某超高水注漿堵水材料的應用試驗研究

劉帥洲

(長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012)

0 引言

安徽省馬鋼資源礦業集團姑山礦業公司下屬的白象山鐵礦、姑山露轉井、鐘九鐵礦均為水文地質條件復雜的礦山，井下的掘進和采切工程注漿堵水工程量大，注漿材料消耗量多。為降低注漿成本，姑山礦業引入了一種超高水注漿堵水材料。超高水充填材料產品由A、B 兩個組分構成，A 組分主要為鋁酸鹽熟料，B 組分為石膏石灰，燒結后配合緩凝劑、速凝劑、懸浮劑等添加劑按照一定的配比分別混合研磨而成。由于超高水充填材料具有材料成本低、早期強度好、凝結時間可調、與普通的水泥類漿液相比可注性好、漿體在流動過程中不易出現分層離析現象、環保無毒等諸多優點，因此廣泛應用于采空區充填、沿空留巷、尾砂尾泥固化、井下火區封閉等領域。但由于超高水充填材料尚未在礦山注漿堵水的工程領域推廣使用，且礦山注漿堵水系統復雜，需對其物理力學性能（漿液的不同配比及物理性能、凝膠時間、黏度及流動性、結石率、結石體強度等）進行系統性的室內試驗，確定配制漿液的最佳配比。

1 試驗方法

根據生產廠家提供的超高水充填材料的性能，結合礦山注漿堵水對材料的要求，本次設計9 種不同配比的漿液，材料配比見表1。

漿液采用WIGGENS 高速攪拌器攪拌，混合漿的密度采用NB-1 型比重計測定，漿液的酸堿度用pH 值表示，在A 液與B 液混合后、漿液凝膠前測定pH 值；無水條件下漿液的凝膠時間是指在一定溫度下，從參加反應的全部組分混合時起，直到凝膠發生，漿液不再流動為止的一段時間。超高水充填材料的A 液與B 液混合后，在燒杯內一邊攪拌一邊觀測漿液的流動性，采用秒表計時，測定溫度為25℃。

漿液的體積與結石體體積之比稱為結石率（β），其表達式為：

式中，V1為漿液的體積；V2為結石體的體積。

當β小于1 時，表明結石體收縮，收縮率為（V1-V2）/V1；當β大于1 時，表明結石體膨脹，膨脹率為（V2-V1）/V1。

本試驗采用100 mL帶刻度的燒杯測定結石率，裝入約60 mL 漿液至某一刻度，記下讀數V1，待漿液凝固后，再觀察其體積的變化量，記下讀數V2。

本次試驗試塊制作采用一次成型的方法，A 液與B 液快速混合攪拌后，立即倒入尺寸為7 cm×7 cm×7 cm 的試模內，每組試塊為6 個，初凝后放入養護釜內進行養護，養護的溫度為25C°，養護濕度為水下養護。測定3 d 和28 d 試塊的抗壓強度，抗壓試驗采用MTS-815 型液壓伺服試驗機。

2 試驗結果與數據分析

2.1 注漿材料物理化學性能分析

黏度η是液體內部阻礙其相對流動的一種特性，是液體中的液體分子與固體顆粒內摩擦的結果。漿液黏度采用1006 型泥漿黏度計測定，讀數值表示泥漿流出500 cm3容器的時間。超高水充填注漿材料的試驗配比及物理化學性能見表1。

表1 超高水充填注漿材料的試驗配比及物理化學性能

漿液的黏度是表征注漿材料可注性、漿液擴散半徑大小的一個重要指標。根據表1 測定的不同漿液配比黏度測定值，繪制漿液的黏度變化曲線，見圖1。從圖1 中可知，漿液的水固比越大，漿液的黏度越小。

圖1 漿液的黏度隨水固比變化曲線

2.2 無水條件下漿液的凝膠時間分析

根據無水條件下超高水充填注漿材料的凝膠時間測試結果，不同水固比漿液的凝膠時間變化規律見圖2，超高水注漿材料凝膠時間在8～85 s 之間變化，并隨著水固比增大，材料的凝膠時間增加。相同水固比、不同A、B 組分配比漿液的凝膠時間對比見圖3。從圖3 可以看出，同一水固比，凝膠時間隨著B 組分的比例降低而增加。相較于傳統水泥注漿材料，超高水注漿材料具有凝膠時間短的特點。因此在礦山注漿堵水工程中，超高水注漿材料可以快速封堵涌水鉆孔。

圖2 無水條件下漿液的凝膠時間隨水固比變化曲線

圖3 相同水固比不同A、B 組分配比漿液的凝膠時間對比

2.3 有水條件下漿液的凝膠時間分析

有水條件下不同水固比漿液的凝膠時間變化規律見圖4。由圖4 可知，漿液凝膠時間在8～92 s之間變化，凝膠時間隨水固比的增大而增加。與無水條件下漿液凝膠時間相比，其凝膠時間略微增大，其他變化規律基本一致，說明超高水材料具有一定的抗動水特性。

圖4 有水條件下漿液的凝膠時間隨水固比變化曲線

2.4 漿液的結石率分析

漿體的結石率直接影響漿液對含水構造的充填性能，也決定了注漿對含水構造過水斷面的封堵能力。不同水固比漿液的結石率變化規律見圖5。由圖5 可知，漿液結石率在80%～98%之間變化，漿液的水固比越大，其結石率越小。通過在實驗室中養護發現，超高水材料在終凝之后隨時間延長，養護需水率增加，在常溫干燥空氣中養護易導致試塊表面干裂，影響材料強度。因而在材料結石強度測定試驗中，采用溫水浴養護。

圖5 漿液的結石率隨水固比變化曲線

2.5 漿液結石體抗壓強度分析

根據漿液結石體抗壓、抗折強度測試結果，不同水固比漿液的抗壓強度（3 d、28 d）變化規律見圖6。由圖6 可知，漿液結石體抗壓強度在0.2～3.5 MPa 之間變化，漿液的水固比越大，其結石抗壓強度越小。對比結石體3 d 與28 d 抗強強度，可以看出超高水材料前期強度增長較快，在恒溫水浴保養28 d 后結石體強度增長不明顯。

圖6 漿液結石體抗壓強度隨水固比變化曲線

3 結論

通過對某超高水注漿堵水材料進行試驗研究，對不同配比漿液進行測試和分析，得到如下結論：

（1）根據本次試驗結果，超高水注漿堵水材料的密度、黏度、強度等特性可以滿足其作為礦山注漿堵水材料的要求；

（2）在A、B 組分體積比為1:1 時，隨著漿液水固比的增加，其密度、黏度、強度均會降低，凝膠時間延長，水固比相同時，隨著B 組分的增加，其密度、黏度、強度增加，凝膠時間減少；

（3）超高水注漿堵水材料在注漿過程中具有快速凝膠的特點，此外還具有一定的抗動水特性，因此使用超高水注漿堵水材料對注漿鉆孔附近水質有一定影響，但對于遠離治理區水質影響甚微,說明超高水注漿堵水材料對有水質要求的注漿工程具有適用性；

（4）本次試驗推薦的漿液配比為水固比6:1、A 液與B 液體積比1:1 和水固比4:1、A 液與B 液體積比1:1 兩種漿液類型，前者適用于孔口混合的深孔細裂隙注漿堵水，后者適用于孔內混合或鉆孔出水點深度小于20 m 的大裂隙注漿堵水。