遇水膨胀橡胶在矿井钻探施工中的应用

赵 凯，景营利，陈 锦

（湖南省地质矿产勘查开发局四一六队，湖南 株洲 412003）

自然界中所有的地表水和地下水之间都存在着相互联系，这直接影响地表水和地下水体的水质和水量。为了阻隔钻孔一定深度内地表水和地下水体之间的联系，在矿井钻探施工过程中，常用的钻孔止水方法有粘土止水、海带止水、水泥、沥青、牛皮、橡胶等。其中新型止水材料—遇水膨胀橡胶，利用其自身遇水膨胀的原理，达到止水密封的效果[1-3]。

1 遇水膨胀橡胶的止水密封机理及特点

遇水膨胀橡胶是一种独特的橡胶新产品。它既有一般橡胶制品的性能，又有能遇水自行膨胀的性能，是一种新型防水材料、止水、防水效果比一般橡胶更为可靠。按加工方法可分为硫化型遇水膨胀橡胶(亦称制品型遇水膨胀橡胶)和非硫化型遇水膨胀橡胶(亦称腻子型遇水膨胀橡胶)。本次矿井钻探施工中的止水工作主要采用非硫化型遇水膨胀橡胶。

据参考资料，橡胶主要由高聚合度的炭、氢链节构成，本身是疏水性物质。如果橡胶中存在亲水性物质或基团，遇水后就会因吸水而膨胀。当遇水膨胀橡胶与水接触时，水分子通过扩散、毛细及表面吸附等物理作用进入橡胶内，与橡胶中的亲水性基团(物质)形成极强的亲和力。亲水性物质不断吸收水分，致使橡胶发生形变，在橡胶自身抗形变力和渗透压差相当时，测得的膨胀率即为静水最大膨胀率。通常遇水膨胀橡胶在封闭条件下使用，遇水后膨胀率并不能达到其静水最大膨胀率，因此就产生了膨胀橡胶与约束体间的接触压力，依靠这种接触压力遇水膨胀橡胶就可以发挥其密封止水的作用。

遇水膨胀橡胶，主要特点有浸水膨胀后能够充满裂缝的所有不规则表面、空穴及间隙，同时产生巨大的接触压力，彻底防止渗漏。形状易于控制、易于嵌填，自粘性好、易续接、遇水膨胀倍率高，最大可产生2～3倍的膨胀变形；无毒无污染；在长时间浸水作用下无溶解物析出；施工方便，价格低廉；使用遇水膨胀橡胶作为堵漏密封止水材料，不仅用量节省，而且还可以消除一般弹性材料因过大压缩而引起弹性疲劳的特点，使止水效果更为可靠。遇水膨胀橡胶物理性能指标详见表1。

2 钻孔施工情况

在矿井钻孔（ZK1孔和ZK3孔）稳定流抽水试验过程中对水质和水量进行了动态监测，历时逾98小时，稳定时间逾40小时。试验过程中对ZK1孔和ZK3孔在一定的时间间隔内不间断地同时采集水样，并严格按照采样有关规定及时送检。检测结果显示两个钻孔内地下水中“锶”元素含量较稳定，均达到“锶”矿泉水的标准；微生物指标数值较大，均超出限值标准，其他各项指标均达标。

在综合分析的基础上，为了查明矿井钻孔内地下水体中微生物超标的原因，排除了抽水试验设备和水样采集过程中人为影响因素，认为可能是地表水通过基岩裂隙下渗对地下水中的微生物指标存在一定的影响。

3 钻孔止水方法及止水效果

在不影响钻孔地下水涌水量的基础上，为了消除或降低地表水中微生物对地下水水质的影响，根据钻孔结构分析，选择在岩芯完整、节理裂隙不发育的基岩孔段采用无缝钢管结合遇水膨胀橡胶进行钻孔内的止水。利用其自身遇水膨胀的弹性形成密封圈，阻隔钻孔内地表水与地下水之间的联系，从而达到止水的目的。

本次矿井钻孔止水工作采用遇水膨胀橡胶的规格为长5m×宽3cm×厚2cm，将其用钢丝绑扎在无缝钢管外壁，下至钻孔内基岩完整段，无缝钢管上至孔口高出地面。钻孔具体情况如下。

3.1 钻孔结构

两个钻孔均采用Φ200mm口径开孔，穿过第四系进入基岩且入岩大于0.5m下入Φ200mm无缝钢管阻隔第四系残坡积层，根据岩石节理裂隙发育情况、岩石的完整性以及含水段纵向分布位置依次变径钻进直至终孔，孔内主要含水段孔径大于Φ130mm，终孔孔径Φ110mm。

ZK1孔 内井管 结构：0m～1.70m为Φ200mm无缝钢管；+0.3m～28.74m为Φ172mm无缝钢管，其中：27.5m～28.74m密封止水部位采用Φ150 mm无缝钢管，外壁用钢丝绑扎遇水膨胀橡胶，两头为Φ172 mm变径接头连接；28.74m至孔底为裸孔。井口管高出地面0.3m，防止地表水直接流入孔内。详见图1

表1 遇水膨胀橡胶主要物理性能指标

ZK3孔内井管结构：0m～10.00m为Φ200mm无缝钢管；+0.5m～73.0m为Φ172mm无缝 钢管，其中0m～21.06m为 无缝钢管，19.5m～20.6m密封止水部位采用Φ150 mm无缝钢管，外壁用钢丝绑扎遇水膨胀橡胶，两头为Φ172 mm变径接头连接，21.06m～67.26m为筛管；67.26m～73.0m为无缝钢管；73.0m至孔底为裸孔。井口管高出地面0.5m，防止地表水直接流入孔内。详见图2。

图1 ZK1钻孔井管结构示意图

图2 ZK3钻孔井管结构示意图

3.2 钻孔止水效果

待遇水膨胀橡胶完全发挥作用后，对钻孔内止水前后静止水位动态监测数据对比，止水效果明显。钻孔内的水位上升明显，ZK1孔静止水位从10.22m上升至4.78m；ZK3孔静止水位从0.76m上升至自流，接高井口管后测得静止水位为+0.55m（静止水位测量均以地面为标准）。

ZK1孔止水前地下水中“锶”元素含量为1.54mg/L～1.71 mg/L，止水后地下水中“锶”元素含量为2.34mg/L～2.59 mg/L；ZK3孔止水前地下水中“锶”元素含量为0.647mg/L～0.770 mg/L，止水后地下水中“锶”元素含量为0.80mg/L～1.10mg/L，详见表2。

ZK1孔和ZK3孔，微生物指标相比止水之前明显降低，且接近达标。具体数据详见表3、表4。

通过遇水膨胀橡胶止水前后ZK1孔和ZK3孔群孔稳定流抽水试验钻孔涌水量结果对比，止水后矿井钻探涌水量分别有所减少，详见表5。

表2 ZK1孔、ZK3孔地下水止水前后“锶”元素含量指标对比表

表3 ZK1孔地下水止水前后微生物指标对比表

表4 ZK3孔地下水止水前后微生物指标对比表

表5 ZK1孔、ZK3孔止水前后钻孔涌水量对比表

4 结语

（1）本次矿井钻探施工中利用遇水膨胀橡胶作钻孔内的止水处理是可行的，通过对比止水前后钻孔静止水位的变化、地下水中“锶”元素的含量、微生物指标数量以及钻孔的涌水量，本次矿井钻探施工采用的遇水膨胀橡胶止水效果明显，基本阻隔了钻孔内浅层地表水与地下水之间的联系。

（2）遇水膨胀橡胶作止水处理，工艺简单，使用方便，成本低，且止水效果好，适用于各种水文地质、工程地质钻孔的同径和异径止水工作。

（3）遇水膨胀橡胶的膨胀速度、膨胀率、耐久性应根据工程的特点判断是否适合使用。膨胀速度不是越快越好，如果需要膨胀速度较慢的，可选择在其表面预涂缓膨剂；应根据设计缝的变形量使用遇水膨胀橡胶，控制不超出其最大体积膨胀率，过大的膨胀率易导致密封不严，止水性能必然下降；遇水膨胀橡胶长时间在水中浸泡存在析出物较多的缺点，对力学性质的影响还有待观察，建议定期采取钻孔地下水样进行水质分析。