水泥水玻璃漿液在礦井井筒防水堵漏中的應(yīng)用

張 寧

（山西焦煤能源集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

礦井井筒的防水堵漏工作是煤礦開(kāi)采過(guò)程中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，通常治理井筒漏水采用注漿的方式[1]。通過(guò)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(jī)材料丙烯酰胺漿液。但是化學(xué)有機(jī)漿液往往附帶著毒性，隨著環(huán)保意識(shí)的提高以及對(duì)地下水資源的重視與保護(hù)，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(wú)毒無(wú)害，漿液的膠凝時(shí)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(qiáng)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(wèn)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(qiáng)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(guò)程中采用凍結(jié)法進(jìn)行施工。針對(duì)井筒所處地層特點(diǎn)，井筒施工過(guò)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(kāi)始出現(xiàn)滲水情況，滲水段距離地表45 m，整個(gè)副井井筒的涌水量為1 m3/h，井筒的涌水量相對(duì)較小。為了解決井筒的涌水問(wèn)題，先采用水泥砂漿進(jìn)行充填，井筒涌水量控制在0.5 m3/h。但隨著雨季的到來(lái)，井筒的涌水量開(kāi)始逐漸增加，最大涌水量達(dá)到了1.5 m3/h，而且井筒滲水問(wèn)題有進(jìn)一步加大的趨勢(shì)。長(zhǎng)期的地表潛水滲漏不僅會(huì)導(dǎo)致井筒筒壁發(fā)生變形，而且會(huì)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(wèn)題，影響礦井及周圍環(huán)境安全。為了徹底治理井筒涌水問(wèn)題，采用水泥水玻璃漿液對(duì)井筒壁后進(jìn)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(diǎn)，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(wú)污染的注漿材料。④根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)確定漿液的配比及漿液膠凝時(shí)間。⑤注漿效果檢驗(yàn)。

2 注漿加固設(shè)計(jì)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(guò)程中穿越富水砂土地層，施工過(guò)程中由于采用了凍結(jié)施工的方法，施工過(guò)程中對(duì)淺層地表進(jìn)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(lái)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(biāo)層段。由于水泥漿液的膠凝時(shí)間較長(zhǎng)，在富水地層難以快速凝結(jié)，同時(shí)由于地下水滲流的原因還可能出現(xiàn)“跑漿”的現(xiàn)象，無(wú)法從根本上解決井筒滲水問(wèn)題。因此，采用膠凝時(shí)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(shí)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(qiáng)度高，親水率小等特點(diǎn)，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(jī)對(duì)井筒滲漏位置處進(jìn)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(duì)注漿漿液進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，采用QB50/18化學(xué)注漿專用型氣動(dòng)雙液注漿泵，實(shí)現(xiàn)雙液無(wú)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(cè)－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(shí)間

漿液的膠凝時(shí)間與固結(jié)體的強(qiáng)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(shí)間長(zhǎng)短影響著漿液的擴(kuò)散半徑[4]。在礦井井筒壁后堵水中要求快速對(duì)井筒滲流豎井進(jìn)行封堵，選用的漿液必須具備膠凝時(shí)間短而且不易被流動(dòng)的地下水稀釋的特性。由于水泥水玻璃漿液的膠凝時(shí)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(guò)倒杯法測(cè)量漿液的膠凝時(shí)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(jìn)行混合，同時(shí)計(jì)時(shí)開(kāi)始。②用手持甲、乙兩個(gè)杯子，將混合好的漿液循環(huán)往復(fù)在兩個(gè)杯子倒來(lái)倒去，直至漿液凝結(jié)不再流動(dòng)，這一過(guò)程中所記錄的時(shí)間為終凝時(shí)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(shí)間從600 min逐漸縮短至4 min左右。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可以得到漿液pH值在4.3～4.5左右、漿液的膠凝時(shí)間在4 min左右時(shí)，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(shí)間

3.2 漿液固結(jié)體強(qiáng)度

漿液的膠凝時(shí)間會(huì)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(shí)間，同時(shí)也會(huì)改變漿液固結(jié)體的強(qiáng)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(lái)測(cè)定固結(jié)體的強(qiáng)度。采用WDW-100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)水泥水玻璃漿液固結(jié)體的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，固結(jié)體強(qiáng)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(guò)程中漿液結(jié)石體的強(qiáng)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(qiáng)度增長(zhǎng)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(jìn)行。加入3.9 g碳酸鈣得到最佳的結(jié)石體抗壓強(qiáng)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(qiáng)度實(shí)驗(yàn)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(diǎn)的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件、工程要求、材料性能等進(jìn)行配方試驗(yàn)，確定具體的配方和配比。但由于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件與現(xiàn)場(chǎng)存在差異，因此室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果要根據(jù)野外施工實(shí)際進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件。在注漿過(guò)程中及時(shí)根據(jù)施工情況調(diào)節(jié)漿液配比，從而對(duì)漿液凝固時(shí)間、強(qiáng)度等進(jìn)行有效控制。故初步設(shè)計(jì)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(píng)價(jià)

當(dāng)前，注漿施工封堵效果檢測(cè)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(wèn)題，注漿封堵過(guò)程中不能影響副井的正常使用功能。而且評(píng)價(jià)注漿效果最直接的方式就是觀測(cè)漿液的堵水效果。通過(guò)觀測(cè)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(wèn)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(wèn)題的實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，水泥水玻璃漿液的膠凝時(shí)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(wèn)題一直是困擾礦井安全生產(chǎn)和建設(shè)的重要因素，通過(guò)綠色無(wú)毒的水泥水玻璃漿液來(lái)進(jìn)行礦井井筒的堵水可以達(dá)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(shí)間可以隨漿液的pH值進(jìn)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(shí)水泥水玻璃漿液的膠凝時(shí)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(qiáng)度均不斷增大，但增大的程度逐漸減小，確定抗壓強(qiáng)度最大時(shí)對(duì)應(yīng)的水玻璃－硫酸－碳酸鈣的最佳配比為0.946∶1∶0.062。