改性脲醛树脂浆液在复杂含水层治理中的应用研究

朱兴明 戈 革 韩天恩

（铜陵有色金属集团铜冠矿山建设股份有限公司）

近些年来，矿井建设过程出现的诸如高压大流量强径流含水层、基岩微细裂隙含水层、陡倾角发育密集紧闭裂隙含水层、含断层泥的富水破碎带、含凝灰质的火山岩裂隙含水层、蜂窝状溶蚀孔隙含水层、针孔状溶蚀裂隙含水层、流砂含水层等复杂含水层严重困扰矿山建设，地下水治理工作对施工进度和投入成本影响较大。目前，含水层的治理往往表现为可注性及堵水效果差、成孔困难、钻孔量大、一次注浆段长小、扫孔复钻工程量大、工期长、投入大的特点。针对复杂含水层的注浆堵水与加固，应着重寻找经济与技术可行的灌浆材料，进而探究合理的浆液性能及钻孔设计参数［1-7］。

1 化学浆液性能

目前所用的注浆材料主要有水泥类和化学类浆液，从工程实际应用效果来看，水泥类浆液具有价格低且结石体强度高等优点，但其初凝和终凝时间长且不易准确控制，以及易沉降析水，在微细裂隙等复杂含水层具有“不吃浆、难注入”的特点。目前广泛认为改性脲醛树脂浆液能够满足复杂含水层注浆堵水的技术要求，为更好地应用于工程实践，需通过实验研究进一步掌握该浆液的物理力学性能。

1.1 实验材料

注浆用原材料主要是改性脲醛树脂，弱酸性的草酸作为固化剂。浆液主要性能指标：黏度为50～70 MPa·s，pH 为7.5～9.0，密度为1.15～1.17 g/cm3，静切力为5.11 Pa。

1.2 实验方案

为研究不同草酸浓度、不同树脂浆液与草酸溶液配合比以及不同温度下浆液的物理化学性能，实验内容及测试方案如下。

（1）草酸溶液浓度（质量比）有1%，1.5%，2%，2.5%和3.0%。

（2）改性脲醛树脂与草酸溶液的配比（体积比）有2∶1，2.5∶1，3∶1，4∶1。

（3）实验温度取20，25，30和35 ℃4种。

（4）测试指标为pH、黏度和凝胶时间。

1.3 实验结果

1.3.1 浆液的pH

浆液pH 为3～5，均呈弱酸性，主要受草酸浓度的影响，随着草酸浓度的增大，pH值相应降低。

1.3.2 浆液的黏度

黏度的大小直接影响浆液的扩散半径，同时为确定注浆压力、流量等参数提供依据。黏度越小，越有利于流动，扩散半径越大。本次黏度的测试采用旋转黏度计，测试结果如图1所示。

从图1可以看出：①浆液配合比对黏度的影响比较大，随着配合比的增大，浆液的黏度呈直线增大；②草酸浓度对黏度影响不显著，随着草酸溶液浓度的增大，黏度略呈线性增长，但增幅较小；③温度对黏度的影响十分显著，其随着温度的增大而降低，在20～30 ℃时，浆液的黏度变化敏感，超过30 ℃变化甚微，或基本无变化。

1.3.3 浆液的凝胶时间

注浆工程中浆液的凝胶时间应根据岩石裂隙孔隙发育情况、涌水量大小和注浆目的等因素来确定，凝胶时间过短不利于浆液的有效扩散，从而无法形成有效的堵水帷幕；凝胶时间太长不利于提高工程效率。本次采用倒杯法测试，结果如图2所示。

从图2 可以看出：①浆液的凝胶时间随配合比的增大呈指数形式递增，草酸浓度为1%、配合比超过3∶1时，凝胶时间明显延长，故一般不宜采用；②凝胶时间随着草酸浓度的增加而呈乘幂形式降低，配比4∶1、草酸浓度低于1.5%时，凝胶时间太长，一般不宜采用，合理的草酸浓度范围为1.5%～2.5%；③凝胶时间与温度的关系密切，20 ℃时的凝胶时间明显长于25 ℃及以上。

1.3.4 浆液的流变性

浆液的流变性是指浆液在外力作用下的流动性，浆液在凝胶之前，其黏度随外力和时间而变化。本次实验数据为草酸浓度2%、室温24 ℃的测试结果（图3）。可以看出，浆液呈现出属于非牛顿流体中的膨胀流体性。剪切速率越大，剪切应力增长的梯度越大。同样速率下，剪切应力随着草酸溶液比例的减小而降低。

1.3.5 固结体抗压强度

将拌好的浆液倒入试模中，凝固后的结石体在常温条件下自然养护一定时间后测试其抗压强度。本次试验采用的试件为直径45 mm、高90 mm 的圆柱体（图4），养护时间为3 d，材料混合拌制在20 和25 ℃的2种环境下进行，实验结果见图5。

从图5可以看出：①单轴抗压强度与浆液的配合比基本上呈线性关系，随着配合比的增大而增大，强度为1.7～5.1 MPa；②单轴抗压强度与草酸浓度也基本呈线性关系，随着草酸浓度的增大而降低；③从试验结果对比分析来看，25 ℃下试块单轴抗压强度略高于20 ℃。

1.3.6 浆液的结石率

结石率是衡量浆液的主要工程指标，结石率越小，注浆后浆体的收缩性越大，堵水效果越差。改性脲醛树脂浆液在浇筑试件养护3 d 后观察，轴向和径向上都没有收缩现象，相反有一定的膨胀性，试块脱模较困难。

2 工程应用效果

通过室内实验，已掌握了浆液的有关性能，但由于实际工程的水质条件、环境温度等差异性，还需结合工程实际对浆液的适用性进行探究。基于马钢罗河铁矿主井次生石英岩含水层治理工程进行现场实践。

2.1 工程地质特征

马钢罗河铁矿主井井口设计标高为＋45 m，井底标高为-786 m，全深831 m，井筒净直径为5.5 m，井壁厚400 mm。根据工程勘察孔揭露，孔深346～420 m段为次生石英岩强含水层，该含水层上段岩性致密坚硬、裂隙发育，沿裂隙见较多溶蚀孔洞，多数呈针孔状及蜂窝状；下部岩芯破碎，呈碎粒状，钻孔岩芯极不完整。岩体裂隙较发育，主要见一组与水平线夹角为45°的裂隙，沿裂隙见较多溶蚀孔洞，多数呈针孔状及蜂窝状，溶蚀孔洞发育但相互的直接连通性差。该含水层的直接顶板为角砾凝灰岩，底板为蚀变粗安岩，块状、层状构造，岩芯完整，裂隙不发育。预测含水层涌水量为130 m3/h。

2.2 施工工艺设计

井筒掘进进入次生石英岩含水层之前，初期确定的注浆方案为采用工作面分段预注浆，浆液以水泥浆为主，必要时考虑水泥—水玻璃双液浆。钻孔采用沿井筒周边单圈布孔方式，施工过程中发现同一钻孔在不同孔段的涌水量存在较大差异。单孔段最大涌水为135 m3/h，最小为20 m3/h，钻孔多次揭露风化的岩石碎块，涌水伴随着泥化物质喷出。浆液有效扩散半径不足0.35 m，后调整为双液浆灌注，但浆液有效扩散半径也只能达到0.6～0.7 m，仍然达不到有效堵水效果。第一注浆段检查孔残余涌水量为0.2 m3/h，但井筒开挖实际涌水量仍达到28 m3/h。究其原因为含水层非常复杂，泥质及裂隙开度太小，水泥基浆液的可注性差。为满足注浆效果，调整为改性脲醛树脂浆液灌注，并对钻孔间距、钻孔分段高度、注浆压力、养护时间等参数进行优化。

（1）钻孔间距。根据目前注浆基本理论与经验公式，注浆孔间距一般为1.3～1.5 倍的浆液有效扩散半径。考虑第一注浆段水泥基浆液的有效扩散半径不足0.5～0.6 m，而改性脲醛树脂化学浆的流变性明显高于水泥基浆液，其有效扩散半径比水泥基浆材要大一些，预计改性脲醛树脂化学浆浆液的有效扩散半径可达到1.2～1.5 m，则确定孔底间距为1.7～2.0 m。

（2）孔内分段高度。前期水泥基浆液灌注时，孔内分段长度小于2 m 仍不能满足要求，反而增加了大量的钻孔复钻量和工期。基于改性脲醛树脂化学浆的可注性大幅度提高，设计第一序钻孔注浆分段高度为10～15 m，特殊情况下缩短到2～3 m；第二序钻孔注浆分段高度为15～20 m，孔内实际揭露地质条件简单时可增加到20～30 m。

（3）注浆终压。考虑到改性脲醛树脂化学浆的扩散能力比水泥浆液强，流动阻力明显比水泥基浆液小，因此所需的注浆压力要比水泥浆液小。通过实验分析对比，确定采用1.8～2倍静水压力灌注。

（4）养护时间。根据改性脲醛树脂化学浆凝胶时间短、结石率为100%且结石后具有一定的膨胀性的良好性能，确定每次注浆结束后随即转入扫孔钻进，有效节约作业时间，提高作业效率。

2.3 工程施工情况

罗河铁矿主井次生石英岩含水层共开展3 段工作面预注浆，统计工程量见表1，其中第一段采用传统水泥浆灌注为主，根据现场实际揭露情况及时调整施工方案，改用改性脲醛树脂浆液灌注，并对钻孔间距、孔内分段高度、注浆终压和养护时间等工艺进行相应的调整。从表1对比分析来看，采用水泥浆灌注时，钻孔、扫孔工程量巨大，占用工期长且治理效果差；采用改性脲醛树脂浆液灌注时，虽然钻孔数量较大，但扫孔量大幅度降低，表明注浆堵水效果较好，避免了注浆的反复性。

2.4 注浆效果评价

采用施工检查孔来预评价注浆效果，检查孔布置在井筒中心或注浆效果最不利部位，检查孔数量不小于1 个，但最终以井筒开挖验证注浆结果为准。本次注浆的具体结果为第一注浆段检查孔残余涌水量为0.2 m3/h，井筒开挖实际涌水量达到28 m3/h，高于设计指标；第二注浆段检查孔残余涌水量为1 m3/h，井筒开挖实际涌水量为3.5 m3/h；第三注浆段检查孔残余涌水量为0.5 m3/h，井筒开挖实际涌水量为3 m3/h。由此可见，改性脲醛树脂化学注浆达到了预计的应用效果，能有效缩短施工工期和前期的工程投入成本。

3 结论

改性脲醛树脂化学浆液能够很好地解决复杂含水层的注浆堵水难题，注浆压力比水泥浆液的注浆压力低，大约为静水压力的1.5～2 倍；采用改性脲醛树脂浆液时，其孔内分段高度可以适当比水泥浆的要大，孔距可以比水泥注浆适当加大，有利于减少钻孔和扫孔复钻工程量，降低施工成本，缩短治水工期。