孙 光

(中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013)

矿井水灾是影响我国各类矿山正常建设和生产的重大灾害之一，注浆堵水是我国矿井防治水害和恢复被淹矿井的重要方法。目前的注浆工程施工，特别是立井井筒的地面预注浆工程施工中，采用最多的注浆材料为黏土水泥浆[1]，随着井筒深度的日益加深，深部地层环境下的黏土水泥浆注浆工程面临着高静水压力的影响，浅部注浆参数的设计原则应用于深部岩石裂隙注浆设计时往往出现一些矛盾，使堵水加固效果不很理想，深井岩石裂隙注浆工艺研究已成为一个亟待研究的重大课题。目前，在实验室中对黏土水泥浆进行的深井裂隙注浆模拟试验研究相对较少，特别是在不同静水压力下进行的试验研究尚属于空白领域，利用相应的试验装置对黏土水泥浆在深井裂隙条件下的注浆过程进行模拟研究是非常必要的。

1 黏土水泥浆流态变化特点

黏土水泥浆是以黏土浆为主要组分，掺加少量的水泥和水玻璃配制而成的多相悬浮体。是一种悬浊液，粘土颗粒较小，具有较高的分散度，沉淀分层行较小，加上水玻璃与水泥的水化作用，悬浊液中的细粒占较大比例，使粘土水泥浆的稳定性明显优于单液水泥浆，表现为析水率低、析水速率小。粘土水泥浆的析水率很低，稳定性好，是提高注浆施工效率的内在因素。其在凝结过程中会发生从流态到固态依次变化，并产生粘、塑、弹性的三态连续演变，无明显的初凝、终凝，三态的变化大致与塑性强度随时间的变化规律相对应。

黏土水泥浆粘性状态并未完全转化为塑性状态的时期内，通过其剪切速率与应力变化的流变曲线可以判断，黏土水泥浆符合宾汉流体的特征。随着水泥水化反应的不断进行，黏土水泥浆渐渐从粘性状态变化到塑性状态，其流变特性也渐渐偏离宾汉流体。由于本试验主要研究的是黏土水泥浆在深井裂隙中流动引起的注浆参数的变化规律，因此在试验中将黏土水泥浆视为宾汉流体进行研究[2]。

2 注浆模拟试验台的选择

选择煤矿深井建设技术国家工程实验室内现有的，由天地科技建井研究院研制的高压裂隙注浆试验台来进行本次试验，其整体耐压能力可达36MPa。试验台的总体结构如图1所示。用水泥砂浆制作两块半圆柱状裂隙试块，并且设定一定的裂隙隙宽后灌装到试验管道内，便形成了单节的受注裂隙模型[3]，将一节节受注裂隙模型组装到一起就形成了一条裂隙通道，如图1所示。

1—数据端接口；2—恒压恒速泵；3—泵控制键盘；4—储浆缸； 5—搅拌装置；6—压力变送器；7—油水隔离器；8—排气阀； 9—截止阀；10—受注裂隙模型；11—支座；12—烧杯； 13—溢流阀(调压阀)；14—隔浆缸；15—PLC；16—计算机图1 注浆试验台总体结构图

制作好的裂隙置于外径D=146mm，内径d=120mm，单节长度L=500mm的管状模具内并进行联接，组成长度为10m的注浆裂隙通道形成受注裂隙模型。D250×2型恒速恒压计量泵，最大工作压力为70MPa，流量范围0～25mL/min，在此范围内既可以实现任一恒定流量和恒定压力的运行。通过控制程序，可用计算机自动监测与采集计量泵的运行以及流量、累计流量、泵压等数据。静水水压恒定系统主要由溢流阀、隔浆缸等构成。利用溢流阀来调节静水压力，当静水压力高于溢流阀设定的开启压力时，其自动开启，排出一定量的液体，从而使试验台系统内始终维持在裂隙静水压力P静。

图2 一条受注裂隙模型

3 试验安排及结果统计

3.1 黏土水泥浆配方选择

本试验用以探讨黏土水泥浆在深井裂隙中注浆的一般规律，所以配方选择的主要因素是在施工中常用的可注性较好的配方[4]。根据配方试验测试结果，选择两组配方作为试验浆液的配比，见表1。两组配方前8h塑性强度τ与时间t的关系如图3所示，可见，配比2的塑性强度在前8h内增加的幅度要大于配比1[5]。

表1 黏土水泥浆试验配方表

图3 配比1与配比2前8h塑性强度对比图

3.2 试验安排及试验结果统计

黏土水泥浆深井裂隙注浆模拟试验的试验参数有裂隙隙宽、注浆泵量、静水压力和黏土水泥浆配方四项，其考核指标为浆液有效扩散距离、注浆终压、注浆量和抗渗压力[6]。

试验水泥取自北京水泥厂生产的金隅牌P.O 42.5水泥，水玻璃取自于北京市红星广厦化工建材有限责任公司生产的液体硅酸钠，水取自试验室自来水。试验设计中，裂隙隙宽取1mm和2mm，注浆泵量取15mL/min和25mL/min，静水压力取6MPa、8MPa、10MPa和12MPa，浆液配方为配比1和配比2。

根据上述试验设计，正式试验共六组，每组进行三次试验，按不同的三个注浆终压结束注浆，共18次试验。正式试验结果统计见表2。

表2 试验结果统计表

注浆压力P与注浆时间t的关系图可以直观的反应在注浆过程中的压力变化情况[7]，将试验P-t曲线图与考核指标结果分析相结合，可以探索试验过程中注浆压力随时间的变化对试验结果产生的影响关系，可以对试验分析形成有益补充。对6组试验得到的P-t曲线分别进行汇总处理，结果如图4—9所示。

图4 第1组试验P-t曲线图注：配比2浆液，流量15mL/min，隙宽b=1mm

图5 第2组试验P-t曲线图注：配比1浆液，流量25mL/min，隙宽b=1mm

图6 第3组试验P-t曲线图注：配比1浆液，流量15mL/min，隙宽b=2mm

图7 第4组试验P-t曲线图注：配比2浆液，流量25mL/min，隙宽b=2mm

图8 第5组试验P-t曲线图注：配比1浆液，流量25mL/min，隙宽b=1mm

图9 第6组试验P-t曲线图注：配比2浆液，流量25mL/min，隙宽b=2mm

4 试验结果分析

4.1 浆液有效扩散距离与其他注浆参数之间的相关关系

根据室内试验获取的数据，对浆液有效扩散距离l、裂隙隙宽b、注浆压力P与静水压力Pw的压差ΔP、塑性强度τ进行多元参数回归分析，将数据导入统计软件Eviews，经过多元加权线性回归[8]，可以得到浆液有效扩散距离与其他注浆参数之间的关系式为：

l=7.56624+93.47(P-Pw)+

91.1b-58.47τ0

(1)

R=98.16%

式中，P为注浆压力，MPa；Pw为静水压力，MPa；l为浆液有效扩散距离，m；b代表裂隙隙宽，mm；τ0代表浆液初始塑性强度，kPa。

4.2 各参数之间相关性分析

由式(1)可以看到，浆液扩散距离的影响因素有裂隙隙宽b、注浆压力P与静水压力Pw的压差和塑性强度τ，参数之间存在以下的相关性：

1)裂隙隙宽和注浆压差一定的情况下，浆液塑性强度越大，浆液有效扩散距离越小。

2)裂隙隙宽与浆液塑性强度一定的情况下，注浆压力与静水压力的压力差越大，浆液的有效扩散距离越大。

3)注浆压差和浆液塑性强度一定的情况下，裂隙隙宽越小，浆液的有效扩散距离越小。

4.3 P-t曲线类型与注浆效果关联性分析

根据试验结果，可以将试验中体现出的P-t曲线分为平直升压型、线性升压型和波动升压型。这几种不同曲线类型在试验中表现出的抗渗压力、裂隙充填状况等注浆效果见表3。

表3 不同类型P-t曲线注浆效果参数统计

总的来说，3种P-t曲线类型中，从浆液的有效扩散距离来看，平直升压型曲线优于线性升压型曲线优于波动升压型曲线；通过整体抗渗压力数值来看注浆效果的话，波动升压型曲线优于平直升压型曲线优于线性升压型曲线。

5 结 论

在深井裂隙条件下，对黏土水泥浆进行注浆模拟试验研究，得出以下结论：

1)影响黏土水泥浆在深井裂隙中的有效扩散距离的主要注浆参数有裂隙隙宽、浆液塑性强度、注浆压力与静水压力的压力差。结合试验数据，推导出了黏土水泥浆有效扩散距离与注浆压力等其他注浆参数之间的相关关系式：l=7566.24+93.47(P-Pw)+91.1b-58.47τ0，并分析了各个参数之间的相关关系。

2)黏土水泥浆深井裂隙注浆的注浆压力P随时间t变化规律即P-t曲线有三种类型：平直升压型、线性升压型和波动升压型。三种类型曲线对应的注浆抗渗压力都远大于静水压力，体现了较好的注浆效果。

3)三种类型P-t曲线从浆液的有效扩散距离来看，平直升压型曲线优于线性升压型曲线优于波动升压型曲线；通过整体抗渗压力数值来看注浆效果的话，波动升压型曲线优于平直升压型曲线优于线性升压型曲线。