改性脲醛樹脂漿液在復雜含水層治理中的應用研究

朱興明 戈 革 韓天恩

（銅陵有色金屬集團銅冠礦山建設股份有限公司）

近些年來，礦井建設過程出現的諸如高壓大流量強徑流含水層、基巖微細裂隙含水層、陡傾角發育密集緊閉裂隙含水層、含斷層泥的富水破碎帶、含凝灰質的火山巖裂隙含水層、蜂窩狀溶蝕孔隙含水層、針孔狀溶蝕裂隙含水層、流砂含水層等復雜含水層嚴重困擾礦山建設，地下水治理工作對施工進度和投入成本影響較大。目前，含水層的治理往往表現為可注性及堵水效果差、成孔困難、鉆孔量大、一次注漿段長小、掃孔復鉆工程量大、工期長、投入大的特點。針對復雜含水層的注漿堵水與加固，應著重尋找經濟與技術可行的灌漿材料，進而探究合理的漿液性能及鉆孔設計參數［1-7］。

1 化學漿液性能

目前所用的注漿材料主要有水泥類和化學類漿液，從工程實際應用效果來看，水泥類漿液具有價格低且結石體強度高等優點，但其初凝和終凝時間長且不易準確控制，以及易沉降析水，在微細裂隙等復雜含水層具有“不吃漿、難注入”的特點。目前廣泛認為改性脲醛樹脂漿液能夠滿足復雜含水層注漿堵水的技術要求，為更好地應用于工程實踐，需通過實驗研究進一步掌握該漿液的物理力學性能。

1.1 實驗材料

注漿用原材料主要是改性脲醛樹脂，弱酸性的草酸作為固化劑。漿液主要性能指標：黏度為50～70 MPa·s，pH 為7.5～9.0，密度為1.15～1.17 g/cm3，靜切力為5.11 Pa。

1.2 實驗方案

為研究不同草酸濃度、不同樹脂漿液與草酸溶液配合比以及不同溫度下漿液的物理化學性能，實驗內容及測試方案如下。

（1）草酸溶液濃度（質量比）有1%，1.5%，2%，2.5%和3.0%。

（2）改性脲醛樹脂與草酸溶液的配比（體積比）有2∶1，2.5∶1，3∶1，4∶1。

（3）實驗溫度取20，25，30和35 ℃4種。

（4）測試指標為pH、黏度和凝膠時間。

1.3 實驗結果

1.3.1 漿液的pH

漿液pH 為3～5，均呈弱酸性，主要受草酸濃度的影響，隨著草酸濃度的增大，pH值相應降低。

1.3.2 漿液的黏度

黏度的大小直接影響漿液的擴散半徑，同時為確定注漿壓力、流量等參數提供依據。黏度越小，越有利于流動，擴散半徑越大。本次黏度的測試采用旋轉黏度計，測試結果如圖1所示。

從圖1可以看出：①漿液配合比對黏度的影響比較大，隨著配合比的增大，漿液的黏度呈直線增大；②草酸濃度對黏度影響不顯著，隨著草酸溶液濃度的增大，黏度略呈線性增長，但增幅較小；③溫度對黏度的影響十分顯著，其隨著溫度的增大而降低，在20～30 ℃時，漿液的黏度變化敏感，超過30 ℃變化甚微，或基本無變化。

1.3.3 漿液的凝膠時間

注漿工程中漿液的凝膠時間應根據巖石裂隙孔隙發育情況、涌水量大小和注漿目的等因素來確定，凝膠時間過短不利于漿液的有效擴散，從而無法形成有效的堵水帷幕；凝膠時間太長不利于提高工程效率。本次采用倒杯法測試，結果如圖2所示。

從圖2 可以看出：①漿液的凝膠時間隨配合比的增大呈指數形式遞增，草酸濃度為1%、配合比超過3∶1時，凝膠時間明顯延長，故一般不宜采用；②凝膠時間隨著草酸濃度的增加而呈乘冪形式降低，配比4∶1、草酸濃度低于1.5%時，凝膠時間太長，一般不宜采用，合理的草酸濃度范圍為1.5%～2.5%；③凝膠時間與溫度的關系密切，20 ℃時的凝膠時間明顯長于25 ℃及以上。

1.3.4 漿液的流變性

漿液的流變性是指漿液在外力作用下的流動性，漿液在凝膠之前，其黏度隨外力和時間而變化。本次實驗數據為草酸濃度2%、室溫24 ℃的測試結果（圖3）。可以看出，漿液呈現出屬于非牛頓流體中的膨脹流體性。剪切速率越大，剪切應力增長的梯度越大。同樣速率下，剪切應力隨著草酸溶液比例的減小而降低。

1.3.5 固結體抗壓強度

將拌好的漿液倒入試模中，凝固后的結石體在常溫條件下自然養護一定時間后測試其抗壓強度。本次試驗采用的試件為直徑45 mm、高90 mm 的圓柱體（圖4），養護時間為3 d，材料混合拌制在20 和25 ℃的2種環境下進行，實驗結果見圖5。

從圖5可以看出：①單軸抗壓強度與漿液的配合比基本上呈線性關系，隨著配合比的增大而增大，強度為1.7～5.1 MPa；②單軸抗壓強度與草酸濃度也基本呈線性關系，隨著草酸濃度的增大而降低；③從試驗結果對比分析來看，25 ℃下試塊單軸抗壓強度略高于20 ℃。

1.3.6 漿液的結石率

結石率是衡量漿液的主要工程指標，結石率越小，注漿后漿體的收縮性越大，堵水效果越差。改性脲醛樹脂漿液在澆筑試件養護3 d 后觀察，軸向和徑向上都沒有收縮現象，相反有一定的膨脹性，試塊脫模較困難。

2 工程應用效果

通過室內實驗，已掌握了漿液的有關性能，但由于實際工程的水質條件、環境溫度等差異性，還需結合工程實際對漿液的適用性進行探究。基于馬鋼羅河鐵礦主井次生石英巖含水層治理工程進行現場實踐。

2.1 工程地質特征

馬鋼羅河鐵礦主井井口設計標高為＋45 m，井底標高為-786 m，全深831 m，井筒凈直徑為5.5 m，井壁厚400 mm。根據工程勘察孔揭露，孔深346～420 m段為次生石英巖強含水層，該含水層上段巖性致密堅硬、裂隙發育，沿裂隙見較多溶蝕孔洞，多數呈針孔狀及蜂窩狀；下部巖芯破碎，呈碎粒狀，鉆孔巖芯極不完整。巖體裂隙較發育，主要見一組與水平線夾角為45°的裂隙，沿裂隙見較多溶蝕孔洞，多數呈針孔狀及蜂窩狀，溶蝕孔洞發育但相互的直接連通性差。該含水層的直接頂板為角礫凝灰巖，底板為蝕變粗安巖，塊狀、層狀構造，巖芯完整，裂隙不發育。預測含水層涌水量為130 m3/h。

2.2 施工工藝設計

井筒掘進進入次生石英巖含水層之前，初期確定的注漿方案為采用工作面分段預注漿，漿液以水泥漿為主，必要時考慮水泥—水玻璃雙液漿。鉆孔采用沿井筒周邊單圈布孔方式，施工過程中發現同一鉆孔在不同孔段的涌水量存在較大差異。單孔段最大涌水為135 m3/h，最小為20 m3/h，鉆孔多次揭露風化的巖石碎塊，涌水伴隨著泥化物質噴出。漿液有效擴散半徑不足0.35 m，后調整為雙液漿灌注，但漿液有效擴散半徑也只能達到0.6～0.7 m，仍然達不到有效堵水效果。第一注漿段檢查孔殘余涌水量為0.2 m3/h，但井筒開挖實際涌水量仍達到28 m3/h。究其原因為含水層非常復雜，泥質及裂隙開度太小，水泥基漿液的可注性差。為滿足注漿效果，調整為改性脲醛樹脂漿液灌注，并對鉆孔間距、鉆孔分段高度、注漿壓力、養護時間等參數進行優化。

（1）鉆孔間距。根據目前注漿基本理論與經驗公式，注漿孔間距一般為1.3～1.5 倍的漿液有效擴散半徑。考慮第一注漿段水泥基漿液的有效擴散半徑不足0.5～0.6 m，而改性脲醛樹脂化學漿的流變性明顯高于水泥基漿液，其有效擴散半徑比水泥基漿材要大一些，預計改性脲醛樹脂化學漿漿液的有效擴散半徑可達到1.2～1.5 m，則確定孔底間距為1.7～2.0 m。

（2）孔內分段高度。前期水泥基漿液灌注時，孔內分段長度小于2 m 仍不能滿足要求，反而增加了大量的鉆孔復鉆量和工期。基于改性脲醛樹脂化學漿的可注性大幅度提高，設計第一序鉆孔注漿分段高度為10～15 m，特殊情況下縮短到2～3 m；第二序鉆孔注漿分段高度為15～20 m，孔內實際揭露地質條件簡單時可增加到20～30 m。

（3）注漿終壓。考慮到改性脲醛樹脂化學漿的擴散能力比水泥漿液強，流動阻力明顯比水泥基漿液小，因此所需的注漿壓力要比水泥漿液小。通過實驗分析對比，確定采用1.8～2倍靜水壓力灌注。

（4）養護時間。根據改性脲醛樹脂化學漿凝膠時間短、結石率為100%且結石后具有一定的膨脹性的良好性能，確定每次注漿結束后隨即轉入掃孔鉆進，有效節約作業時間，提高作業效率。

2.3 工程施工情況

羅河鐵礦主井次生石英巖含水層共開展3 段工作面預注漿，統計工程量見表1，其中第一段采用傳統水泥漿灌注為主，根據現場實際揭露情況及時調整施工方案，改用改性脲醛樹脂漿液灌注，并對鉆孔間距、孔內分段高度、注漿終壓和養護時間等工藝進行相應的調整。從表1對比分析來看，采用水泥漿灌注時，鉆孔、掃孔工程量巨大，占用工期長且治理效果差；采用改性脲醛樹脂漿液灌注時，雖然鉆孔數量較大，但掃孔量大幅度降低，表明注漿堵水效果較好，避免了注漿的反復性。

2.4 注漿效果評價

采用施工檢查孔來預評價注漿效果，檢查孔布置在井筒中心或注漿效果最不利部位，檢查孔數量不小于1 個，但最終以井筒開挖驗證注漿結果為準。本次注漿的具體結果為第一注漿段檢查孔殘余涌水量為0.2 m3/h，井筒開挖實際涌水量達到28 m3/h，高于設計指標；第二注漿段檢查孔殘余涌水量為1 m3/h，井筒開挖實際涌水量為3.5 m3/h；第三注漿段檢查孔殘余涌水量為0.5 m3/h，井筒開挖實際涌水量為3 m3/h。由此可見，改性脲醛樹脂化學注漿達到了預計的應用效果，能有效縮短施工工期和前期的工程投入成本。

3 結論

改性脲醛樹脂化學漿液能夠很好地解決復雜含水層的注漿堵水難題，注漿壓力比水泥漿液的注漿壓力低，大約為靜水壓力的1.5～2 倍；采用改性脲醛樹脂漿液時，其孔內分段高度可以適當比水泥漿的要大，孔距可以比水泥注漿適當加大，有利于減少鉆孔和掃孔復鉆工程量，降低施工成本，縮短治水工期。