動水條件下煤礦巖體裂隙與管道注漿新型材料性能試驗研究

王 海

（1.中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西西安 710077； 2.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇徐州 221116）

我國水文地質條件復雜，煤炭開采和地下工程建設經常受到水害的嚴重威脅和制約，大型突水可淹沒礦井和地下空間，造成巨大的經濟損失和慘重生命代價［1-4］。突水通道通常由巖體裂隙、溶隙、斷層破碎帶、陷落柱等構成，具有隱蔽性、復雜性、突發性和破壞性的特點，治理難度大、風險高［1-4］。注漿是煤礦水害防治和地下工程建設中堵水防滲的有效技術手段［2-3］。在高壓大流量動水條件下的巖體裂隙和管道注漿封堵過程中，漿液注入后面臨復雜的水力環境，傳統水泥漿液容易被沖刷稀釋、分散，從而喪失對涌水的封堵作用，水泥-水玻璃漿液可泵期不易調節，且結石體后期強度低［5-8］。因此，動水條件下巖體裂隙與管道注漿封堵對漿液性能提出了更高的要求，漿液的抗分散性質與凝膠性能對裂隙與管道注漿封堵成功與否至關重要［5］。

目前，在動水注漿材料方面已有許多研究成果，裴向軍等針對陡傾寬縫、松散架空等復雜地層灌漿，研制開發的SJP 水泥基灌漿材料具有初始流動度大、可灌性好，接近可泵期時表現為黏度突增、流動度突降的流變特性［3］。針對施工及運行期地下工程存在的突涌水與滲漏災害，王復明等提出了構建土質堤壩柔性防滲體的新方法，建立了非水反應高聚物擴散理論，發明了堤壩及地下工程防滲堵涌高聚物注漿成套技術及裝備［9-11］。劉人太等研發了一種VCH 新型動水材料，能夠抵抗一定流速的水流沖刷，在低于0.4 m/s 水流速條件下，材料具有較好的抗分散性，在高于0.4 m/s 水流速條件下，材料流失量大幅度提高［7-12］。李召峰等以硫鋁酸鹽水泥熟料和鋼渣微粉為主要原材，制備了一種水泥基復合注漿材料（CGM）［13］。周瑤針對富水砂卵石地層水文地質特點，研制了析水率低、抗動水沖刷性強、環保價廉的新型膨潤土-水泥基注漿材料［14］。王鵬程針對深部富水碎裂巖體漿液易損失、難注入的問題，研發并測試了聚氨酯-水玻璃漿液及其輔助漿液的基礎性能和材料學特征［15］。管學茂、張海波等以硫鋁酸鹽水泥熟料、石膏、石灰為主要原料，通過優化配比和超細粉磨方法研發了具有早強、高滲透性、高強度、高黏結的微納米無機注漿材料［16-17］。李小飛等研究發現纖維與硅灰的摻入能夠顯著提高水泥石的強度，低流速下纖維硅灰水泥漿的抗沖刷特性較純水泥漿改善顯著，但流速較高時其抗沖刷特性仍較差［18］。

在動水條件下注漿效果分析方面，袁敬強等為科學評價注漿漿液的抗分散性質與凝膠性能，設計速凝漿液抗分散性質試驗裝置，定義了漿液留存率指標［5］。劉人太等設計了動水沖刷試驗裝置，對比分析已經初凝的漿液凝膠體在靜水與動水條件下的質量變化［7-12］。張慶松、孫子正、劉人太等采用山東大學自主研發的準三維水平裂隙注漿模擬試驗臺研究了水泥-水玻璃和高聚物改性水泥漿液裂隙動水注漿擴散規律［19-21］。張改玲等通過室內注漿試驗，研究了水流速度對單裂隙化學注漿漿液擴散影響［22］。楊志斌等設計了過水巷道動水快速截流大型模擬試驗平臺，研究保漿袋囊鉆孔控制注漿快速截流機理［23］。牟林基于水頭高度、流速、巷道尺寸、傾角、糙度、骨料粒徑、灌注速度等因素建立大型骨料灌注截流試驗平臺［24］。李昂等設計了一套可視化漿液-骨料滲透擴散與封堵試驗裝置，模擬不同工況下灌注多孔骨料建造堵水墻的過程［25］。蒲治國等針對動水條件下遞增開放式涌水通道，采用在通道外端口布設“骨料攔阻網”、鎂渣核和鈣質結核搭配的方法提高骨料留存率［26］。

動水條件下漿液運移受漿液自身理化性質、注漿壓力、裂隙展布規律以及裂隙粗糙度等眾多因素影響［2］，化學注漿材料具有凝結時間可調，動水條件下抗分散等優點，但化學注漿材料具有可能存在毒性、反應生成物的不穩定性、成本高昂等缺陷，從而限制了其大規模的工程應用［7-8］。在高壓大流量涌水工程治理中，傳統的注漿材料越來越難以滿足工程需要，新型動水注漿封堵材料的開發和應用成為迫在眉睫的工作［7］。結合煤礦巖體裂隙與管道注漿現場需求，開發了抗分散注漿材料，開展了系列試驗，驗證了動水條件下煤礦巖體裂隙與管道注漿材料性能，為相應工況提供材料支撐。

1 試驗與方法

1.1 原材料

試驗用材料包括硫鋁酸鹽水泥、粉煤灰、礦粉、石灰石粉、鋼渣粉、可分散性乳膠粉、羥丙基甲基纖維素醚、鈉基膨潤土、醚類聚羧酸高性能減水劑、白木質素纖維和檸檬酸。水泥為快硬硫鋁酸鹽水泥（RSAC/42.5），性能指標如表1所示。

表1 硫鋁酸鹽水泥的性能指標Table 1 Performance indicators of sulphoaluminate cement

粉煤灰由一級粉煤灰作為原狀灰（FA，D50=15.93μm）利用球磨機粉磨得到碎片狀超細粉煤灰（UFA，D50=2.26μm）。粉磨前后的粉煤灰化學成分相近，以SiO2和Al2O3為主，其次是Fe2O3和CaO。其中原狀灰（OFA）的CaO 含量為3.86%，超細粉煤灰（UFA）中的CaO 較原狀灰（OFA）多，為5.10%，但均低于10 wt%，屬于低鈣粉煤灰（表2）。

表2 粉煤灰的化學成分Table 2 Chemical composition of fly ash %

礦粉（GBBS）為S95級，其化學成分如表3所示，平均粒徑d50=8.51μm。石灰石粉的主要組成為碳酸鈣，平均粒徑（D50）為12.87μm（表3）。

表3 礦粉主要化學成分Table 3 Main chemical components of mineral powder %

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

可分散性乳膠粉（EVA）為水溶性白色或者類白色可流動性粉末，為乙烯、醋酸乙烯酯的共聚物，以聚乙烯醇作為保護膠體，具有極突出的防水性能，可以改善注漿材料的和易性、稠度和黏聚性能。羥丙基甲基纖維素醚（HPMC）的黏度為20×104mPa·s，是非離子型纖維素混合醚中一種性質較為懶惰、半合成，具有黏性的類白色纖維狀或顆粒狀粉末聚合物，羥丙基甲基纖維素醚可以作為水泥凈漿或砂漿的保水劑、緩凝劑。鈉基膨潤土是一種以蒙脫石為主要介質的含水黏土礦物，平均粒徑小于38μm，具有優良的的黏結性、膨潤性以及保水性，用于提高注漿材料的穩定性。

1.2 試驗設計

環境溫度為20℃時，通過探索試驗，將注漿材料的膠凝材料體系確定為硫鋁酸鹽水泥-礦粉-粉煤灰組合，檸檬酸的摻量為0～0.4 g，水膠比為0.5∶1，設定的7 組配合比如表4 所示。根據表4 的注漿材料配比，制備注漿材料，分別進行凝結時間測試、流動度測試、抗沖刷性能測試、強度測試。

表4 注漿材料配比Table 4 Grouting material proportions

動水條件下煤礦巖體裂隙與管道新型材料性能測試試驗在西安建筑科技大學粉體材料科學與技術重點實驗室開展，試驗時間為2022 年2─12月。動水條件下抗分散性性能測試裝置如圖1所示。

圖1 動水沖刷留存率測量裝置示意Figure 1 Schematic diagram of measuring device for retention rate of dynamic water erosion

2 試驗結果與分析

2.1 凝結時間

由圖2 可知，7 組注漿材料的初凝時間分別為40 、50 、54 、58、62 、67 和75 min，可見檸檬酸的摻加可延長注漿材料的初凝時間。對比配比1 攪拌5min 和10min 的初凝時間可以發現，通過延長注漿材料的攪拌時間，可以延緩注漿材料的凝結時間，攪拌10min 的配比1 初凝時間是攪拌5min 的112.5%。

圖2 動水抗分散注漿材料初凝時間Figure 2 Initial setting time of dynamic water anti dispersion grouting material

2.2 流動度

環境溫度為20℃時，7 組注漿材料加水拌合50 min 內的流動度經時演變如圖3 所示。從圖3 中可以看出，檸檬酸對注漿材料的流動度影響顯著。檸檬酸摻量分別為0、0.1、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4g 時，注漿材料流動度保持在20±3 cm 的時間段分別在10、20、20、25、35、35、40 min。配比1～7 分別在15、25、30、35、40、45、50 min時失去流動度?？梢?，檸檬酸可以提高注漿材料的初始流動度，同時，隨著檸檬酸摻量的增加，注漿材料流動度的損失被顯著延緩。隨著檸檬酸摻量的增加，配比1～7 的注漿材料流動度保持在20cm的時間范圍不斷延長，可以應對工程中不同的泵送時間要求。

圖3 動水抗分散注漿材料的流動度Figure 3 Flowability of dynamic water anti dispersion grouting material

2.3 抗沖刷性能

根據圖3的流動度，配比1的注漿材料攪拌5和10 min 以及配比2～7 的注漿材料分別攪拌10、15、20、25、30、35 min 后，稱取制備好的注漿材料500 g，倒入如圖1 所示的水速為1.2、0.6、0.2 m/s 動水條件下抗分散性性能測試裝置中（裝置的長、寬、高分別為200、10、10 cm）。

由圖4 可知，配比1～7 都具有良好的動水抗沖刷性能，動水條件下抗分散性性能測試裝置中水速為1.2 m/s 時，配比1～7 注漿材料的抗沖刷留存率分別 為86.03%、90.02%、88.00%、93.01%、95.10%、90.98%、88.95%、92.02%，所有配比注漿材料的留存率都保持在85%以上；水速為0.6 m/s 時，配比1～7注漿材料的抗沖刷留存率分別為95.04%、97.00%、98.54%、95.99%、98.02%、95.99%、97.06%、96.05%，所有配比抗沖刷留存率都保持在90%以上；水速為0.2 m/s 時，配比1～7 注漿材料的抗沖刷留存率分別為 99.03%、99.53%、98.08%、97.00%、102.04%、95.83%、98.56%、99.85%，各配方注漿材料的抗沖刷留存率都保持在95%以上。其中超過100%主要是由于稱重時留存漿液結石材料中吸附水導致。

圖4 動水條件下注漿材料的動水沖刷留存率Figure 4 Retention rate of grouting material under dynamic water conditions due to dynamic water erosion

2.4 抗壓強度

表4 中的配比1 和配比7 注漿材料標準養護1、3、7d 的抗壓強度如圖5 所示。從圖5 中可以看出，添加檸檬酸的配比注漿材料在1、3、7d 的強度比不添加檸檬酸的配比強度分別提升了7%、6.8%、7.4%。原因可能歸結于檸檬酸的緩凝特性，使水泥的水化反應相對平緩，降低了試樣的溫度應力，最終使試塊具有更少的缺陷。其次，配比1 注漿材料在3d 和7d 的強度分別較1d 時的強度提升了2.8%和14%，配比7注漿材料在3d和7d的強度分別較1d時的強度提升了2.6%和15.8%。

圖5 動水抗分散注漿材料強度Figure 5 Strength of dynamic water anti dispersion grouting material

2.5 注漿材料成本

動水條件下煤礦巖體裂隙與管道注漿材料由硫鋁酸鹽水泥、粉煤灰、礦粉、石灰石粉、鋼渣粉、可分散性乳膠粉、羥丙基甲基纖維素醚、鈉基膨潤土、醚類聚羧酸高性能減水劑、白木質素纖維和檸檬酸組成。

根據原材料價格，估算配比1～7 注漿材料的成本。由圖6 可知，所有配比的成本估算均低于750元/t，說明研發的動水條件下煤礦巖體裂隙與管道注漿材料具有良好的經濟性。

圖6 動水條件下注漿材料成本分析Figure 6 Cost analysis of grouting materials under dynamic water conditions

3 結論

1）針對動水條件下煤礦巖體裂隙與管道注漿工況開發了一種單液新型注漿材料，主要由硫鋁酸鹽水泥、粉煤灰、礦粉、石灰石粉、鋼渣粉、可分散性乳膠粉、羥丙基甲基纖維素醚、鈉基膨潤土、醚類聚羧酸高性能減水劑、白木質素纖維和檸檬酸組成，通過調節各材料摻量改變注漿材料的凝結時間和流動度，進而實現在不同溫度和時間段封堵動水條件下的巖體裂隙與管道突涌水。

2）環境溫度為20℃時，動水條件下煤礦巖體裂隙與管道注漿材料的初凝時間為40 ～75 min，在15～50 min 時失去流動度，1d 強度即達到7.1 MPa，并可根據不同工況調整初凝時間和失去流動度時間，滿足長距離單液漿注漿堵水需求。

3）動水條件下煤礦巖體裂隙與管道注漿材料具有良好的抗動水沖刷性能且成本較低，動水流速為1.2 m/s 時，其抗沖刷留存率在85%以上；流速為0.6 m/s 時，其抗沖刷留存率在90%以上；流速為0.2 m/s時，其抗沖刷留存率在95%以上。