黃土物理特性對防治水注漿漿體的影響

王學偉，秦大健

（1.國家能源充填采煤技術重點實驗室，河北 邢臺 054000；2.河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺 054000；3.河北充填采礦技術有限公司，河北 邢臺 054000）

0 引 言

防治水注漿技術是將水泥、粘土、水玻璃等具有膠結性能的材料與水按一定比例混合均勻后配成注漿漿體，在采掘活動開始前，利用高壓注漿設備，通過遠離采區的地面上大面積均勻布置的鉆孔注入到地層的裂隙、孔隙或孔洞中。待漿液凝結、固化后，達到對裂隙進行封堵截斷下部地下水到煤層的通道，防止在采掘過程中發生水害事故的目的。注漿材料是影響注漿效果的重要因素，目前防治水注漿材料分為無機和有機注漿材料，其中無機注漿材料中的水泥類注漿材料因其具有良好的流動性、凝結時間可調、適應性強，施工工藝簡單方便等優點，在煤礦開采中被廣泛的應用。但是，水泥類注漿材料存在一些缺點，在一些對含水層進行局部注漿改造的礦井中，注漿量最多的能達到數十萬噸，價值數千萬。另外，水泥生產需要煅燒，生產工藝復雜，水泥工業碳排放量僅次于電力行業，增加了溫室氣體，資源消耗和生態問題突出。黃土是一種分布廣、開采難度低、成本低廉的材料。因此，對黃土進行注漿性能研究，用黃土替代水泥作為新型注漿材料。

1 原 料

水泥選用冀中能源股份公司葛泉礦注漿水泥，黃土取自山西介休，各原材料化學成分見表1。

表1 原料化學成分Table 1 Chemical components of raw materials

2 粘度試驗

漿液的粘度與漿液的性質、濃度、溫度有關。對于水泥類漿液而言，粘度對于漿液流動性影響很大，粘度致使漿液在管道及巖土空隙中流動的注漿壓力沿程損失。粘度試驗分2 組進行，第一組試驗保持水灰比1∶1 固定不變，黃土的摻加量從小到大按一定比例依次增加，記錄漿液流出500 mL 時所需的時間，結果如圖1 所示。第二組試驗保持黃土水泥比為2∶3 固定不變，水灰比從小到大按一定比例依次增加，記錄漿液流出500 mL 時所需的時間，結果如圖2 所示。

圖1 粘度隨黃土水泥比的變化Fig.1 Variation of viscosity with loess cement ratio

圖2 粘度隨水灰比的變化Fig.2 Variation of viscosity with water cement ratio

2.1 試驗方法

實驗儀器：馬氏漏斗粘度計。操作方法如下。

（1） 校正馬氏漏斗粘度計，在水溫20 ℃條件下流出500 mL 純水時間為15±0.5 s。

（2） 用一只手握住漏斗呈直立位置，食指堵住漏斗下部的流出口。

（3） 用另一只手拿起量筒量取700 mL 的鉆井液樣品經篩網注入干凈并直立的漏斗中。

（4） 將手中的量筒500 mL 端向上放置于漏斗流出口下方，啟動秒表，同時把食指移開出口管口，使鉆井液流入量筒。記錄流出500 mL 時所需的時間。

（5） 測試完畢將零部件洗凈擦干，應特別注意對導流管的保護。

（6） 按順序將各部件放入規定部位，測試結束。

2.2 實驗結果

由圖1 可以看出，漿液的粘度隨黃土水泥比的增大而增大，說明黃土的摻加量對漿液的粘度影響很大，實際應用中應選取合適的黃土水泥比才能滿足工程對漿液穩定性的要求。由圖2 可以看出，水灰比對漿液粘度的敏感性影響比黃土水泥比要大，是注漿物理性能中流動性最大的影響因素。在實際應用中要特別注意水灰比的變化對漿液粘度的影響。

3 凝固時間試驗

按黃土與水泥2∶3 的比例制備粉體材料做正交試驗，按照《GB/T 1346-2011 水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》中凝結時間檢測方法，檢測材料標準稠度用水量及凝固時間（表2）。

由表2 可以看出，水泥中加入黃土后，標準稠度用水量與水泥基本相同，凝固時間稍有增加，其中初凝時間比水泥增長22 min，終凝時間比水泥增長5 min。

表2 標準凝固時間Table 2 Standard solidification time

4 結石體強度試驗

注漿漿液在流經巖土層后，經過滲透、填充等作用與巖土體擠壓、粘結成的一個整體被稱為結石體，結石體強度是評價注漿材料性能的一個重要指標，因為結石體的存在可以顯著提高巖土層的整體性，提高巖土層的抗滲性和抗破壞能力，它是對巖土層加固防滲的關鍵，是判斷注漿漿液優劣性能的重要指標。

4.1 試驗方法

按試驗方案制備的料漿倒入40 mm×40 mm×160 mm 的特制雙層可拆卸三聯試模中（下層為標準三聯試模，上層為無底座三聯試模，即取2 個標準三聯試模，將其中一個去掉底座后放置于下層三聯試模頂部），待泌水完成后，靜置6 h，再將上層無底座三聯試模移除，使用刮平尺將試塊刮平，放入恒溫恒濕養護箱中養護（溫度20±1℃，相對濕度大于等于90%），每組齡期試塊3 塊，養護3 d后，拆除試模，使用YAW4605 微機控制電液伺服壓力機測定3 d 試塊強度，將剩余7、14、28 d 齡期試塊放入恒溫恒濕養護箱中養護，試塊達到齡期后，按照相同方法測定相應齡期試塊的抗壓強度與抗折強度。

抗壓強度是在YAW4605 微機控制電液伺服壓力機的單向受壓條件下，試塊破壞時的峰值壓應力，用P 表示，單位為MPa。抗壓強度公式如下：

式中：F 為峰值壓力；A 為受力面積。

抗折強度是將試塊的2 個光滑面放在DKZ5000電動抗折機的支撐柱上，另一面與加載面接觸，三點作用，緩慢施壓，直至破壞?？拐蹚姸扔肦 表示，單位為MPa?？拐蹚姸裙饺缦拢?/p>

式中：F 為試塊折斷后，施加在試塊中部的載荷；L 為支撐圓柱體之間的距離，棱柱體正方形界面的邊長。

結石體試驗分2 組進行，第一組試驗保持水灰比1∶1 固定不變，黃土的摻加量從小到大按一定比例依次增加，各齡期試塊按要求進行破碎并做好記錄，結果如圖3 和圖4 所示。第二組試驗保持黃土水泥比為2∶3 固定不變，水灰比從小到大按一定比例依次增加，各齡期試塊按要求進行破碎并做好記錄，結果如圖5 和圖6 所示。

圖3 不同組分不同齡期的抗折強度（組分1～4）Fig.3 Flexural strength of different components at different ages（Components 1～4）

圖4 不同組分不同齡期的抗壓強度（組分1～4）Fig.4 Compressive strength of different components at different ages（Components 1～4）

圖5 不同組分不同齡期的抗折強度（組分5～9）Fig.5 Flexural strength of different components at different ages（Components 5～9）

圖6 不同組分不同齡期的抗壓強度（組分5～9）Fig.6 Compressive strength of different components at different ages（Components 5～9）

4.2 試驗結果

由圖3 和圖4 可以看出，在濃度不變的情況下，隨著黃土摻加量的增加，試塊的強度也不斷降低，當物料中加入20%黃土時，3 d 強度降低23.1%，28 d 強度降低24.1%；在不同濃度漿液中，隨著加水量的不斷增加，試塊的強度也不斷降低。

5 黃土水泥注漿液的固化機理

通過水泥類注漿材料中摻加黃土，與水拌和均勻后，形成了一種具有自身特征的新型注漿漿液黃土水泥漿。黃土水泥漿液改變了黃土的自身特性，除黃土有膠結成分外，水泥也具有膠結作用，因而其固化過程較水泥和黃土漿更復雜。這與水泥和黃土的物理性質和化學成分及礦物成分和水關系很大。為此，對于黃土水泥漿的固化機理主要從2 個方面進行分析。

5.1 水泥的水化反應

硅酸三鈣和硅酸二鈣是組成水泥的主要化合物，當水泥與水拌和后會發生水化反應，生成的多種固溶體形成連續網狀結構填充于顆?？臻g，相互粘結，直至水化結束，最終使水泥能夠快速的凝結硬化。研究分析發現，水泥水化產生的Ca(OH)2可以與黃土中的石英與粘土礦物起反應，生成不溶于水的穩定結晶礦物，使黃土水泥漿固結硬化產生強度。方程式如下：

5.2 離子交換作用

當黃土溶于水后，因離子交換和含K+無機鹽的溶解使得黃土中Na+、Ca2+、K+、Mg2+等離子迅速得到釋放。此時，膠體顆粒表面會大量吸附黃土中的低價陽離子，如Na+，K+被水泥水化生成的Ca（OH）2中的Ca2+進行了當量吸附置換，基于這種鹽基交換，漿液中細小的顆粒會凝聚起來，形成新的較大的凝聚體。同時，伴隨著黃土中SiO2緩慢的釋放，生成多種次生礦物，這種次生礦物的生成使得在巖土層中的注漿漿液固化后表現出較強的抗風化能力。

6 結 語

通過對黃土水泥注漿漿液物理性能指標的分析可知，摻加黃土量的多少對注漿漿液的凝固時間影響較小，黃土的摻加量和濃度對注漿漿液的粘度影響較大。在濃度不變的情況下，隨著黃土摻加量的增加，試塊的強度也不斷降低。在不同濃度的漿液中、隨著加水量的不斷增加，試塊的強度也不斷降低。實際應用中，應進一步確定材料配比和濃度，以達到降低注漿成本的目的。本文以實驗室試驗為基礎，根據試驗結果對黃土水泥漿固化機理做了初步分析，黃土水泥作為防治水注漿材料的可行性還需進一步研究。