红黏土井筒注浆堵水材料及其工程应用研究

贺 文

(1.天地科技股份有限公司，北京 100013；2.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013；3.矿山深井建设技术国家工程研究中心，北京 100013)

乌蒙山区地跨云、贵、川三省，区内矿产资源丰富[1]，区内地形切割起伏大，含水岩组类型多，地质构造复杂，造成区内矿产资源开采难度较大。特别是矿井水害问题，严重制约了区内矿产资源的安全高效开发。随着开采深度的不断增加，滇东北毛坪矿最大矿坑涌水量已达80000 m3/d[2]，不仅排水费用陡增，同时水患已成为矿井正常生产的重大安全隐患。注浆技术是防治地下工程水患的重要手段[3，4]，既适用于井巷工程涌水量的预注浆提前封堵，也适用于水淹区域的快速封堵与抢险。注浆堵水机理和新型注浆材料研发是当前的研究热点。袁东锋等[5]介绍了井筒穿越巨厚白云岩含水层的地面预注浆技术，实现了对超过300 m厚的含水层快速封堵。尚宏波等[6]研究了帷幕注浆中单液水泥浆扩散规律，为堵水帷幕设计提供依据。贺文等[7]介绍了千米级盲竖井分段预注浆堵水技术，为盲竖井井筒水害防治提供借鉴。采用合理的注浆材料是成功实现注浆堵水的关键，工程中不仅要求注浆材料绿色环保、稳定性好；而且要求材料取材方便、成本低廉，以便大规模应用[8]。唐超等[9]研究了纳米材料对水泥浆液的改性研究，发现纳米硅溶胶可明显缩短浆液的凝结时间，提高浆液黏度和结石率。田庆浩等[10]研究了黏土水泥浆的本构关系和流变参数时变特性，指出H-B模型更符合试验结果。化学浆材价格昂贵且存在污染水源的风险，因此无机注浆材料是当前的主流选择。黏土综合浆是黏土原浆添加胶凝材料和结构添加剂而配置的环保型注浆材料[10-12]，广泛使用于我国井筒预注浆工程和煤层底板注浆改造[13-16]。

乌蒙山区矿井水害防治需求大量注浆材料，当前成熟的黏土综合浆材料主要以东部地区软黏土配制，若采用东部地区黏土材料将急剧增加注浆材料成本。考虑区内有广泛分布的红黏土，是潜在的优良注浆材料。然而乌蒙山区红黏土与东部地区软黏土存在一定性质差异，因此，以乌蒙山区红黏土为基础研究红黏土注浆堵水材料具有重要意义。本文采用室内试验，研究了红黏土综合浆黏度、比重、塑性强度、析水率等基本性能，确定了适合井筒预注浆堵水的红黏土综合浆配比并应用于千米盲竖井井筒注浆堵水工程，堵水效果良好。

1 乌蒙山区红黏土特性分析

以云南省昭通市彝良县龙街乡红黏土进行分析，采用X射线荧光光谱法获得乌蒙山区典型红黏土的成分，见表1。除了常见的SiO2和Al2O3等成分外，乌蒙山区红黏土中Fe2O3的含量高达10%左右，这是乌蒙山区黏土呈红色的主要原因。为了进一步说明乌蒙山区红黏土的黏度和析水率，选择五种黏土样进行对比分析，其中，样品1取自安徽、样品2取自河南、样品3取自贵州、样品4取自云南曲靖，样品5取自云南彝良。样品1与样品2为东部地区典型黏土，样品3至样品5为典型的西南乌蒙山区红黏土。

表1 乌蒙山区红黏土成分比例 %

将五种黏土样品分别加水浸泡，搅拌后过滤杂质，制成黏土原浆；再加入水泥、水玻璃后初步制成黏土综合浆。当原浆密度1.12 g/cm3、水泥量200 g/L、结构添加剂用量30 mL/L时，5种土样浆液黏度试验结果见表2。可以发现5种样品原浆黏度较为接近，介于17.12～19.16 s，加入水泥和水玻璃后，黏土综合浆成浆黏度为26.85～52.3 s，平均为39.87 s。可发现西南乌蒙山区红黏土所配浆液的黏度明显高于东部地区黏土。因此，乌蒙山区红黏土与东部地区软黏土的物性差异对浆液黏度存在较大影响。黏度过大造成浆液的流动性差，难以保证浆液充足的扩散范围。样品3加入水泥和水玻璃后黏度增长最大，增长33.14 s，成浆黏度几乎是样品1所配浆液的2倍，难以满足注浆施工需求。样品5黏度增长中等，可通过浆液性能和配方试验优化浆液性能，保证注浆材料的堵水效果。

表2 五种土样配制黏土综合浆黏度与比重

2 红黏土综合浆性能及配方试验

为确定析水率较小、黏度适宜的浆液配比范围，进行了不同原浆密度、不同水泥添加量、不同添加剂用量的浆液性能对比试验。试验所用原材料如下：红黏土选用云南省昭通市彝良县红黏土；水泥为PO 42.5普通硅酸盐水泥，比表面积366 m2/kg，初凝时间186 min，终凝时间313 min；结构添加剂采用水玻璃，模数3.1～3.4，浓度39～42 °Bé。浆液黏度和塑性强度分别采用马氏漏斗和维卡仪进行测试。

2.1 原浆比重对浆液性能的影响

原浆密度对红黏土综合浆黏度和塑性强度的影响如图1所示。不添加结构添加剂时，原浆密度和水泥量对红黏土综合浆黏度变化的影响如图1(a)所示，可发现浆液黏度随原浆密度和水泥用量的增加而增加，随着水泥用量的增加，浆液黏度随原浆密度增加的增长速率呈现明显的非线性特征；原浆密度对红黏土综合浆塑性强度的影响如图1(b)所示，此时水泥量为250 g/L，结构添加剂用量为10 mL/L，可以发现浆液密度对红黏土综合浆塑性强度影响明显，当原浆密度小于等于1.16 g/cm3时，浆液塑性强度随龄期缓慢上升，当原浆密度大于1.16 g/cm3时，浆液塑性强度显著增大。

图1 原浆密度对红黏土综合浆黏度和塑性强度的影响

2.2 水泥量对浆液性能的影响

水泥量对红黏土综合浆黏度和塑性强度的影响如图2所示。结构添加剂用量为30 mL/L时，原浆密度和水泥量对红黏土综合浆黏度变化的影响如图2(a)所示，原浆密度相同条件下浆液黏度随水泥量的增加而增加；原浆密度大于1.16 g/cm3，水泥量大于200 g/L时，红黏土浆液黏度随水泥量增加而显著增加。水泥量对红黏土综合浆塑性强度的影响如图2(b)所示，此时原浆密度为1.12 g/mL，水玻璃加量为10 mL/L，可以发现水泥量对红黏土综合浆塑性强度影响明显，水泥量大于200 g/L时，浆液塑性强度迅速攀升，浆液性能与水泥量呈正相关关系。

图2 水泥添加量对红黏土综合浆黏度和塑性强度的影响

2.3 结构添加剂对浆液性能的影响

结构添加剂对红黏土综合浆黏度和塑性强度的影响如图3所示。原浆密度和结构添加剂对红黏土综合浆黏度变化的影响如图3(a)所示，原浆密度相同条件下浆液黏度随结构添加剂用量的增加而近线性增加。结构添加剂对红黏土综合浆塑性强度的影响如图3(b)所示，此时原浆密度为1.16 g/mL，水泥加量为250 g/L，可以发现在不同结构添加剂用量条件下，浆液塑性强度整体上随龄期增大而增大；但当结构添加剂量为0时，由于浆液析水率比加入一定量水玻璃的浆液析水率大很多，使析水后浆液中固相成分更密实，反而使浆液塑性强度比加入10 mL/L水玻璃的浆液塑性强度更高。

图3 结构添加剂用量对红黏土综合浆黏度和塑性强度的影响

综上分析，原浆密度是影响浆液基本性能的基础，水泥量、结构添加剂都直接影响浆液黏度和塑性强度。总体上，红黏土综合浆性能与水泥加量和结构添加剂用量成正相关。高水压强富水条件注浆堵水浆液要求成浆漏斗黏度大于30 s，比重大于1.2 g/cm3，析水率小于5%，根据试验结果，符合要求的配比浆液结果见表3。

表3 红黏土综合浆配比结果

3 红黏土综合浆结石体产物及微结构分析

3.1 红黏土综合浆水化产物

红外光谱分析中每一个吸收谱带都对应于黏土综合浆液结石体中某化合物的质点或基团振动的形式，通过对吸收谱带的对比分析，可以判断浆液水化反应的速度区别、水化产物的含量差异。典型红黏土综合浆试样在7 d龄期测得的红外光谱如图4所示。可以看出，试样最主要的吸收峰位于波数3420 cm-1附近，对应的官能团为—OH离子；在波数1637 cm-1附近的次强吸收峰对应官能团为水分子；在波数1401 cm-1附近吸收峰对应官能团为碳酸盐；在波数1025 cm-1附近吸收峰对应官能团为Si—O或Si(Al)—O；在波数874 cm-1附近吸收峰对应官能团为碳酸盐；在波数797 cm-1附近吸收峰对应官能团为Si—O—Si(Al)；在波数530 cm-1和472 cm-1吸收峰对应官能团为Si—O或Si(Al)—O；综合来看，三种试样中除含有水分子外，主要成分均包含大量—OH离子、硅酸盐、硅铝酸盐、碳酸盐。红黏土水泥基材料的水化产物主要有钙矾石、Ca(OH)2晶体和C—S—H凝胶3类。

图4 红黏土综合浆结石体在7d龄期的红外光谱

3.2 红黏土综合浆结石体扫描电镜分析

扫描电镜分析可获得浆液结石体微结构演化特征，红黏土综合浆结石体龄期为3，7，28 d的扫描电镜照片如图5所示。其中，试样A1和A2的结构添加剂用量分别为0，20 mL/L，原浆密度和水泥加量相同，其中原浆密度为1.12 g/cm3，水泥用量200 g/L。

图5 红黏土综合浆结石体在不同龄期的扫描电镜照片

试样A1在龄期为3，7，28 d的微观结构扫描电镜照片如图5(a)—图5(c)所示。可以看出：①试样在3d龄期的主要水化产物为片层状的Ca(OH)2晶体和不规则状C—S—H凝胶，针柱状钙矾石分布量大，纤维状或细针状的结晶体(水化硅酸钙)开始生成，结石体整体结构疏松；②随着龄期的增加，钙矾石含量略微增加，而Ca(OH)2晶体和C—S—H凝胶生长迅速，不断充填黏土和水泥颗粒周围空隙；③ 28d龄期时，C—S—H凝胶继续生长，使各种水化产物相互连接，形成较为紧密的网状或块状整体结构，把钙矾石和Ca(OH)2包裹在内；此时水化产物数量较多，结构稳定。

试样A2在龄期3，7，28 d的微观结构扫描电镜照片如图5(d)—图5(f)所示。可以看出：①结石体早期板片状的Ca(OH)2晶体数量较多，大量钙矾石之间相互交接在一起形成网状，絮状C—S—H凝胶也大量生成分布其中，使得材料的密实度增强，强度较高；②随着水化的进行，C—S—H凝胶和Ca(OH)2晶体迅速生长，充填水泥颗粒和黏土颗粒间的空隙，C—S—H凝胶逐渐将钙矾石和Ca(OH)2覆盖；③28 d龄期时，C—S—H凝胶成为主要水化产物，并将其他水化产物覆盖，黏结形成较大的团块整体，力学性能和耐久性得到进一步提高。对比可以发现添加水玻璃材料后，促进了水泥的水化反应，结石体中早期Ca(OH)2晶体、钙矾石、C—S—H凝胶的生成速度明显提高，微观结构密实度提高；早期水化反应的快速进行，减少了自由水的含量，从而降低了浆液析水率，结石率显著提高。

4 红黏土浆材井筒注浆堵水工程应用

4.1 工程概况

毛坪矿92线盲竖井凿井施工中涌水量过大造成多次淹井事故，最终导致井筒废弃。新建112线盲竖井井筒直径5.7 m，荒径6.5 m。井口位置标高+910 m，井筒落地标高-50 m，井筒深度960 m。井筒穿越泥盆系宰格组白云岩溶蚀含水层为典型的高水压强富水地层，预测井筒涌水量为314.8 m3/h。为了防止凿井过程中出现水害事故，采用预注浆技术形成围绕井筒的注浆堵水帷幕，注浆防治水工程共设计6个S形注浆钻孔，注浆段钻孔落点圈径9.5 m，总注浆段高494 m，112线竖井注浆布置如图6所示。注浆材料采用乌蒙山区彝良红黏土综合浆材料，浆液配比见表3。

图6 112线竖井注浆布置

4.2 综合浆注浆效果

红黏土综合浆注浆效果直接反映红黏土注浆材料的堵水性能。112线盲竖井井筒预注浆工程总注浆量为15410 m3，其中红黏土注浆量为15189 m3，占比98.56%。注浆结束后，凿井揭露地层导水裂隙内充满浆液结石体，裂隙充填饱满，浆液结石体与岩层胶结完整。凿井实测注浆段井筒剩余涌水量为6.32 m3/h，对比勘察预测井筒涌水量314.8 m3/h，红黏土材料注浆的堵水率为98%，堵水性能优越。

5 结 论

1)红黏土综合浆基本性能受到原浆密度、水泥量和结构添加剂用量共同影响。原浆密度是影响红黏土浆液性能的基础，红黏土综合浆浆液黏度和塑性强与水泥量和结构添加剂用量正相关。

2)红黏土综合浆的水化产物主要包括钙矾石、Ca(OH)2晶体和C—S—H凝胶3类。结构添加剂可明显促进了红黏土综合浆早期水化反应进程，结石体中早期Ca(OH)2晶体、钙矾石、C—S—H凝胶的生成速度明显提高，降低了浆液析水率，显著提高浆液微观结构密实度和结石率。

3)红黏土综合浆成功应用于毛坪矿112线盲竖井预注浆堵水工程，红黏土综合浆注浆量15189 m3，凿井实测井筒剩余涌水量仅为6.32 m3/h，堵水率达98%。红黏土综合浆可注性良好，可有效充填地层导水裂隙，堵水性能优越。