动水条件下煤矿岩体裂隙与管道注浆新型材料性能试验研究

王 海

（1.中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西西安 710077； 2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116）

我国水文地质条件复杂，煤炭开采和地下工程建设经常受到水害的严重威胁和制约，大型突水可淹没矿井和地下空间，造成巨大的经济损失和惨重生命代价［1-4］。突水通道通常由岩体裂隙、溶隙、断层破碎带、陷落柱等构成，具有隐蔽性、复杂性、突发性和破坏性的特点，治理难度大、风险高［1-4］。注浆是煤矿水害防治和地下工程建设中堵水防渗的有效技术手段［2-3］。在高压大流量动水条件下的岩体裂隙和管道注浆封堵过程中，浆液注入后面临复杂的水力环境，传统水泥浆液容易被冲刷稀释、分散，从而丧失对涌水的封堵作用，水泥-水玻璃浆液可泵期不易调节，且结石体后期强度低［5-8］。因此，动水条件下岩体裂隙与管道注浆封堵对浆液性能提出了更高的要求，浆液的抗分散性质与凝胶性能对裂隙与管道注浆封堵成功与否至关重要［5］。

目前，在动水注浆材料方面已有许多研究成果，裴向军等针对陡倾宽缝、松散架空等复杂地层灌浆，研制开发的SJP 水泥基灌浆材料具有初始流动度大、可灌性好，接近可泵期时表现为黏度突增、流动度突降的流变特性［3］。针对施工及运行期地下工程存在的突涌水与渗漏灾害，王复明等提出了构建土质堤坝柔性防渗体的新方法，建立了非水反应高聚物扩散理论，发明了堤坝及地下工程防渗堵涌高聚物注浆成套技术及装备［9-11］。刘人太等研发了一种VCH 新型动水材料，能够抵抗一定流速的水流冲刷，在低于0.4 m/s 水流速条件下，材料具有较好的抗分散性，在高于0.4 m/s 水流速条件下，材料流失量大幅度提高［7-12］。李召峰等以硫铝酸盐水泥熟料和钢渣微粉为主要原材，制备了一种水泥基复合注浆材料（CGM）［13］。周瑶针对富水砂卵石地层水文地质特点，研制了析水率低、抗动水冲刷性强、环保价廉的新型膨润土-水泥基注浆材料［14］。王鹏程针对深部富水碎裂岩体浆液易损失、难注入的问题，研发并测试了聚氨酯-水玻璃浆液及其辅助浆液的基础性能和材料学特征［15］。管学茂、张海波等以硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰为主要原料，通过优化配比和超细粉磨方法研发了具有早强、高渗透性、高强度、高黏结的微纳米无机注浆材料［16-17］。李小飞等研究发现纤维与硅灰的掺入能够显著提高水泥石的强度，低流速下纤维硅灰水泥浆的抗冲刷特性较纯水泥浆改善显著，但流速较高时其抗冲刷特性仍较差［18］。

在动水条件下注浆效果分析方面，袁敬强等为科学评价注浆浆液的抗分散性质与凝胶性能，设计速凝浆液抗分散性质试验装置，定义了浆液留存率指标［5］。刘人太等设计了动水冲刷试验装置，对比分析已经初凝的浆液凝胶体在静水与动水条件下的质量变化［7-12］。张庆松、孙子正、刘人太等采用山东大学自主研发的准三维水平裂隙注浆模拟试验台研究了水泥-水玻璃和高聚物改性水泥浆液裂隙动水注浆扩散规律［19-21］。张改玲等通过室内注浆试验，研究了水流速度对单裂隙化学注浆浆液扩散影响［22］。杨志斌等设计了过水巷道动水快速截流大型模拟试验平台，研究保浆袋囊钻孔控制注浆快速截流机理［23］。牟林基于水头高度、流速、巷道尺寸、倾角、糙度、骨料粒径、灌注速度等因素建立大型骨料灌注截流试验平台［24］。李昂等设计了一套可视化浆液-骨料渗透扩散与封堵试验装置，模拟不同工况下灌注多孔骨料建造堵水墙的过程［25］。蒲治国等针对动水条件下递增开放式涌水通道，采用在通道外端口布设“骨料拦阻网”、镁渣核和钙质结核搭配的方法提高骨料留存率［26］。

动水条件下浆液运移受浆液自身理化性质、注浆压力、裂隙展布规律以及裂隙粗糙度等众多因素影响［2］，化学注浆材料具有凝结时间可调，动水条件下抗分散等优点，但化学注浆材料具有可能存在毒性、反应生成物的不稳定性、成本高昂等缺陷，从而限制了其大规模的工程应用［7-8］。在高压大流量涌水工程治理中，传统的注浆材料越来越难以满足工程需要，新型动水注浆封堵材料的开发和应用成为迫在眉睫的工作［7］。结合煤矿岩体裂隙与管道注浆现场需求，开发了抗分散注浆材料，开展了系列试验，验证了动水条件下煤矿岩体裂隙与管道注浆材料性能，为相应工况提供材料支撑。

1 试验与方法

1.1 原材料

试验用材料包括硫铝酸盐水泥、粉煤灰、矿粉、石灰石粉、钢渣粉、可分散性乳胶粉、羟丙基甲基纤维素醚、钠基膨润土、醚类聚羧酸高性能减水剂、白木质素纤维和柠檬酸。水泥为快硬硫铝酸盐水泥（RSAC/42.5），性能指标如表1所示。

表1 硫铝酸盐水泥的性能指标Table 1 Performance indicators of sulphoaluminate cement

粉煤灰由一级粉煤灰作为原状灰（FA，D50=15.93μm）利用球磨机粉磨得到碎片状超细粉煤灰（UFA，D50=2.26μm）。粉磨前后的粉煤灰化学成分相近，以SiO2和Al2O3为主，其次是Fe2O3和CaO。其中原状灰（OFA）的CaO 含量为3.86%，超细粉煤灰（UFA）中的CaO 较原状灰（OFA）多，为5.10%，但均低于10 wt%，属于低钙粉煤灰（表2）。

表2 粉煤灰的化学成分Table 2 Chemical composition of fly ash %

矿粉（GBBS）为S95级，其化学成分如表3所示，平均粒径d50=8.51μm。石灰石粉的主要组成为碳酸钙，平均粒径（D50）为12.87μm（表3）。

表3 矿粉主要化学成分Table 3 Main chemical components of mineral powder %

钢渣粉的SiO2含量为10.89%、Al2O3含量为6.15%、CaO 含量为36.58%、Fe2O3含量为33.52%、MgO含量为6.32%。

可分散性乳胶粉（EVA）为水溶性白色或者类白色可流动性粉末，为乙烯、醋酸乙烯酯的共聚物，以聚乙烯醇作为保护胶体，具有极突出的防水性能，可以改善注浆材料的和易性、稠度和黏聚性能。羟丙基甲基纤维素醚（HPMC）的黏度为20×104mPa·s，是非离子型纤维素混合醚中一种性质较为懒惰、半合成，具有黏性的类白色纤维状或颗粒状粉末聚合物，羟丙基甲基纤维素醚可以作为水泥净浆或砂浆的保水剂、缓凝剂。钠基膨润土是一种以蒙脱石为主要介质的含水黏土矿物，平均粒径小于38μm，具有优良的的黏结性、膨润性以及保水性，用于提高注浆材料的稳定性。

1.2 试验设计

环境温度为20℃时，通过探索试验，将注浆材料的胶凝材料体系确定为硫铝酸盐水泥-矿粉-粉煤灰组合，柠檬酸的掺量为0～0.4 g，水胶比为0.5∶1，设定的7 组配合比如表4 所示。根据表4 的注浆材料配比，制备注浆材料，分别进行凝结时间测试、流动度测试、抗冲刷性能测试、强度测试。

表4 注浆材料配比Table 4 Grouting material proportions

动水条件下煤矿岩体裂隙与管道新型材料性能测试试验在西安建筑科技大学粉体材料科学与技术重点实验室开展，试验时间为2022 年2─12月。动水条件下抗分散性性能测试装置如图1所示。

图1 动水冲刷留存率测量装置示意Figure 1 Schematic diagram of measuring device for retention rate of dynamic water erosion

2 试验结果与分析

2.1 凝结时间

由图2 可知，7 组注浆材料的初凝时间分别为40 、50 、54 、58、62 、67 和75 min，可见柠檬酸的掺加可延长注浆材料的初凝时间。对比配比1 搅拌5min 和10min 的初凝时间可以发现，通过延长注浆材料的搅拌时间，可以延缓注浆材料的凝结时间，搅拌10min 的配比1 初凝时间是搅拌5min 的112.5%。

图2 动水抗分散注浆材料初凝时间Figure 2 Initial setting time of dynamic water anti dispersion grouting material

2.2 流动度

环境温度为20℃时，7 组注浆材料加水拌合50 min 内的流动度经时演变如图3 所示。从图3 中可以看出，柠檬酸对注浆材料的流动度影响显著。柠檬酸掺量分别为0、0.1、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4g 时，注浆材料流动度保持在20±3 cm 的时间段分别在10、20、20、25、35、35、40 min。配比1～7 分别在15、25、30、35、40、45、50 min时失去流动度。可见，柠檬酸可以提高注浆材料的初始流动度，同时，随着柠檬酸掺量的增加，注浆材料流动度的损失被显著延缓。随着柠檬酸掺量的增加，配比1～7 的注浆材料流动度保持在20cm的时间范围不断延长，可以应对工程中不同的泵送时间要求。

图3 动水抗分散注浆材料的流动度Figure 3 Flowability of dynamic water anti dispersion grouting material

2.3 抗冲刷性能

根据图3的流动度，配比1的注浆材料搅拌5和10 min 以及配比2～7 的注浆材料分别搅拌10、15、20、25、30、35 min 后，称取制备好的注浆材料500 g，倒入如图1 所示的水速为1.2、0.6、0.2 m/s 动水条件下抗分散性性能测试装置中（装置的长、宽、高分别为200、10、10 cm）。

由图4 可知，配比1～7 都具有良好的动水抗冲刷性能，动水条件下抗分散性性能测试装置中水速为1.2 m/s 时，配比1～7 注浆材料的抗冲刷留存率分别 为86.03%、90.02%、88.00%、93.01%、95.10%、90.98%、88.95%、92.02%，所有配比注浆材料的留存率都保持在85%以上；水速为0.6 m/s 时，配比1～7注浆材料的抗冲刷留存率分别为95.04%、97.00%、98.54%、95.99%、98.02%、95.99%、97.06%、96.05%，所有配比抗冲刷留存率都保持在90%以上；水速为0.2 m/s 时，配比1～7 注浆材料的抗冲刷留存率分别为 99.03%、99.53%、98.08%、97.00%、102.04%、95.83%、98.56%、99.85%，各配方注浆材料的抗冲刷留存率都保持在95%以上。其中超过100%主要是由于称重时留存浆液结石材料中吸附水导致。

图4 动水条件下注浆材料的动水冲刷留存率Figure 4 Retention rate of grouting material under dynamic water conditions due to dynamic water erosion

2.4 抗压强度

表4 中的配比1 和配比7 注浆材料标准养护1、3、7d 的抗压强度如图5 所示。从图5 中可以看出，添加柠檬酸的配比注浆材料在1、3、7d 的强度比不添加柠檬酸的配比强度分别提升了7%、6.8%、7.4%。原因可能归结于柠檬酸的缓凝特性，使水泥的水化反应相对平缓，降低了试样的温度应力，最终使试块具有更少的缺陷。其次，配比1 注浆材料在3d 和7d 的强度分别较1d 时的强度提升了2.8%和14%，配比7注浆材料在3d和7d的强度分别较1d时的强度提升了2.6%和15.8%。

图5 动水抗分散注浆材料强度Figure 5 Strength of dynamic water anti dispersion grouting material

2.5 注浆材料成本

动水条件下煤矿岩体裂隙与管道注浆材料由硫铝酸盐水泥、粉煤灰、矿粉、石灰石粉、钢渣粉、可分散性乳胶粉、羟丙基甲基纤维素醚、钠基膨润土、醚类聚羧酸高性能减水剂、白木质素纤维和柠檬酸组成。

根据原材料价格，估算配比1～7 注浆材料的成本。由图6 可知，所有配比的成本估算均低于750元/t，说明研发的动水条件下煤矿岩体裂隙与管道注浆材料具有良好的经济性。

图6 动水条件下注浆材料成本分析Figure 6 Cost analysis of grouting materials under dynamic water conditions

3 结论

1）针对动水条件下煤矿岩体裂隙与管道注浆工况开发了一种单液新型注浆材料，主要由硫铝酸盐水泥、粉煤灰、矿粉、石灰石粉、钢渣粉、可分散性乳胶粉、羟丙基甲基纤维素醚、钠基膨润土、醚类聚羧酸高性能减水剂、白木质素纤维和柠檬酸组成，通过调节各材料掺量改变注浆材料的凝结时间和流动度，进而实现在不同温度和时间段封堵动水条件下的岩体裂隙与管道突涌水。

2）环境温度为20℃时，动水条件下煤矿岩体裂隙与管道注浆材料的初凝时间为40 ～75 min，在15～50 min 时失去流动度，1d 强度即达到7.1 MPa，并可根据不同工况调整初凝时间和失去流动度时间，满足长距离单液浆注浆堵水需求。

3）动水条件下煤矿岩体裂隙与管道注浆材料具有良好的抗动水冲刷性能且成本较低，动水流速为1.2 m/s 时，其抗冲刷留存率在85%以上；流速为0.6 m/s 时，其抗冲刷留存率在90%以上；流速为0.2 m/s时，其抗冲刷留存率在95%以上。