黏土水泥漿深井裂隙注漿模擬試驗研究

孫 光

(中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013)

礦井水災(zāi)是影響我國各類礦山正常建設(shè)和生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一，注漿堵水是我國礦井防治水害和恢復(fù)被淹礦井的重要方法。目前的注漿工程施工，特別是立井井筒的地面預(yù)注漿工程施工中，采用最多的注漿材料為黏土水泥漿[1]，隨著井筒深度的日益加深，深部地層環(huán)境下的黏土水泥漿注漿工程面臨著高靜水壓力的影響，淺部注漿參數(shù)的設(shè)計原則應(yīng)用于深部巖石裂隙注漿設(shè)計時往往出現(xiàn)一些矛盾，使堵水加固效果不很理想，深井巖石裂隙注漿工藝研究已成為一個亟待研究的重大課題。目前，在實驗室中對黏土水泥漿進行的深井裂隙注漿模擬試驗研究相對較少，特別是在不同靜水壓力下進行的試驗研究尚屬于空白領(lǐng)域，利用相應(yīng)的試驗裝置對黏土水泥漿在深井裂隙條件下的注漿過程進行模擬研究是非常必要的。

1 黏土水泥漿流態(tài)變化特點

黏土水泥漿是以黏土漿為主要組分，摻加少量的水泥和水玻璃配制而成的多相懸浮體。是一種懸濁液，粘土顆粒較小，具有較高的分散度，沉淀分層行較小，加上水玻璃與水泥的水化作用，懸濁液中的細(xì)粒占較大比例，使粘土水泥漿的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于單液水泥漿，表現(xiàn)為析水率低、析水速率小。粘土水泥漿的析水率很低，穩(wěn)定性好，是提高注漿施工效率的內(nèi)在因素。其在凝結(jié)過程中會發(fā)生從流態(tài)到固態(tài)依次變化，并產(chǎn)生粘、塑、彈性的三態(tài)連續(xù)演變，無明顯的初凝、終凝，三態(tài)的變化大致與塑性強度隨時間的變化規(guī)律相對應(yīng)。

黏土水泥漿粘性狀態(tài)并未完全轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)的時期內(nèi)，通過其剪切速率與應(yīng)力變化的流變曲線可以判斷，黏土水泥漿符合賓漢流體的特征。隨著水泥水化反應(yīng)的不斷進行，黏土水泥漿漸漸從粘性狀態(tài)變化到塑性狀態(tài)，其流變特性也漸漸偏離賓漢流體。由于本試驗主要研究的是黏土水泥漿在深井裂隙中流動引起的注漿參數(shù)的變化規(guī)律，因此在試驗中將黏土水泥漿視為賓漢流體進行研究[2]。

2 注漿模擬試驗臺的選擇

選擇煤礦深井建設(shè)技術(shù)國家工程實驗室內(nèi)現(xiàn)有的，由天地科技建井研究院研制的高壓裂隙注漿試驗臺來進行本次試驗，其整體耐壓能力可達(dá)36MPa。試驗臺的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。用水泥砂漿制作兩塊半圓柱狀裂隙試塊，并且設(shè)定一定的裂隙隙寬后灌裝到試驗管道內(nèi)，便形成了單節(jié)的受注裂隙模型[3]，將一節(jié)節(jié)受注裂隙模型組裝到一起就形成了一條裂隙通道，如圖1所示。

1—數(shù)據(jù)端接口；2—恒壓恒速泵；3—泵控制鍵盤；4—儲漿缸； 5—攪拌裝置；6—壓力變送器；7—油水隔離器；8—排氣閥； 9—截止閥；10—受注裂隙模型；11—支座；12—燒杯； 13—溢流閥(調(diào)壓閥)；14—隔漿缸；15—PLC；16—計算機圖1 注漿試驗臺總體結(jié)構(gòu)圖

制作好的裂隙置于外徑D=146mm，內(nèi)徑d=120mm，單節(jié)長度L=500mm的管狀模具內(nèi)并進行聯(lián)接，組成長度為10m的注漿裂隙通道形成受注裂隙模型。D250×2型恒速恒壓計量泵，最大工作壓力為70MPa，流量范圍0～25mL/min，在此范圍內(nèi)既可以實現(xiàn)任一恒定流量和恒定壓力的運行。通過控制程序，可用計算機自動監(jiān)測與采集計量泵的運行以及流量、累計流量、泵壓等數(shù)據(jù)。靜水水壓恒定系統(tǒng)主要由溢流閥、隔漿缸等構(gòu)成。利用溢流閥來調(diào)節(jié)靜水壓力，當(dāng)靜水壓力高于溢流閥設(shè)定的開啟壓力時，其自動開啟，排出一定量的液體，從而使試驗臺系統(tǒng)內(nèi)始終維持在裂隙靜水壓力P靜。

圖2 一條受注裂隙模型

3 試驗安排及結(jié)果統(tǒng)計

3.1 黏土水泥漿配方選擇

本試驗用以探討?zhàn)ね了酀{在深井裂隙中注漿的一般規(guī)律，所以配方選擇的主要因素是在施工中常用的可注性較好的配方[4]。根據(jù)配方試驗測試結(jié)果，選擇兩組配方作為試驗漿液的配比，見表1。兩組配方前8h塑性強度τ與時間t的關(guān)系如圖3所示，可見，配比2的塑性強度在前8h內(nèi)增加的幅度要大于配比1[5]。

表1 黏土水泥漿試驗配方表

圖3 配比1與配比2前8h塑性強度對比圖

3.2 試驗安排及試驗結(jié)果統(tǒng)計

黏土水泥漿深井裂隙注漿模擬試驗的試驗參數(shù)有裂隙隙寬、注漿泵量、靜水壓力和黏土水泥漿配方四項，其考核指標(biāo)為漿液有效擴散距離、注漿終壓、注漿量和抗?jié)B壓力[6]。

試驗水泥取自北京水泥廠生產(chǎn)的金隅牌P.O 42.5水泥，水玻璃取自于北京市紅星廣廈化工建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)的液體硅酸鈉，水取自試驗室自來水。試驗設(shè)計中，裂隙隙寬取1mm和2mm，注漿泵量取15mL/min和25mL/min，靜水壓力取6MPa、8MPa、10MPa和12MPa，漿液配方為配比1和配比2。

根據(jù)上述試驗設(shè)計，正式試驗共六組，每組進行三次試驗，按不同的三個注漿終壓結(jié)束注漿，共18次試驗。正式試驗結(jié)果統(tǒng)計見表2。

表2 試驗結(jié)果統(tǒng)計表

注漿壓力P與注漿時間t的關(guān)系圖可以直觀的反應(yīng)在注漿過程中的壓力變化情況[7]，將試驗P-t曲線圖與考核指標(biāo)結(jié)果分析相結(jié)合，可以探索試驗過程中注漿壓力隨時間的變化對試驗結(jié)果產(chǎn)生的影響關(guān)系，可以對試驗分析形成有益補充。對6組試驗得到的P-t曲線分別進行匯總處理，結(jié)果如圖4—9所示。

圖4 第1組試驗P-t曲線圖注：配比2漿液，流量15mL/min，隙寬b=1mm

圖5 第2組試驗P-t曲線圖注：配比1漿液，流量25mL/min，隙寬b=1mm

圖6 第3組試驗P-t曲線圖注：配比1漿液，流量15mL/min，隙寬b=2mm

圖7 第4組試驗P-t曲線圖注：配比2漿液，流量25mL/min，隙寬b=2mm

圖8 第5組試驗P-t曲線圖注：配比1漿液，流量25mL/min，隙寬b=1mm

圖9 第6組試驗P-t曲線圖注：配比2漿液，流量25mL/min，隙寬b=2mm

4 試驗結(jié)果分析

4.1 漿液有效擴散距離與其他注漿參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系

根據(jù)室內(nèi)試驗獲取的數(shù)據(jù)，對漿液有效擴散距離l、裂隙隙寬b、注漿壓力P與靜水壓力Pw的壓差ΔP、塑性強度τ進行多元參數(shù)回歸分析，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入統(tǒng)計軟件Eviews，經(jīng)過多元加權(quán)線性回歸[8]，可以得到漿液有效擴散距離與其他注漿參數(shù)之間的關(guān)系式為：

l=7.56624+93.47(P-Pw)+

91.1b-58.47τ0

(1)

R=98.16%

式中，P為注漿壓力，MPa；Pw為靜水壓力，MPa；l為漿液有效擴散距離，m；b代表裂隙隙寬，mm；τ0代表漿液初始塑性強度，kPa。

4.2 各參數(shù)之間相關(guān)性分析

由式(1)可以看到，漿液擴散距離的影響因素有裂隙隙寬b、注漿壓力P與靜水壓力Pw的壓差和塑性強度τ，參數(shù)之間存在以下的相關(guān)性：

1)裂隙隙寬和注漿壓差一定的情況下，漿液塑性強度越大，漿液有效擴散距離越小。

2)裂隙隙寬與漿液塑性強度一定的情況下，注漿壓力與靜水壓力的壓力差越大，漿液的有效擴散距離越大。

3)注漿壓差和漿液塑性強度一定的情況下，裂隙隙寬越小，漿液的有效擴散距離越小。

4.3 P-t曲線類型與注漿效果關(guān)聯(lián)性分析

根據(jù)試驗結(jié)果，可以將試驗中體現(xiàn)出的P-t曲線分為平直升壓型、線性升壓型和波動升壓型。這幾種不同曲線類型在試驗中表現(xiàn)出的抗?jié)B壓力、裂隙充填狀況等注漿效果見表3。

表3 不同類型P-t曲線注漿效果參數(shù)統(tǒng)計

總的來說，3種P-t曲線類型中，從漿液的有效擴散距離來看，平直升壓型曲線優(yōu)于線性升壓型曲線優(yōu)于波動升壓型曲線；通過整體抗?jié)B壓力數(shù)值來看注漿效果的話，波動升壓型曲線優(yōu)于平直升壓型曲線優(yōu)于線性升壓型曲線。

5 結(jié) 論

在深井裂隙條件下，對黏土水泥漿進行注漿模擬試驗研究，得出以下結(jié)論：

1)影響?zhàn)ね了酀{在深井裂隙中的有效擴散距離的主要注漿參數(shù)有裂隙隙寬、漿液塑性強度、注漿壓力與靜水壓力的壓力差。結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出了黏土水泥漿有效擴散距離與注漿壓力等其他注漿參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系式：l=7566.24+93.47(P-Pw)+91.1b-58.47τ0，并分析了各個參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。

2)黏土水泥漿深井裂隙注漿的注漿壓力P隨時間t變化規(guī)律即P-t曲線有三種類型：平直升壓型、線性升壓型和波動升壓型。三種類型曲線對應(yīng)的注漿抗?jié)B壓力都遠(yuǎn)大于靜水壓力，體現(xiàn)了較好的注漿效果。

3)三種類型P-t曲線從漿液的有效擴散距離來看，平直升壓型曲線優(yōu)于線性升壓型曲線優(yōu)于波動升壓型曲線；通過整體抗?jié)B壓力數(shù)值來看注漿效果的話，波動升壓型曲線優(yōu)于平直升壓型曲線優(yōu)于線性升壓型曲線。