化學(xué)注漿固結(jié)砂微觀孔隙與力學(xué)特性研究

袁世沖，張改玲

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.華北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家莊 050021；3.河北省礦山地下水安全技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050021)

0 引 言

化學(xué)注漿是煤礦井筒穿越富水砂層或?qū)严稁贤ㄉ喜亢袼缮诱T發(fā)工作面突水潰砂災(zāi)害的一種常用的防滲加固手段，可顯著提高松散砂層的整體穩(wěn)定性與抗?jié)B性能，從而達(dá)到穩(wěn)固砂源和切斷水砂通道的目的[1-2]?；瘜W(xué)漿液泛指所有有機(jī)高分子類漿材，例如丙烯酰胺類、木質(zhì)素類、脲醛樹脂類、聚乙烯醇類等黏時(shí)變類漿液，相比于傳統(tǒng)的無機(jī)類漿材，例如水泥、粉煤灰、改性黏土類漿液；具有低壓條件下良好的滲透擴(kuò)散特性及長(zhǎng)期抗?jié)B加固穩(wěn)定性?；瘜W(xué)注漿技術(shù)已經(jīng)在神東、晉北、魯西、兩淮及陜北等多個(gè)全國(guó)重要煤炭基地的100多個(gè)井筒和采掘工作面中得到了應(yīng)用，對(duì)嚴(yán)重變形破裂井壁進(jìn)行了有效修復(fù)，對(duì)厚松散層開采可能造成的突水潰砂及淹井事故進(jìn)行了有效防治，保障了礦井的安全和煤炭的高效開采[3-5]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)化學(xué)注漿的理論與實(shí)踐進(jìn)行了大量的研究，注漿理論方面的研究主要運(yùn)用室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬2種方法，注漿實(shí)踐方面的研究則主要集中在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、注漿效果檢驗(yàn)與工藝創(chuàng)新3個(gè)方面。郭密文[6]研究了高壓封閉環(huán)境下改性脲醛樹脂漿液在飽和松散孔隙介質(zhì)中的擴(kuò)散機(jī)制與模式；楊志全等[7]、葉飛等[8-9]建立了基于賓漢姆流體黏時(shí)變特性的滲透注漿理論模型，并推導(dǎo)了擴(kuò)散半徑與注漿壓力的理論公式；OZGUREL等[10]對(duì)丙烯酰胺類漿液加固不同級(jí)配砂層后的力學(xué)性質(zhì)及滲透性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并提出了注漿固砂體擴(kuò)散加固形態(tài)的數(shù)學(xué)模型；錢自衛(wèi)等[11]采用模型試驗(yàn)的方法研究了不同有效粒徑及細(xì)度模數(shù)的弱膠結(jié)孔隙介質(zhì)，在化學(xué)注漿前后強(qiáng)度與滲透系數(shù)的變化；劉人太等[12]采用模型試驗(yàn)和有限元模擬軟件驗(yàn)證了高聚物改性水泥漿液在動(dòng)水條件下的擴(kuò)散規(guī)律；程少振等[13]采用自主研發(fā)的基于有限元與流體體積函數(shù)的數(shù)值方法對(duì)劈裂注漿過程的漿脈形態(tài)發(fā)育特征進(jìn)行了模擬研究。袁世沖等[14]、錢自衛(wèi)等[15]運(yùn)用水泥-水玻璃漿液和改性脲醛樹脂-草酸漿液相配合，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，成功治理了金雞灘煤礦副斜井嚴(yán)重破裂井壁導(dǎo)致的突水涌砂災(zāi)害；同時(shí)，分布式光纖、井間CT、高密度電法等手段也被廣泛運(yùn)用在煤礦化學(xué)注漿的過程監(jiān)測(cè)與效果檢測(cè)中[16]。

目前針對(duì)化學(xué)漿液的研究主要是針對(duì)不同被注介質(zhì)性質(zhì)、不同邊界條件及不同注漿參數(shù)下的試驗(yàn)研究。對(duì)化學(xué)注漿固結(jié)體的研究還比較少，且主要集中在固結(jié)體的宏觀力學(xué)性質(zhì)方面，對(duì)固結(jié)體的微觀特性的研究有待加強(qiáng)?；诖?，采用壓汞試驗(yàn)和斷層CT掃描2種方法測(cè)定了化學(xué)注漿固結(jié)砂的微觀孔隙特性，同時(shí)采用SLB-1型三軸剪切滲透儀測(cè)試了化學(xué)注漿固結(jié)砂的抗壓強(qiáng)度及滲透系數(shù)，并分析了孔隙度與強(qiáng)度的變化。為化學(xué)注漿治理突水涌砂災(zāi)害、修復(fù)破裂井壁及加固巷道圍巖等提供工程依據(jù)。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 化學(xué)漿液基本性能

試驗(yàn)選用的化學(xué)漿液為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的ZK-Ⅲ型孔隙溶膠，主要成分為脲醛樹脂，輔以5%的添加劑，添加劑的主要作用是提高漿液在溶水狀態(tài)下的固結(jié)強(qiáng)度，增強(qiáng)漿液固結(jié)后的塑性，草酸溶液為催化劑，可大幅度縮短凝膠時(shí)間，通過調(diào)節(jié)草酸溶液濃度可控制反應(yīng)時(shí)間。

改性脲醛樹脂漿液的初始黏度為10～20 mPa·s，純漿液剪切強(qiáng)度3.0～4.5 MPa，漿液結(jié)石體單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)7.5 MPa，抗?jié)B系數(shù)可達(dá)10-8cm/s量級(jí)，膠凝時(shí)間在幾秒到幾分鐘之間可調(diào)，主要受環(huán)境溫度和草酸溶液濃度的影響，如圖1所示。由圖1可知，相同環(huán)境溫度下草酸溶液的濃度越高，膠凝時(shí)間越短；相同草酸溶液濃度下環(huán)境溫度越高，膠凝時(shí)間越短，且呈現(xiàn)3個(gè)階段變化：第Ⅰ階段膠凝時(shí)間隨環(huán)境溫度大致呈線性遞減變化；第Ⅱ階段隨環(huán)境溫度升高，化學(xué)反應(yīng)加速進(jìn)行，膠凝時(shí)間快速縮短；第Ⅲ階段膠凝時(shí)間隨環(huán)境溫度升高基本保持不變。

圖1 環(huán)境溫度與草酸溶液濃度對(duì)膠凝時(shí)間的影響Fig.1 Ambient temperature and concentration of oxalic acid solution effect to gelation time

1.2 試驗(yàn)過程控制

試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)所選用風(fēng)積砂試樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)在文獻(xiàn)[14]中已經(jīng)詳細(xì)介紹，在此不再贅述，試驗(yàn)選取的過程參數(shù)見表1。

表1 注漿過程參數(shù)選取Table 1 Grouting process parameters

試驗(yàn)結(jié)束后將形成的化學(xué)注漿固砂體整體剝離出來，其整體形態(tài)特征如圖2所示。由圖2可知，固砂體整體呈圓球形，從剖面中可以觀察出，發(fā)育主劈裂化學(xué)漿脈，沿其四周發(fā)育若干條分支漿脈，化學(xué)漿液沿各條漿脈向四周滲透擴(kuò)散固砂。

圖2 化學(xué)注漿固砂體整體形態(tài)特征Fig.2 Morphological characteristics of chemically grouted sand

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓汞試驗(yàn)

汞對(duì)絕大多數(shù)造巖礦物具有非潤(rùn)濕性，當(dāng)對(duì)汞施加的壓力大于毛管阻力時(shí)，汞就會(huì)進(jìn)去孔隙內(nèi)部，當(dāng)對(duì)汞施加的壓力釋放時(shí)，進(jìn)入孔隙內(nèi)部的汞會(huì)逐漸退出來，通過監(jiān)測(cè)不同壓力下，汞進(jìn)入與退出的量，繪制壓力與體積的關(guān)系曲線，即有

pπr2=-2πrσcosα

(1)

式中：p為對(duì)汞施加壓力；r為孔隙半徑；σ為汞的表面張力系數(shù)，σ=0.485 N/m；α為汞對(duì)材料的浸潤(rùn)角，α=130°。

壓汞試驗(yàn)采用AutoPore Ⅳ 9510型全自動(dòng)壓汞儀，其最大壓力為6萬磅，即414 MPa，可測(cè)量孔徑范圍是3 nm～1 000 μm，包括2個(gè)低壓站和1個(gè)高壓站。

圖3 壓汞試驗(yàn)取樣位置Fig.3 Sampling location of mercury injection test

選取順、垂直劈裂脈的不同位置的10個(gè)試樣進(jìn)行了壓汞試驗(yàn)測(cè)試，每個(gè)試樣的質(zhì)量為1.5～3.0 g左右，選取試樣位置如圖3所示。根據(jù)試樣的壓汞試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果繪制了典型的2、6、9號(hào)試樣的累計(jì)進(jìn)汞量和壓力的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 累計(jì)進(jìn)汞量和壓力的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between cumulative mercury volume and pressure

由圖4中可清楚地看出，化學(xué)注漿固結(jié)砂的累積進(jìn)汞曲線與壓力曲線均呈現(xiàn)型變化，可分為4個(gè)階段：①緩慢進(jìn)汞階段，壓力范圍為0～0.01 MPa，曲線近似重合，此階段由于壓力比較小，壓入汞的孔隙是最大的，說明此階段的孔在所有樣品中均存在；②加速進(jìn)汞階段，壓力為0.01～0.30 MPa，此階段距離劈裂脈不同距離的樣品發(fā)生明顯的分離，距離越遠(yuǎn)，曲線的斜率也大，增速也就越快，說明不同樣品的孔隙類型在此階段有明顯的差別；③減速進(jìn)汞階段，壓力為0.3～10.0 MPa，曲線呈現(xiàn)比較明顯的上升趨勢(shì)；④停滯進(jìn)汞階段，壓力為≥10 MPa，壓力大于10 MPa后，曲線均為水平，說明孔隙已經(jīng)處于飽和狀態(tài)。

各個(gè)試樣的退汞率曲線如圖5所示，退汞率為52.62%～99.46%，半開放孔居多，孔隙間的連通性差，說明注漿可以明顯增強(qiáng)松散土層的抗?jié)B性。

圖5 退汞率與距離的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between mercury ejection rate and distance

表2列出了距離漿液主劈裂脈不同距離的孔隙直徑分布情況，其中超大孔、大孔、中孔、過渡孔、微孔的界限分類依據(jù)參考文獻(xiàn)[17]中提出的分類方法。

表2 化學(xué)注漿固砂體孔徑分布結(jié)果Table 2 Pore size distribution of chemically grouted sand

隨著漿液滲透距離的增加，大孔和中孔的孔隙體積明顯減少，過渡孔和微孔的孔隙體積沒有明顯變化，超大孔的孔隙體積明顯增加?？梢姖{液在滲透的過程中優(yōu)先充填大孔和中孔，過渡孔和微孔基本沒有充填。距離劈裂脈的距離為4 cm時(shí)，超大孔的孔隙體積最大，而大孔、中孔、過渡孔、微孔的孔隙體積較小。

2.2 3D-XRM試驗(yàn)

采用德國(guó)卡爾蔡司(Carl Zeiss)的高分辨三維X射線顯微成像系統(tǒng)(3D-XRM)，其原理是從陰極發(fā)射的電子束在轟擊陽極靶材鎢后產(chǎn)生寬頻譜X射線；X射線穿過旋轉(zhuǎn)樣品，在不同的角度暫停并由接收器采集二維的投影圖像；投影圖像通過三維分析軟件被組合在一起后形成三維重構(gòu)體。蔡司三維X射線顯微鏡的工作原理，如圖6所示。

用于3D-XRM的取樣位置如圖7中箭頭所示，在距離劈裂脈一側(cè)通過水鉆鉆取直徑2.5 cm的圓柱狀樣品，用于三維X射線掃描，獲取斷層切片數(shù)據(jù)，在通過MIMICS軟件完成三維重構(gòu)。

1—探測(cè)器；2—光學(xué)放大鏡；3—閃爍器；4—樣品；5—光源圖6 蔡司三維X射線顯微鏡的工作原理Fig.6 Zeiss 3D-XRM working principle

圖7 3D-XRM取樣位置Fig.7 Sampling position of 3D-XRM

由于X射線穿越不同密度屬性介質(zhì)時(shí)，其衰減程度不一致，可以采集到不同灰度范圍的圖像。MIMICS通過不同閾值選擇對(duì)導(dǎo)入的灰度圖像進(jìn)行圖像分割，本文就基于此來構(gòu)建化學(xué)注漿固砂體的三維孔隙模型，處理界面如圖8所示。

圖8 處理界面Fig.8 Processing interface

圖9為經(jīng)過圖像分割后提取到的漿液固結(jié)體內(nèi)部的孔隙、漿液與砂顆粒的特征圖像。由圖9a可看出，劈裂脈內(nèi)部的漿液在向兩側(cè)滲透擴(kuò)散的過程中，靠近劈裂脈的地方，漿液的充填率較高，孔隙分布稀疏，抗?jié)B加固效果較好；遠(yuǎn)離劈裂脈的地方，漿液充填率較低，孔隙分布較多，且孔隙的尺寸差異較大，連通性較好，抗?jié)B加固效果較差。圖9b為提取到的漿液骨架形態(tài)特征，從圖9b中可看出，靠近劈裂脈的地方漿液充填率高，骨架完整，遠(yuǎn)離劈裂脈的位置，漿液分布比較稀疏，骨架不完整。圖9c為提取到的砂顆粒的三維圖像。

圖9 圖片分割結(jié)果Fig.9 Results of image segmentation

筆者未對(duì)其進(jìn)行深入分析，只限于定性描述，進(jìn)一步分析漿液滲透擴(kuò)散半徑上孔隙的連通性、砂顆粒的排布方式等，對(duì)從微觀上解釋漿液的擴(kuò)散機(jī)理很有意義。

2.3 滲透試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用SLB-1型三軸剪切滲透儀測(cè)試注漿固結(jié)砂樣的滲透系數(shù)，SLB-1型三軸剪切滲透儀由3個(gè)模塊組成，分別為壓力控制模塊、測(cè)試模塊及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，如圖10所示。該三軸儀的軸向壓力控制范圍為0～20 kN，圍壓與反壓的控制范圍均為0～1.99 MPa，測(cè)試精度為±1%，可以進(jìn)行UU、CU、CD三軸測(cè)試及滲透試驗(yàn)。

1—軸壓控制器；2—圍壓控制器；3—反壓控制器一； 4—反壓控制器二；5—頂梁；6—位移傳感器； 7—三軸壓力室；8—試樣；9—升降機(jī)；10—電腦圖10 SLB-1型三軸剪切滲透試驗(yàn)儀系統(tǒng)組成Fig.10 Composition principle of model SLB-1

試樣滲透系數(shù)主要取決于孔隙度，及內(nèi)部孔隙的幾何性質(zhì)，包括尺寸、形狀、方向、連通性等。經(jīng)典的Carman-Kozeny模型認(rèn)為滲透系數(shù)與孔隙度4呈正相關(guān)，其表達(dá)式為

(2)

式中：k為滲透系數(shù)；c為Carman-Kozeny模型常數(shù)；φ為孔隙度。

采用SLB-1型三軸剪切滲透試驗(yàn)儀，測(cè)試采用的圍壓為200 kPa，軸壓與反壓一為0，反壓二為20 kPa，剪切速率為0.8 mm/min，距離劈裂脈不同距離試樣的滲透系數(shù)測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 化學(xué)注漿固砂體試樣滲透系數(shù)Table 3 Permeability coefficient of chemically grouted sand

從表3中可以清楚地看出，隨著漿液滲透擴(kuò)散距離的增加，滲透系數(shù)不斷增大，且漿液滲透擴(kuò)散距離在2.5 cm左右時(shí)，滲透系數(shù)陡然增加，與漿液對(duì)孔隙的充填情況密切相關(guān)。經(jīng)過測(cè)試，密度為1.60 g/cm3的純砂樣的滲透系數(shù)為2.35×10-3cm/s，得到的化學(xué)注漿固砂樣滲透系數(shù)的平均值為7.23×10-6cm/s?？梢娀瘜W(xué)注漿可以明顯增強(qiáng)其抗?jié)B性能，減小孔隙度及孔隙間的連通性能。

2.4 力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果與分析

注入化學(xué)漿液后，砂樣的滲透系數(shù)必將發(fā)生明顯改變。普氏系數(shù)分級(jí)法[18](表4)是以巖石的加固系數(shù)進(jìn)行分類的方法，被廣泛應(yīng)用在巷道支護(hù)、巖體開挖、定向爆破等巖土工程領(lǐng)域，其計(jì)算公式為

f=Rc/10

(3)

式中：f為普氏系數(shù)；Rc為單軸抗壓強(qiáng)度。

表4 普氏系數(shù)分級(jí)方法[18]Table 4 Protodyakonov coefficient scale[18]

3 結(jié) 論

1)累積進(jìn)汞曲線與壓力曲線均呈現(xiàn)S型變化，可分為4個(gè)階段，緩慢進(jìn)汞階段(0～0.01 MPa)、加速進(jìn)汞階段(0.01～0.30 MPa)、減速進(jìn)汞階段(0.3～10 MPa)、停滯進(jìn)汞階段(≥10 MPa)。

2)退汞率為52.62%～99.46%，半開放孔居多，孔隙間的連通性差，說明注漿可以明顯增強(qiáng)松散土層的抗?jié)B性。

3)劈裂脈內(nèi)部的漿液在向兩側(cè)滲透擴(kuò)散的過程中，靠近劈裂脈的地方，漿液的充填率較高，孔隙分布稀疏，抗?jié)B加固效果較好；遠(yuǎn)離劈裂脈的地方，漿液充填率較低，孔隙分布較多，且孔隙的尺寸差異較大，連通性較好，抗?jié)B加固效果較差。

4)化學(xué)注漿固砂樣滲透系數(shù)的平均值為7.23×10-6cm/s?？梢娀瘜W(xué)注漿可以明顯增強(qiáng)其抗?jié)B性能，減小孔隙度及孔隙間的連通性能。

5)依據(jù)巖石的普氏系數(shù)分級(jí)方法，化學(xué)注漿固砂樣可以達(dá)到堅(jiān)固的狀態(tài)，說明化學(xué)注漿后，松散砂樣的堅(jiān)硬程度明顯改善，可以達(dá)到很好的固砂減滲效果。