冻结孔泥浆置换中缓凝水泥浆及混合浆的性能劣化规律

李 强，王衍森，王春林，徐圣集，樊志强

冻结孔泥浆置换中缓凝水泥浆及混合浆的性能劣化规律

李 强1，王衍森2，王春林3，徐圣集3，樊志强2

(1. 陕西延长石油矿业有限责任公司，陕西 西安 710075；2. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点试验室，江苏 徐州 221116；3. 陕西延长石油巴拉素煤业有限公司，陕西 榆林 719000)

冻结孔泥浆置换已成为岩层冻结法凿井的必需环节，但冻结管下放易遭遇浆液黏滞阻力过大，甚至被“抱死”导致钻孔报废。为深入掌握深孔环境中水泥浆及其与泥浆混合浆的性能劣化规律，以表观黏度作为衡量指标，考虑养护时间、温度、失水状态及混合浆的体积比等因素，分别开展缓凝水泥浆、混合浆的室内试验研究。结果表明：养护时间20 h内，水泥浆和混合浆的黏度均随养护时间延长而增长，但混合浆黏度值及增长速率远超过水泥浆；二者黏度与温度之间呈非线性变化关系；失水状态加速浆液的黏度增长，尤其是对混合浆的黏度影响更大；混合浆的黏度与体积比之间呈现为非线性关系；与缓凝水泥浆相比，混合浆的黏度剧增等性能劣化现象，受养护时间、温度及失水状态的影响都更为显著。分析认为，水泥与泥浆的混合浆液的黏度骤升、流动性大幅下降甚至丧失，是冻结管下沉阻力过大甚至被“抱死”的关键原因；因此，控制浆液混合段高度，抑制混合浆的黏度增长，是保证冻结管安全顺利下沉的关键。

冻结孔；泥浆置换；缓凝水泥浆；混合浆；表观黏度；性能劣化

近十余年来，基岩全深冻结法凿井技术已在我国西部白垩系等弱胶结富水岩层中得到广泛应用[1]。岩层段冻结管外的环形空间不易压实，冻结壁解冻后易竖向导水，威胁井下巷硐甚至整个矿井的安全[2]。为防范冻结孔突涌水事故，冻结管下放前通常需采用缓凝水泥浆，开展冻结孔泥浆置换作业[3-5]。

缓凝水泥浆的性能是影响泥浆置换及冻结管下放安装成败的关键。程志彬等[6]针对门客庆矿井需要，研制缓凝水泥浆配方；刘娟红等[7]、齐锦霞等[8]也研制了适用于弱胶结软岩，流动性、保水性、抗冻性较好的封孔水泥浆材料；杨伟光等[9]研制具有特定密度、稳定性较好的缓凝水泥浆；陈新年等[10]研制高效缓凝剂及适用于超深孔的缓凝水泥浆材料；上述缓凝水泥浆材料的试验研究，均直接面向冻结孔泥浆置换工程，并以初凝时间、稳定性、保水性为重点，研究成果较好地解决了实际工程问题。但对于缓凝水泥浆、混合浆在深孔温度环境、长时间静置过程中的黏度变化普遍缺乏关注及研究，冻结管下放到底前，孔内浆液黏度的急剧增大将严重威胁冻结管下沉，因此，可视为性能劣化。在此背景下，冻结孔泥浆置换条件下，冻结管下沉受阻甚至被“抱死”，进而导致钻孔报废的事故，时有发生。

赵嘉亮等[11]针对钻孔泥浆置换后冻结管下沉遇阻现象，认为是水泥浆和泥浆的稠化絮凝反应所致，但并未开展深入的试验研究。王衍森等[12]、张成银等[i][13-14]通过试验，研制适用于千米深孔及较高地温(45℃)的缓凝水泥浆材料，并针对800 m深孔的压力与温度环境(8 MPa、35℃)，开展水泥浆黏度变化、初凝时间的现场试验，结果表明：压力影响较小。此外，樊志强[15][ii]针对水泥浆与混合浆黏度随时间、温度的变化规律，开展初步试验研究，发现一定体积比的混合浆，初凝时间远超过纯缓凝水泥浆，且黏度值及其增长速率也远超水泥浆。

总之，大量工程实践表明：冻结管下放安装失败，与深孔环境中的浆液(尤其是混合浆)黏度增长具有密切关系。然而，目前对深孔温度、失水环境中缓凝水泥浆及其与泥浆混合浆(简称混合浆)的黏度增长等性能劣化规律，尚缺乏深入、定量地研究，这制约了对冻结管下沉受力及其受阻机理的认识。

鉴于此，笔者通以表观黏度为主要衡量指标，考虑养护温度、时间、浆液失水及混合浆的体积比等因素，开展缓凝水泥浆及混合浆性能劣化规律的试验研究，以掌握不同条件下水泥浆、混合浆表观黏度值及其变化规律，以期为开展冻结管下沉过程的力学分析，开展下沉可行性、安全性评估提供重要依据。

1 试验仪器及试验方案

1.1 试验仪器及试验材料

1.1.1 仪器与设备

浆液黏度的测量采用DV-2+PRO型旋转黏度计。

根据黏度计对浆液容器或试样直径、深度方面的要求，自制浆液养护容器，如图1所示。

图1 浆液试验养护容器

为模拟孔壁泥皮破坏后浆液面临的水分滤失环境，参考西部地层白垩系砂岩等的渗透系数[16-17]，浆液容器底座采用透水石制成(渗透系数为2×10–6cm/s)。当无需模拟失水状态时，采用不透水底座。

针对黏度计及浆液容器，首先利用标准油进行仪器性能的标定测试。数据对比表明，测试误差小于1.299%，证实该旋转黏度计及自制容器的适用性。

为检验浆液养护温度、黏度测试环境温度对试验结果的影响，开展先期探索性试验。结果表明：水泥浆养护温度高而黏度测试环境温度低时，因温度骤降，浆液黏度曲线将出现骤升段，如图2a所示，浆液试样的养护、黏度测试温度分别为45、16℃，这与触变性流体剪切规律明显不符；且养护温差与测试环境温度的差异越大，此现象越明显。

鉴于此，采用集热式恒温加热磁力搅拌器，利用恒温水浴，保证浆液黏度测试时的环境温度与其养护温度高度一致。图2b是水泥浆在养护温度、测试环境温度均为45℃条件下剪切过程中的黏度下降曲线；显然，其表观黏度先下降后趋于稳定，符合触变性流体的剪切特性。

图2 不同环境温度下的水泥浆表观黏度曲线

1.1.2 浆液配方

本文所述的缓凝水泥浆(简称水泥浆)，均采用中国矿业大学研制且已开展大量工程应用的专利配方，水灰比为1.25︰1，主要外加剂的掺加量见表1，悬浮剂掺量以水的质量为基准，其他外加剂掺量均以水泥质量为基准。

钻孔泥浆配方，参考我国西部冻结凿井工程中冻结孔施工的常用配方，见表2，泥浆中其他组分的掺量均以水的质量为基准；利用取自工程现场的广谱护壁剂等外加剂自行配制而成。

表1 缓凝水泥浆配方

表2 冻结孔的打钻泥浆配方

1.2 试验方案及方法

1.2.1 试验方案

室内及现场试验均表明：冻结管下沉所需的时间段内，缓凝水泥浆通常远未达到初凝状态；因此，冻结管下沉受阻并非水泥浆初凝所致；深孔环境中水泥浆与混合浆的黏度过大，应该是造成冻结管下沉失败的真正原因。为此，本文把浆液黏度的骤升或激增现象称为“性能劣化”，并以表观黏度作为衡量浆液性能劣化的主要指标。

已有研究表明，水泥浆与混合浆的黏度主要与温度、时间、失水率有关；水泥浆与泥浆的混合浆(简称混合浆)的性能劣化还受体积比的重要影响，故本文试验主要考虑以上因素。至于浆液柱压力因素，鉴于现场试验已表明其对浆液黏度影响较小，因此，试验中不模拟孔内的压力环境[12]。

试验中，温度取3个水平：35、40、45℃。初步试验发现：浆液配制并置于特定温度下养护，一般需2 h性能才基本稳定，且多数工程中，冻结管下沉可在20 h内完成。因此，浆液养护时间取5水平(2、5、10、15、20 h)。浆液失水状态取2水平(是、否)。对于混合浆，水泥浆与泥浆的体积比取5水平(1︰2、3︰4、1︰1、4︰3、2︰1)。

试验采用单因素试验与正交试验相结合的方法，以期不仅得到各因素下的浆液黏度值及其随各因素的变化规律，且可得到不同因素影响的显著性。因为每个因子的水平数不同，用拟水平法对正交试验设计的方案进行改造。拟水平法是指把某因素的一个或几个水平重复安排后而成为虚拟的多水平的设计方法。

水泥浆具体试验方案见表3、表4；混合浆具体试验方案分别见下文。

1.2.2 试验方法

水泥浆试验中，每组试验制作5个试样，置于相同环境中养护；并按养护时间，每次测定1个试样的表观黏度(结合实际工况并参照文献[12]，剪切速率统一取20 s–1)。类似地，对于同一体积比的混合浆，也制备多份试样，同条件养护至不同时间，测定其表观黏度。

水泥浆、混合浆均属触变流体，随着剪切时间延长，表观黏度都会先减小后趋于稳定。实际工程中，每根冻结管对焊后，一般不超过200 s即可完成下沉作业(而后对焊加长)。试验发现：浆液剪切200 s时，表观黏度已进入平稳段，因此，本文对于浆液表观黏度的测试，剪切时间均定为200 s。

2 缓凝水泥浆性能劣化试验结果与分析

2.1 单因素试验

缓凝水泥浆性能劣化的单因素试验结果见表3，表中的温度指养护温度与黏度测试环境温度，二者相同；时间指浆液的养护时间，下同。

表3 缓凝水泥浆性能劣化的单因素试验结果

1) 养护温度及时间对水泥浆黏度的影响

基于表3数据，绘制了不失水状态下水泥浆黏度随温度、时间的变化曲线(图3a)。显然，各种温度下，浆液黏度均随时间延长而增大；但不同温度下，浆液早期黏度的增长速率存在较明显区别。

浆液养护2～5 h时间段，温度35℃下的水泥浆黏度快速增大，其余温度下黏度初始值较小且增长缓慢；养护5～10 h，温度45℃环境中的水泥浆黏度快速增长，其他温度下的水泥浆黏度增长较平稳；养护10～20 h，3种温度下的水泥浆黏度增长速率几乎相同，表明温度对该时间段水泥浆黏度增长几乎无影响；分析认为，该阶段水泥浆黏度增加，应该主要受随时间延长而发生的水泥水化反应所控制。

取养护2 h的黏度(202.42 mPa·s)为初始值，养护至20 h， 35、40、45℃条件下，水泥浆黏度比初始值分别增加46.5%、29.1%、45.9%。

图3 不同影响因素下的缓凝水泥浆表观黏度曲线

2) 浆液失水状态对水泥浆黏度的影响

图3b为养护温度为35℃，失水(渗透)、不失水(不渗透)状态下，缓凝水泥浆表观黏度随时间的变化曲线。显然，相同温度下，无论浆液是否失水，其黏度都随时间延长而增大；但浆液在失水状态下，无论表观黏度值还是其增长速度，都远超过不失水状态；且黏度差值也随时间延长而不断增大。

取养护2 h的水泥浆表观黏度为初始值，失水状态下的水泥浆初始黏度(380.28 mPa·s)是不失水状态下(202.42 mPa·s)的1.88倍。养护至20 h，失水、不失水状态下，水泥浆黏度分别增加118.2%和46.5%；失水状态下的水泥浆黏度(829.33 mPa·s)增至不失水状态下(296.58 mPa·s)的2.8倍，这表明：水泥浆失水，将显著加剧其黏度增长。

总体而言，如果不失水而仅受水泥水化反应影响，水泥浆养护至20 h时的黏度虽有增大，但增幅有限(<50%)，且远未达到初凝状态，因此，纯水泥浆基本不影响冻结管下沉。但当水泥浆失水时，其黏度却能达到初始值的4倍以上，影响其在冻结管外环空内的上返流畅性，从而加剧冻结管下沉难度。

冻结孔泥浆置换一般利用钻杆完成，而后再下放冻结管。水泥浆在深孔内长时间静置过程中，孔壁泥皮质量(密实与坚韧程度)将通过影响水泥浆的水分滤失，影响水泥浆的黏度增长，造成其性能劣化。

由此可见，为避免水泥浆失水造成黏度过早骤升，一方面，应尽量提高钻孔泥浆的护壁(或孔壁泥皮)质量；另一方面，泥浆置换前须先卸除钻头，以免钻杆上提时剐蹭孔壁泥皮，加剧水分滤失。

2.2 正交试验

水泥浆性能劣化的正交试验结果见表4；影响因素方差分析结果见表5。

表4 水泥浆性能劣化的正交试验结果

表5 缓凝水泥浆性能劣化影响因素方差分析

方差分析基本思想是将数据的总变异分解成因素引起的变异和误差引起的变异两部分[18]，构造统计量，作检验，即可判断因素作用是否显著。显著性水平值可取0.01、0.05、0.10和0.20，分别对应置信度99%、95%、90%和80%。当>0.01时，说明此因素高度显著；若0.01>>0.05，显著；若0.05>0.10，有影响；若0.10>0.20，有一定影响；当<0.20，可认为基本无影响。

由表5中各因素的方差分析可知，失水状态和养护时间这两因素的值超过0.01，表明两者对于水泥浆性能劣化具有高度显著的影响；养护温度的值在0.05和0.10之间，说明此因素对试验结果有影响，但不显著。

3 混合浆性能劣化试验结果与分析

3.1 单因素试验

混合浆性能劣化的单因素试验结果见表6(表中体积比是指水泥浆与泥浆体积之比，下同)。

表6 混合浆液性能劣化的单因素试验结果

1) 养护温度对混合浆黏度的影响

基于表4数据，图4a给出养护时间10 h、不失水状态下，体积比为1︰1的混合浆、水泥浆的黏度随温度的变化曲线。由图可知，水泥浆黏度随温度变化甚微，而混合浆黏度变化明显。大量试验表明：养护时间小于20 h时，不同体积比的混合浆黏度均随温度升高呈先增大后减小的非线性变化规律。在35、40、45℃条件下，混合浆黏度分别为水泥浆的1.54、2.55、1.91倍。这表明：与水泥浆相比，混合浆性能劣化受温度影响更严重。

2) 养护时间对混合浆黏度的影响

图4b为不失水状态、40℃条件下，体积比1︰1的混合浆与水泥浆的黏度增长曲线对比。二者表观黏度均随时间延长而增大，且水泥浆基本呈线性增长；但混合浆黏度增长速率远超水泥浆。

图4 混合浆表观黏度随养护温度和时间的变化曲线

以养护2 h的表观黏度为初始值，混合浆初始黏度(399.83 mPa·s)是水泥浆(212.64 mPa·s，表4)的1.88倍。养护至20 h，水泥浆黏度(274.58 mPa·s)仅比初始值增加29.13%，而混合浆黏度(987.57 mPa·s)增加了147.02%，增至同等养护条件下水泥浆黏度的3.6倍(约为水泥浆配制后初始黏度的4.64倍)。这表明：相同养护条件下，与水泥浆相比，混合浆性能劣化受时间影响更显著。

可见，一方面，加快冻结管速度，缩短下放时间，对保证冻结管顺利下放到底至关重要；另一方面，冻结管在穿越水泥浆与泥浆的混合段时，将面临更显著的黏滞阻力作用，成为影响冻结管下放成败的关键。

3) 失水状态对混合浆黏度的影响

图5a给出体积比为1︰1、40℃条件下，混合浆、水泥浆分别养护至10、20 h时，失水状态对黏度的影响规律(图中横轴指浆液容器底座的渗透系数；渗透系数取0表示底座不透水)。

浆液不失水时，混合浆和水泥浆的表观黏度分别为621.73 mPa·s和274.58 mPa·s，混合浆黏度是后者的2.26倍。浆液失水时，二者黏度分别为3 934.19 mPa·s和446.15 mPa·s，混合浆黏度是后者的8.82倍。鉴于水泥浆黏度随时间近似线性增长，故养护时间为10 h的水泥浆黏度要小于20 h的黏度值。由此推断：二者养护时间均为10 h时，混合浆与水泥浆的黏度之比将会更大。

水泥浆在失水状态下养护20 h的表观黏度，是不失水状态的1.62倍；混合浆失水状态下养护10 h的表观黏度，高达不失水状态的6.33倍。显然，与水泥浆相比，混合浆黏度增长受失水状态的影响更大。

鉴于失水养护10 h条件下，混合浆黏度骤升至3 934.19 mPa·s，分析认为：冻结管穿越该混合浆液段时，其在冻结管外环空内上返的流动性将急剧下降，在环空较为窄小的条件下，由于同时受到壁面吸附作用，甚至会完全丧失流动性。据此判断，这应是部分冻结凿井工程中，冻结管在钻孔泥浆置换后开展下沉安装时，遭遇阻力过大甚至发生“抱死”现象(既无法下沉，也不能向上拔出)的根本原因。

上述试验结果也进一步表明：冻结孔泥浆置换中，孔壁泥皮的护壁质量对冻结管顺利下沉影响巨大。

4) 体积比对混合浆黏度的影响

图5b给出温度40℃、养护至10 h，不失水状态下，混合浆的表观黏度随体积比的变化曲线。

图5 失水状态及体积比对混合浆黏度的影响

以体积比为1︰1的混合浆表观黏度为基准值，计算知：体积比1︰2、3︰4、4︰3、2︰1的混合浆，表观黏度分别是基准值的2.01、1.12、1.37、0.52倍。

可见，水泥浆与泥浆混合后，受二者发生稠化絮凝反应影响，混合浆的黏度显著增大。在试验因素水平内，水泥浆与泥浆的体积比为1︰2时，表观黏度取得最大值(1 251.18 mPa·s)；体积比为1︰1时，黏度出现极小值；之后，随着泥浆体积占比增大，体积比接近4︰3时，混合浆黏度出现极大值；此后，其黏度逐渐减小并趋近于泥浆黏度。

上述试验结果表明：在竖向穿过水泥浆、泥浆混合段时，冻结管将受到较大的滞阻力作用，且阻力大小与浆液混合的体积比有关。为减小冻结管下沉阻力，钻孔泥浆置换时，应通过优化水泥浆压入速度，并在水泥浆、泥浆之间压入适量清水或专用隔离液等措施，减少混合段高度及其混合程度，以抑制其黏度骤升现象，降低对冻结管下沉的不利影响。隔离液应选择与泥浆、水泥浆都不发生化学反应，且相对密度介于二者之间的浆液。

需指出的是，鉴于混合浆黏度是由稠化絮凝反应所致，因此，随着水泥浆与泥浆成分、配比的不同，显然混合浆的最大黏度及对应的体积比并非常数。为此，作为冻结管下沉受力分析的关键参数，不同体积比的混合浆表观黏度值，应根据实际工程的具体浆液配方，通过试验加以测定。

3.2 正交试验

混合浆性能劣化的正交试验结果见表7，影响因素的方差分析见表8。

由表8中各因素的方差分析可知，失水状态因素的值超过了99%置信度条件下的临界值，表明此因素在99%置信度条件下，对混合浆性能的劣化具有高度显著影响；体积比和养护时间的值在0.05和0.01之间，说明两者对试验结果影响显著；养护温度的值小于80%置信度条件下的临界值，说明此因素对混合浆性能劣化无影响。

4 结论

a.浆液养护时间20 h内，缓凝水泥浆与混合浆的黏度均随时间延长而增长，且后者的黏度值及增长速度远超过前者。浆液养护的前后期，黏度增长分别主要受温度和时间(水泥水化反应)影响。与水泥浆相比，混合浆性能劣化受时间及温度影响更明显。

b.失水状态将加剧水泥浆与混合浆的黏度增长；失水养护20、10 h时，二者的表观黏度分别是不失水状态下的1.62倍、6.33倍。与水泥浆相比，混合浆的性能劣化受失水现象影响更为显著。

表7 混合浆液性能劣化的正交试验结果

表8 混合浆性能劣化影响因素的方差分析

c.混合浆黏度，受水泥浆与泥浆体积比的影响显著，且呈现为非线性变化关系。在试验因素水平范围内，体积比为1︰2、1︰1、4︰3时，混合浆的黏度分别取得最大值、极小值、极大值。不同体积比的混合浆黏度，均随温度升高呈现先增大再减小的趋势。

d.对缓凝水泥浆性能劣化的影响程度，失水状态最为显著，其次为养护时间、温度。对混合浆性能劣化的影响程度，失水状态最为显著，其后依次为水泥浆与泥浆的体积比、养护时间、养护温度。

e.水泥浆与泥浆混合浆的黏度骤升，流动性下降甚至丧失，是冻结管下沉阻力过大甚至被“抱死”的关键原因。通过泥浆置换工艺优化，减小混合段高度与混合程度，减轻混合浆黏度的增长，是提高冻结管下沉成功率的关键。

[1] 姚直书，程桦，荣传新. 西部地区深基岩冻结井筒井壁结构设计与优化[J]. 煤炭学报，2010，35(5)：760–764.

YAO Zhishu，CHENG Hua，RONG Chuanxin. Shaft structural design and optimization of deep freezing bedrock shaft in west area[J]. Journal of China Coal Society，2010，35(5)：760–764.

[2] 吴璋，王晓东，武光辉，等. 井筒冻结孔解冻涌水发生机制及其控制技术[J]. 煤田地质与勘探，2015，43(1)：35–42.

WU Zhang，WANG Xiaodong，WU Guanghui，et al. Mechanism and control technology of water inrush from shaft freezing holes after thawing[J]. Coal Geology & Exploration，2015，43(1)：35–42.

[3] 邵红旗. 深基岩冻结井筒封闭不良冻结孔水害治理技术[J]. 煤炭科学技术，2013，41(10)：22–25.

SHAO Hongqi. Water disaster control technology of poor sealing frozen hole in deep freezing bedrock shaft[J]. Coal Science and Technology，2013，41(10)：22–25.

[4] 夏阳，岳丰田，高书豹，等. 西部地区淹水井筒冻结法施工监测分析[J]. 煤炭科学技术，2012，40(3)：37–40.

XIA Yang，YUE Fengtian，GAO Shubao，et al. Analysis on construction monitoring and measuring of ground freezing method for water flooded mine shaft in the west of China[J]. Coal Science and Technology，2012，40(3)：37–40.

[5] 赵强，武光辉. 基岩冻结法施工解冻水害的机理及治理技术[J]. 煤矿安全，2013，44(4)：91–93.

ZHAO Qiang，WU Guanghui. The mechanism and control technology of thawing water disaster caused by the bedrock freezing construction[J]. Safety in Coal Mines，2013，44(4)：91–93.

[6] 程志彬，吴晓山. 缓凝水泥浆置换冻结孔泥浆封水技术[J]. 建井技术，2010，31(6)：28–30.

CHENG Zhibin，WU Xiaoshan. Seal water technology of slow slurry replacement of frozen mud holes[J]. Mine Construction Technology，2010，31(6)：28–30.

[7] 刘娟红，纪洪广，贺震平，等. 适于弱胶结软岩的新型冻结孔封孔材料性能及微结构研究[J]. 煤炭学报，2013，38(4)：595–599.

LIU Juanhong，JI Hongguang，HE Zhenping，et al. Study on performance and microstructure of new type sealing material suitable for freezing hole at weakly cemented soft rock[J]. Journal of China Coal Society，2013，38(4)：595–599.

[8] 齐锦霞，刘娟红，高超，等. 缓凝型冻结孔封孔材料试验研究[J]. 建井技术，2012，33(5)：33–36.

QI Jinxia，LIU Juanhong，GAO Chao，et al. Experimental study on retarded sealing material for freezing hole[J]. Mine Construction Technology，2012，33(5)：33–36.

[9] 杨伟光，冯旭海，田乐. 冻结孔环形空间充填材料密度试验研究[J]. 煤炭科学技术，2014，42(增刊1)：19–20.

YANG Weiguang，FENG Xuhai，TIAN Le. Research on the sealing materials used to filling hollow space around freezing pipes in freezing holes[J]. Coal Science and Technology，2014，42(Sup.1)：19–20.

[10] 陈新年，奚家米，张琨. 井筒超深冻结孔封孔缓凝水泥浆性能研究[J]. 煤炭科学技术，2015，43(3)：6–9.

CHEN Xinnian，XI Jiami，ZHANG Kun. Study on performance of hole sealing retarded cement slurry in ultra-deep freezing holes[J]. Coal Science and Technology，2015，43(3)：6–9.

[11] 赵嘉亮，郭永东. 用缓凝水泥浆置换冻结孔内粘土浆的研究与应用[J]. 建井技术，2007，28(6)：33–35.

ZHAO Jialiang，GUO Yongdong. Research and application of slow slurry replacement of frozen clay pulp hole[J]. Mine Construction Technology，2007，28(6)：33–35.

[12] 王衍森，张成银，张春虎，等. 基岩冻结凿井冻结孔的泥浆置换充填研究[J]. 中国矿业大学学报，2013，42(5)：712–717.

WANG Yansen，ZHANG Chengyin，ZHANG Chunhu，et al. Drilling mud replacing technology for freezing hole with slow setting cement slurry in freezing sinking in rock strata[J]. Journal of China University of Mining and Technology，2013，42(5)：712–717.

[13] 张成银. 冻结法凿井冻结孔缓凝水泥浆封孔技术研究[D]. 徐州：中国矿业大学，2011.

ZHANG Chengyin. Study on the sealing technology of freezing hole using retarding grout in freezing sinking[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2011.

[14] 张成银，王衍森，张春虎. 冻结孔封孔缓凝水泥浆液流变性能研究及可沉管分析[J]. 煤炭工程，2013，45(7)：32–35.

ZHANG Chengyin，WANG Yansen，ZHANG Chunhu. Study on rheological behavior of slow setting cement slurry during freezing hole sealing and analysis of freezing pipe sinking[J]. Coal Engineering，2013，45(7)：32–35.

[15] 樊志强. 冻结孔固管充填浆液性能劣化及冻结管的下沉受阻机理研究[D]. 徐州：中国矿业大学，2015.

FAN Zhiqiang. Study on the performance deterioration of filling slurry and mechanism of freezing pipe sinking blocked during freezing hole sealing[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2015.

[16] 闵凡路，魏代伟，姜腾，等. 泥浆在地层中的渗透特性试验研究[J]. 岩土力学，2014，35(10)：2801–2806.

MIN Fanlu，WEI Daiwei，JIANG Teng，et al. Experimental study of law of slurry infiltration in strata[J]. Rock and Soil Mechanics，2014，35(10)：2801–2806.

[17] 杨扶银. 粗粒土泥浆渗透特性及泥皮抗渗性研究[D]. 西安：西安理工大学，2007.

YANG Fuyin. Research on the seepage characteristics of slurry through coarse-grained soil and impervious characteristics of slurry cake[D]. Xi’an：Xi’an University of Technology，2007.

[18] 边凯，杨志斌. 煤层底板承压水导升带影响因素正交模拟试验[J]. 煤田地质与勘探，2016，44(1)：74–78.

BIAN Kai，YANG Zhibin. Orthogonal test of the influential factors of confined water-conducting zone in coal floor[J]. Coal Geology & Exploration，2016，44(1)：74–78.

Performance deterioration law of retarded cement slurry and its mixed slurry in freezing borehole mud replacement

LI Qiang1, WANG Yansen2, WANG Chunlin3, XU Shengji3, FAN Zhiqiang2

(1. Shaanxi Yanchang Petroleum and Mining Co., Ltd., Xi’an 710075, China; 2. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 3. Shaanxi Yanchang Petroleum Balasu Coal Industry Co., Ltd., Yulin 719000, China)

The mud replacement of freezing hole has become a necessary part of freezing shaft sinking in rock strata, but in the lowering process, the freezing pipe is prone to excessive slurry viscosity resistance, and even be locked, leading to borehole failure. In order to deeply understand the performance deterioration law of cement slurry and its mixture in deep hole environment, the laboratory tests of retarded cement slurry and mixed slurry are carried out respectively, taking the apparent viscosity as the measurement index and considering the factors such as curing time, temperature, water loss state and volume ratio of mixed slurry. The results show that the viscosity of the cement slurry and mixed slurry increases with the extension of curing time, but the viscosity value and growth rate of the mixed slurry are much higher than those of the cement slurry within 20 h of curing time. The viscosity of the both has a nonlinear relationship with temperature. And the viscosity growth of slurry is accelerated by water loss state, especially the viscosity of the mixed slurry. The viscosity and volume ratio of the mixed slurry show a non-linear relationship. Compared with the retarded cement slurry, the viscosity of the mixed slurry increases sharply which is more affected by curing time, temperature and water loss state. The analysis shows that the sudden increase of viscosity and the sharp decrease or even loss of the fluidity of the mixed slurry are the key reasons for the excessive sinking resistance and even the locked freezing pipe. Therefore, controlling the height of the slurry mixing section and inhibiting the viscosity growth of the mixed slurry are the key to ensure the safe and smooth sinking of the freezing pipe.

freezing borehole; mud replacement; retarded cement slurry; mixed slurry; apparent viscosity; performance deterioration

移动阅读

语音讲解

TD265.4

A

1001-1986(2021)05-0182-08

2021-01-05；

2021-05-25

国家自然科学基金面上项目(52074264)

李强，1990年生，男，陕西神木人，硕士，工程师，从事矿山建设工程技术与管理工作. E-mail：747136511@qq.com

王衍森，1973年生，男，山东邹城人，博士，研究员，从事岩土特殊施工技术研究. E-mail：yswang@cumt.edu.cn

李强，王衍森，王春林，等. 冻结孔泥浆置换中缓凝水泥浆及混合浆的性能劣化规律[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(5)：182–189. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.020

LI Qiang，WANG Yansen，WANG Chunlin，et al. Performance deterioration law of retarded cement slurry and its mixed slurry in freezing borehole mud replacement[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：182–189. doi: 10.3969/j. issn.1001-1986.2021.05.020

(责任编辑 周建军)