化学注浆固结砂微观孔隙与力学特性研究

袁世冲，张改玲

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2.华北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家庄 050021；3.河北省矿山地下水安全技术创新中心，河北 石家庄 050021)

0 引 言

化学注浆是煤矿井筒穿越富水砂层或导水裂隙带沟通上部厚松散层诱发工作面突水溃砂灾害的一种常用的防渗加固手段，可显著提高松散砂层的整体稳定性与抗渗性能，从而达到稳固砂源和切断水砂通道的目的[1-2]。化学浆液泛指所有有机高分子类浆材，例如丙烯酰胺类、木质素类、脲醛树脂类、聚乙烯醇类等黏时变类浆液，相比于传统的无机类浆材，例如水泥、粉煤灰、改性黏土类浆液；具有低压条件下良好的渗透扩散特性及长期抗渗加固稳定性。化学注浆技术已经在神东、晋北、鲁西、两淮及陕北等多个全国重要煤炭基地的100多个井筒和采掘工作面中得到了应用，对严重变形破裂井壁进行了有效修复，对厚松散层开采可能造成的突水溃砂及淹井事故进行了有效防治，保障了矿井的安全和煤炭的高效开采[3-5]。

国内外学者针对化学注浆的理论与实践进行了大量的研究，注浆理论方面的研究主要运用室内试验与数值模拟2种方法，注浆实践方面的研究则主要集中在现场实测、注浆效果检验与工艺创新3个方面。郭密文[6]研究了高压封闭环境下改性脲醛树脂浆液在饱和松散孔隙介质中的扩散机制与模式；杨志全等[7]、叶飞等[8-9]建立了基于宾汉姆流体黏时变特性的渗透注浆理论模型，并推导了扩散半径与注浆压力的理论公式；OZGUREL等[10]对丙烯酰胺类浆液加固不同级配砂层后的力学性质及渗透性进行了系统的研究，并提出了注浆固砂体扩散加固形态的数学模型；钱自卫等[11]采用模型试验的方法研究了不同有效粒径及细度模数的弱胶结孔隙介质，在化学注浆前后强度与渗透系数的变化；刘人太等[12]采用模型试验和有限元模拟软件验证了高聚物改性水泥浆液在动水条件下的扩散规律；程少振等[13]采用自主研发的基于有限元与流体体积函数的数值方法对劈裂注浆过程的浆脉形态发育特征进行了模拟研究。袁世冲等[14]、钱自卫等[15]运用水泥-水玻璃浆液和改性脲醛树脂-草酸浆液相配合，发挥各自优势，成功治理了金鸡滩煤矿副斜井严重破裂井壁导致的突水涌砂灾害；同时，分布式光纤、井间CT、高密度电法等手段也被广泛运用在煤矿化学注浆的过程监测与效果检测中[16]。

目前针对化学浆液的研究主要是针对不同被注介质性质、不同边界条件及不同注浆参数下的试验研究。对化学注浆固结体的研究还比较少，且主要集中在固结体的宏观力学性质方面，对固结体的微观特性的研究有待加强。基于此，采用压汞试验和断层CT扫描2种方法测定了化学注浆固结砂的微观孔隙特性，同时采用SLB-1型三轴剪切渗透仪测试了化学注浆固结砂的抗压强度及渗透系数，并分析了孔隙度与强度的变化。为化学注浆治理突水涌砂灾害、修复破裂井壁及加固巷道围岩等提供工程依据。

1 试验过程与结果

1.1 化学浆液基本性能

试验选用的化学浆液为中国矿业大学自主研发的ZK-Ⅲ型孔隙溶胶，主要成分为脲醛树脂，辅以5%的添加剂，添加剂的主要作用是提高浆液在溶水状态下的固结强度，增强浆液固结后的塑性，草酸溶液为催化剂，可大幅度缩短凝胶时间，通过调节草酸溶液浓度可控制反应时间。

改性脲醛树脂浆液的初始黏度为10～20 mPa·s，纯浆液剪切强度3.0～4.5 MPa，浆液结石体单轴抗压强度可达7.5 MPa，抗渗系数可达10-8cm/s量级，胶凝时间在几秒到几分钟之间可调，主要受环境温度和草酸溶液浓度的影响，如图1所示。由图1可知，相同环境温度下草酸溶液的浓度越高，胶凝时间越短；相同草酸溶液浓度下环境温度越高，胶凝时间越短，且呈现3个阶段变化：第Ⅰ阶段胶凝时间随环境温度大致呈线性递减变化；第Ⅱ阶段随环境温度升高，化学反应加速进行，胶凝时间快速缩短；第Ⅲ阶段胶凝时间随环境温度升高基本保持不变。

图1 环境温度与草酸溶液浓度对胶凝时间的影响Fig.1 Ambient temperature and concentration of oxalic acid solution effect to gelation time

1.2 试验过程控制

试验模型及试验所选用风积砂试样的基本物理性质指标在文献[14]中已经详细介绍，在此不再赘述，试验选取的过程参数见表1。

表1 注浆过程参数选取Table 1 Grouting process parameters

试验结束后将形成的化学注浆固砂体整体剥离出来，其整体形态特征如图2所示。由图2可知，固砂体整体呈圆球形，从剖面中可以观察出，发育主劈裂化学浆脉，沿其四周发育若干条分支浆脉，化学浆液沿各条浆脉向四周渗透扩散固砂。

图2 化学注浆固砂体整体形态特征Fig.2 Morphological characteristics of chemically grouted sand

2 试验结果与分析

2.1 压汞试验

汞对绝大多数造岩矿物具有非润湿性，当对汞施加的压力大于毛管阻力时，汞就会进去孔隙内部，当对汞施加的压力释放时，进入孔隙内部的汞会逐渐退出来，通过监测不同压力下，汞进入与退出的量，绘制压力与体积的关系曲线，即有

pπr2=-2πrσcosα

(1)

式中：p为对汞施加压力；r为孔隙半径；σ为汞的表面张力系数，σ=0.485 N/m；α为汞对材料的浸润角，α=130°。

压汞试验采用AutoPore Ⅳ 9510型全自动压汞仪，其最大压力为6万磅，即414 MPa，可测量孔径范围是3 nm～1 000 μm，包括2个低压站和1个高压站。

图3 压汞试验取样位置Fig.3 Sampling location of mercury injection test

选取顺、垂直劈裂脉的不同位置的10个试样进行了压汞试验测试，每个试样的质量为1.5～3.0 g左右，选取试样位置如图3所示。根据试样的压汞试验数据结果绘制了典型的2、6、9号试样的累计进汞量和压力的关系曲线，如图4所示。

图4 累计进汞量和压力的关系曲线Fig.4 Relationship between cumulative mercury volume and pressure

由图4中可清楚地看出，化学注浆固结砂的累积进汞曲线与压力曲线均呈现型变化，可分为4个阶段：①缓慢进汞阶段，压力范围为0～0.01 MPa，曲线近似重合，此阶段由于压力比较小，压入汞的孔隙是最大的，说明此阶段的孔在所有样品中均存在；②加速进汞阶段，压力为0.01～0.30 MPa，此阶段距离劈裂脉不同距离的样品发生明显的分离，距离越远，曲线的斜率也大，增速也就越快，说明不同样品的孔隙类型在此阶段有明显的差别；③减速进汞阶段，压力为0.3～10.0 MPa，曲线呈现比较明显的上升趋势；④停滞进汞阶段，压力为≥10 MPa，压力大于10 MPa后，曲线均为水平，说明孔隙已经处于饱和状态。

各个试样的退汞率曲线如图5所示，退汞率为52.62%～99.46%，半开放孔居多，孔隙间的连通性差，说明注浆可以明显增强松散土层的抗渗性。

图5 退汞率与距离的关系曲线Fig.5 Relationship between mercury ejection rate and distance

表2列出了距离浆液主劈裂脉不同距离的孔隙直径分布情况，其中超大孔、大孔、中孔、过渡孔、微孔的界限分类依据参考文献[17]中提出的分类方法。

表2 化学注浆固砂体孔径分布结果Table 2 Pore size distribution of chemically grouted sand

随着浆液渗透距离的增加，大孔和中孔的孔隙体积明显减少，过渡孔和微孔的孔隙体积没有明显变化，超大孔的孔隙体积明显增加。可见浆液在渗透的过程中优先充填大孔和中孔，过渡孔和微孔基本没有充填。距离劈裂脉的距离为4 cm时，超大孔的孔隙体积最大，而大孔、中孔、过渡孔、微孔的孔隙体积较小。

2.2 3D-XRM试验

采用德国卡尔蔡司(Carl Zeiss)的高分辨三维X射线显微成像系统(3D-XRM)，其原理是从阴极发射的电子束在轰击阳极靶材钨后产生宽频谱X射线；X射线穿过旋转样品，在不同的角度暂停并由接收器采集二维的投影图像；投影图像通过三维分析软件被组合在一起后形成三维重构体。蔡司三维X射线显微镜的工作原理，如图6所示。

用于3D-XRM的取样位置如图7中箭头所示，在距离劈裂脉一侧通过水钻钻取直径2.5 cm的圆柱状样品，用于三维X射线扫描，获取断层切片数据，在通过MIMICS软件完成三维重构。

1—探测器；2—光学放大镜；3—闪烁器；4—样品；5—光源图6 蔡司三维X射线显微镜的工作原理Fig.6 Zeiss 3D-XRM working principle

图7 3D-XRM取样位置Fig.7 Sampling position of 3D-XRM

由于X射线穿越不同密度属性介质时，其衰减程度不一致，可以采集到不同灰度范围的图像。MIMICS通过不同阈值选择对导入的灰度图像进行图像分割，本文就基于此来构建化学注浆固砂体的三维孔隙模型，处理界面如图8所示。

图8 处理界面Fig.8 Processing interface

图9为经过图像分割后提取到的浆液固结体内部的孔隙、浆液与砂颗粒的特征图像。由图9a可看出，劈裂脉内部的浆液在向两侧渗透扩散的过程中，靠近劈裂脉的地方，浆液的充填率较高，孔隙分布稀疏，抗渗加固效果较好；远离劈裂脉的地方，浆液充填率较低，孔隙分布较多，且孔隙的尺寸差异较大，连通性较好，抗渗加固效果较差。图9b为提取到的浆液骨架形态特征，从图9b中可看出，靠近劈裂脉的地方浆液充填率高，骨架完整，远离劈裂脉的位置，浆液分布比较稀疏，骨架不完整。图9c为提取到的砂颗粒的三维图像。

图9 图片分割结果Fig.9 Results of image segmentation

笔者未对其进行深入分析，只限于定性描述，进一步分析浆液渗透扩散半径上孔隙的连通性、砂颗粒的排布方式等，对从微观上解释浆液的扩散机理很有意义。

2.3 渗透试验结果与分析

采用SLB-1型三轴剪切渗透仪测试注浆固结砂样的渗透系数，SLB-1型三轴剪切渗透仪由3个模块组成，分别为压力控制模块、测试模块及数据存储模块，如图10所示。该三轴仪的轴向压力控制范围为0～20 kN，围压与反压的控制范围均为0～1.99 MPa，测试精度为±1%，可以进行UU、CU、CD三轴测试及渗透试验。

1—轴压控制器；2—围压控制器；3—反压控制器一； 4—反压控制器二；5—顶梁；6—位移传感器； 7—三轴压力室；8—试样；9—升降机；10—电脑图10 SLB-1型三轴剪切渗透试验仪系统组成Fig.10 Composition principle of model SLB-1

试样渗透系数主要取决于孔隙度，及内部孔隙的几何性质，包括尺寸、形状、方向、连通性等。经典的Carman-Kozeny模型认为渗透系数与孔隙度4呈正相关，其表达式为

(2)

式中：k为渗透系数；c为Carman-Kozeny模型常数；φ为孔隙度。

采用SLB-1型三轴剪切渗透试验仪，测试采用的围压为200 kPa，轴压与反压一为0，反压二为20 kPa，剪切速率为0.8 mm/min，距离劈裂脉不同距离试样的渗透系数测试结果见表3。

表3 化学注浆固砂体试样渗透系数Table 3 Permeability coefficient of chemically grouted sand

从表3中可以清楚地看出，随着浆液渗透扩散距离的增加，渗透系数不断增大，且浆液渗透扩散距离在2.5 cm左右时，渗透系数陡然增加，与浆液对孔隙的充填情况密切相关。经过测试，密度为1.60 g/cm3的纯砂样的渗透系数为2.35×10-3cm/s，得到的化学注浆固砂样渗透系数的平均值为7.23×10-6cm/s。可见化学注浆可以明显增强其抗渗性能，减小孔隙度及孔隙间的连通性能。

2.4 力学试验结果与分析

注入化学浆液后，砂样的渗透系数必将发生明显改变。普氏系数分级法[18](表4)是以岩石的加固系数进行分类的方法，被广泛应用在巷道支护、岩体开挖、定向爆破等岩土工程领域，其计算公式为

f=Rc/10

(3)

式中：f为普氏系数；Rc为单轴抗压强度。

表4 普氏系数分级方法[18]Table 4 Protodyakonov coefficient scale[18]

3 结 论

1)累积进汞曲线与压力曲线均呈现S型变化，可分为4个阶段，缓慢进汞阶段(0～0.01 MPa)、加速进汞阶段(0.01～0.30 MPa)、减速进汞阶段(0.3～10 MPa)、停滞进汞阶段(≥10 MPa)。

2)退汞率为52.62%～99.46%，半开放孔居多，孔隙间的连通性差，说明注浆可以明显增强松散土层的抗渗性。

3)劈裂脉内部的浆液在向两侧渗透扩散的过程中，靠近劈裂脉的地方，浆液的充填率较高，孔隙分布稀疏，抗渗加固效果较好；远离劈裂脉的地方，浆液充填率较低，孔隙分布较多，且孔隙的尺寸差异较大，连通性较好，抗渗加固效果较差。

4)化学注浆固砂样渗透系数的平均值为7.23×10-6cm/s。可见化学注浆可以明显增强其抗渗性能，减小孔隙度及孔隙间的连通性能。

5)依据岩石的普氏系数分级方法，化学注浆固砂样可以达到坚固的状态，说明化学注浆后，松散砂样的坚硬程度明显改善，可以达到很好的固砂减渗效果。