黏土注漿堵水材料具有重要意義。本文采用室內(nèi)試驗(yàn)，研究了紅黏土綜合漿黏度、比重、塑性強(qiáng)度、析水率等基本性能，確定了適合井筒預(yù)注漿堵水的紅黏土綜合漿配比并應(yīng)用于千米盲豎井井筒注漿堵水工程，堵水效果良好。

1 烏蒙山區(qū)紅黏土特性分析

以云南省昭通市彝良縣龍街鄉(xiāng)紅黏土進(jìn)行分析，采用X射線熒光光譜法獲得烏蒙山區(qū)典型紅黏土的成分，見(jiàn)表1。除了常見(jiàn)的SiO2和Al2O3等成分外，烏蒙山區(qū)紅黏土中Fe2O3的含量高達(dá)10%左右，這是烏蒙山區(qū)黏土呈紅色的主要原因。為了進(jìn)一步說(shuō)明烏蒙山區(qū)紅黏土的黏度和析水率，選擇五種黏土樣進(jìn)行對(duì)比分析，其中，樣品1取自安徽、樣品2取自河南、樣品3取自貴州、樣品4取自云南曲靖，樣品5取自云南彝良。樣品1與樣品2為東部地區(qū)典型黏土，樣品3至樣品5為典型的西南烏蒙山區(qū)紅黏土。

表1 烏蒙山區(qū)紅黏土成分比例 %

將五種黏土樣品分別加水浸泡，攪拌后過(guò)濾雜質(zhì)，制成黏土原漿；再加入水泥、水玻璃后初步制成黏土綜合漿。當(dāng)原漿密度1.12 g/cm3、水泥量200 g/L、結(jié)構(gòu)添加劑用量30 mL/L時(shí)，5種土樣漿液黏度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2?？梢园l(fā)現(xiàn)5種樣品原漿黏度較為接近，介于17.12～19.16 s，加入水泥和水玻璃后，黏土綜合漿成漿黏度為26.85～52.3 s，平均為39.87 s。可發(fā)現(xiàn)西南烏蒙山區(qū)紅黏土所配漿液的黏度明顯高于東部地區(qū)黏土。因此，烏蒙山區(qū)紅黏土與東部地區(qū)軟黏土的物性差異對(duì)漿液黏度存在較大影響。黏度過(guò)大造成漿液的流動(dòng)性差，難以保證漿液充足的擴(kuò)散范圍。樣品3加入水泥和水玻璃后黏度增長(zhǎng)最大，增長(zhǎng)33.14 s，成漿黏度幾乎是樣品1所配漿液的2倍，難以滿足注漿施工需求。樣品5黏度增長(zhǎng)中等，可通過(guò)漿液性能和配方試驗(yàn)優(yōu)化漿液性能，保證注漿材料的堵水效果。

表2 五種土樣配制黏土綜合漿黏度與比重

2 紅黏土綜合漿性能及配方試驗(yàn)

為確定析水率較小、黏度適宜的漿液配比范圍，進(jìn)行了不同原漿密度、不同水泥添加量、不同添加劑用量的漿液性能對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)所用原材料如下：紅黏土選用云南省昭通市彝良縣紅黏土；水泥為PO 42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積366 m2/kg，初凝時(shí)間186 min，終凝時(shí)間313 min；結(jié)構(gòu)添加劑采用水玻璃，模數(shù)3.1～3.4，濃度39～42 °Bé。漿液黏度和塑性強(qiáng)度分別采用馬氏漏斗和維卡儀進(jìn)行測(cè)試。

2.1 原漿比重對(duì)漿液性能的影響

原漿密度對(duì)紅黏土綜合漿黏度和塑性強(qiáng)度的影響如圖1所示。不添加結(jié)構(gòu)添加劑時(shí)，原漿密度和水泥量對(duì)紅黏土綜合漿黏度變化的影響如圖1(a)所示，可發(fā)現(xiàn)漿液黏度隨原漿密度和水泥用量的增加而增加，隨著水泥用量的增加，漿液黏度隨原漿密度增加的增長(zhǎng)速率呈現(xiàn)明顯的非線性特征；原漿密度對(duì)紅黏土綜合漿塑性強(qiáng)度的影響如圖1(b)所示，此時(shí)水泥量為250 g/L，結(jié)構(gòu)添加劑用量為10 mL/L，可以發(fā)現(xiàn)漿液密度對(duì)紅黏土綜合漿塑性強(qiáng)度影響明顯，當(dāng)原漿密度小于等于1.16 g/cm3時(shí)，漿液塑性強(qiáng)度隨齡期緩慢上升，當(dāng)原漿密度大于1.16 g/cm3時(shí)，漿液塑性強(qiáng)度顯著增大。

圖1 原漿密度對(duì)紅黏土綜合漿黏度和塑性強(qiáng)度的影響

2.2 水泥量對(duì)漿液性能的影響

水泥量對(duì)紅黏土綜合漿黏度和塑性強(qiáng)度的影響如圖2所示。結(jié)構(gòu)添加劑用量為30 mL/L時(shí)，原漿密度和水泥量對(duì)紅黏土綜合漿黏度變化的影響如圖2(a)所示，原漿密度相同條件下漿液黏度隨水泥量的增加而增加；原漿密度大于1.16 g/cm3，水泥量大于200 g/L時(shí)，紅黏土漿液黏度隨水泥量增加而顯著增加。水泥量對(duì)紅黏土綜合漿塑性強(qiáng)度的影響如圖2(b)所示，此時(shí)原漿密度為1.12 g/mL，水玻璃加量為10 mL/L，可以發(fā)現(xiàn)水泥量對(duì)紅黏土綜合漿塑性強(qiáng)度影響明顯，水泥量大于200 g/L時(shí)，漿液塑性強(qiáng)度迅速攀升，漿液性能與水泥量呈正相關(guān)關(guān)系。

圖2 水泥添加量對(duì)紅黏土綜合漿黏度和塑性強(qiáng)度的影響

2.3 結(jié)構(gòu)添加劑對(duì)漿液性能的影響

結(jié)構(gòu)添加劑對(duì)紅黏土綜合漿黏度和塑性強(qiáng)度的影響如圖3所示。原漿密度和結(jié)構(gòu)添加劑對(duì)紅黏土綜合漿黏度變化的影響如圖3(a)所示，原漿密度相同條件下漿液黏度隨結(jié)構(gòu)添加劑用量的增加而近線性增加。結(jié)構(gòu)添加劑對(duì)紅黏土綜合漿塑性強(qiáng)度的影響如圖3(b)所示，此時(shí)原漿密度為1.16 g/mL，水泥加量為250 g/L，可以發(fā)現(xiàn)在不同結(jié)構(gòu)添加劑用量條件下，漿液塑性強(qiáng)度整體上隨齡期增大而增大；但當(dāng)結(jié)構(gòu)添加劑量為0時(shí)，由于漿液析水率比加入一定量水玻璃的漿液析水率大很多，使析水后漿液中固相成分更密實(shí)，反而使?jié){液塑性強(qiáng)度比加入10 mL/L水玻璃的漿液塑性強(qiáng)度更高。

圖3 結(jié)構(gòu)添加劑用量對(duì)紅黏土綜合漿黏度和塑性強(qiáng)度的影響

綜上分析，原漿密度是影響漿液基本性能的基礎(chǔ)，水泥量、結(jié)構(gòu)添加劑都直接影響漿液黏度和塑性強(qiáng)度?？傮w上，紅黏土綜合漿性能與水泥加量和結(jié)構(gòu)添加劑用量成正相關(guān)。高水壓強(qiáng)富水條件注漿堵水漿液要求成漿漏斗黏度大于30 s，比重大于1.2 g/cm3，析水率小于5%，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，符合要求的配比漿液結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 紅黏土綜合漿配比結(jié)果

3 紅黏土綜合漿結(jié)石體產(chǎn)物及微結(jié)構(gòu)分析

3.1 紅黏土綜合漿水化產(chǎn)物

紅外光譜分析中每一個(gè)吸收譜帶都對(duì)應(yīng)于黏土綜合漿液結(jié)石體中某化合物的質(zhì)點(diǎn)或基團(tuán)振動(dòng)的形式，通過(guò)對(duì)吸收譜帶的對(duì)比分析，可以判斷漿液水化反應(yīng)的速度區(qū)別、水化產(chǎn)物的含量差異。典型紅黏土綜合漿試樣在7 d齡期測(cè)得的紅外光譜如圖4所示?？梢钥闯?，試樣最主要的吸收峰位于波數(shù)3420 cm-1附近，對(duì)應(yīng)的官能團(tuán)為—OH離子；在波數(shù)1637 cm-1附近的次強(qiáng)吸收峰對(duì)應(yīng)官能團(tuán)為水分子；在波數(shù)1401 cm-1附近吸收峰對(duì)應(yīng)官能團(tuán)為碳酸鹽；在波數(shù)1025 cm-1附近吸收峰對(duì)應(yīng)官能團(tuán)為Si—O或Si(Al)—O；在波數(shù)874 cm-1附近吸收峰對(duì)應(yīng)官能團(tuán)為碳酸鹽；在波數(shù)797 cm-1附近吸收峰對(duì)應(yīng)官能團(tuán)為Si—O—Si(Al)；在波數(shù)530 cm-1和472 cm-1吸收峰對(duì)應(yīng)官能團(tuán)為Si—O或Si(Al)—O；綜合來(lái)看，三種試樣中除含有水分子外，主要成分均包含大量—OH離子、硅酸鹽、硅鋁酸鹽、碳酸鹽。紅黏土水泥基材料的水化產(chǎn)物主要有鈣礬石、Ca(OH)2晶體和C—S—H凝膠3類(lèi)。

圖4 紅黏土綜合漿結(jié)石體在7d齡期的紅外光譜

3.2 紅黏土綜合漿結(jié)石體掃描電鏡分析

掃描電鏡分析可獲得漿液結(jié)石體微結(jié)構(gòu)演化特征，紅黏土綜合漿結(jié)石體齡期為3，7，28 d的掃描電鏡照片如圖5所示。其中，試樣A1和A2的結(jié)構(gòu)添加劑用量分別為0，20 mL/L，原漿密度和水泥加量相同，其中原漿密度為1.12 g/cm3，水泥用量200 g/L。

圖5 紅黏土綜合漿結(jié)石體在不同齡期的掃描電鏡照片

試樣A1在齡期為3，7，28 d的微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡照片如圖5(a)—圖5(c)所示?？梢钥闯觯孩僭嚇釉?d齡期的主要水化產(chǎn)物為片層狀的Ca(OH)2晶體和不規(guī)則狀C—S—H凝膠，針柱狀鈣礬石分布量大，纖維狀或細(xì)針狀的結(jié)晶體(水化硅酸鈣)開(kāi)始生成，結(jié)石體整體結(jié)構(gòu)疏松；②隨著齡期的增加，鈣礬石含量略微增加，而Ca(OH)2晶體和C—S—H凝膠生長(zhǎng)迅速，不斷充填黏土和水泥顆粒周?chē)障叮虎?28d齡期時(shí)，C—S—H凝膠繼續(xù)生長(zhǎng)，使各種水化產(chǎn)物相互連接，形成較為緊密的網(wǎng)狀或塊狀整體結(jié)構(gòu)，把鈣礬石和Ca(OH)2包裹在內(nèi)；此時(shí)水化產(chǎn)物數(shù)量較多，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

試樣A2在齡期3，7，28 d的微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡照片如圖5(d)—圖5(f)所示。可以看出：①結(jié)石體早期板片狀的Ca(OH)2晶體數(shù)量較多，大量鈣礬石之間相互交接在一起形成網(wǎng)狀，絮狀C—S—H凝膠也大量生成分布其中，使得材料的密實(shí)度增強(qiáng)，強(qiáng)度較高；②隨著水化的進(jìn)行，C—S—H凝膠和Ca(OH)2晶體迅速生長(zhǎng)，充填水泥顆粒和黏土顆粒間的空隙，C—S—H凝膠逐漸將鈣礬石和Ca(OH)2覆蓋；③28 d齡期時(shí)，C—S—H凝膠成為主要水化產(chǎn)物，并將其他水化產(chǎn)物覆蓋，黏結(jié)形成較大的團(tuán)塊整體，力學(xué)性能和耐久性得到進(jìn)一步提高。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)添加水玻璃材料后，促進(jìn)了水泥的水化反應(yīng)，結(jié)石體中早期Ca(OH)2晶體、鈣礬石、C—S—H凝膠的生成速度明顯提高，微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)度提高；早期水化反應(yīng)的快速進(jìn)行，減少了自由水的含量，從而降低了漿液析水率，結(jié)石率顯著提高。

4 紅黏土漿材井筒注漿堵水工程應(yīng)用

4.1 工程概況

毛坪礦92線盲豎井鑿井施工中涌水量過(guò)大造成多次淹井事故，最終導(dǎo)致井筒廢棄。新建112線盲豎井井筒直徑5.7 m，荒徑6.5 m。井口位置標(biāo)高+910 m，井筒落地標(biāo)高-50 m，井筒深度960 m。井筒穿越泥盆系宰格組白云巖溶蝕含水層為典型的高水壓強(qiáng)富水地層，預(yù)測(cè)井筒涌水量為314.8 m3/h。為了防止鑿井過(guò)程中出現(xiàn)水害事故，采用預(yù)注漿技術(shù)形成圍繞井筒的注漿堵水帷幕，注漿防治水工程共設(shè)計(jì)6個(gè)S形注漿鉆孔，注漿段鉆孔落點(diǎn)圈徑9.5 m，總注漿段高494 m，112線豎井注漿布置如圖6所示。注漿材料采用烏蒙山區(qū)彝良紅黏土綜合漿材料，漿液配比見(jiàn)表3。

圖6 112線豎井注漿布置

4.2 綜合漿注漿效果

紅黏土綜合漿注漿效果直接反映紅黏土注漿材料的堵水性能。112線盲豎井井筒預(yù)注漿工程總注漿量為15410 m3，其中紅黏土注漿量為15189 m3，占比98.56%。注漿結(jié)束后，鑿井揭露地層導(dǎo)水裂隙內(nèi)充滿漿液結(jié)石體，裂隙充填飽滿，漿液結(jié)石體與巖層膠結(jié)完整。鑿井實(shí)測(cè)注漿段井筒剩余涌水量為6.32 m3/h，對(duì)比勘察預(yù)測(cè)井筒涌水量314.8 m3/h，紅黏土材料注漿的堵水率為98%，堵水性能優(yōu)越。

5 結(jié) 論

1)紅黏土綜合漿基本性能受到原漿密度、水泥量和結(jié)構(gòu)添加劑用量共同影響。原漿密度是影響紅黏土漿液性能的基礎(chǔ)，紅黏土綜合漿漿液黏度和塑性強(qiáng)與水泥量和結(jié)構(gòu)添加劑用量正相關(guān)。

2)紅黏土綜合漿的水化產(chǎn)物主要包括鈣礬石、Ca(OH)2晶體和C—S—H凝膠3類(lèi)。結(jié)構(gòu)添加劑可明顯促進(jìn)了紅黏土綜合漿早期水化反應(yīng)進(jìn)程，結(jié)石體中早期Ca(OH)2晶體、鈣礬石、C—S—H凝膠的生成速度明顯提高，降低了漿液析水率，顯著提高漿液微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)度和結(jié)石率。

3)紅黏土綜合漿成功應(yīng)用于毛坪礦112線盲豎井預(yù)注漿堵水工程，紅黏土綜合漿注漿量15189 m3，鑿井實(shí)測(cè)井筒剩余涌水量?jī)H為6.32 m3/h，堵水率達(dá)98%。紅黏土綜合漿可注性良好，可有效充填地層導(dǎo)水裂隙，堵水性能優(yōu)越。