水泥水玻璃浆液在矿井井筒防水堵漏中的应用

2022-08-10张宁

江西煤炭科技 2022年3期

张宁

（山西焦煤能源集团有限公司，山西太原 030006）

矿井井筒的防水堵漏工作是煤矿开采过程中经常遇到的问题，通常治理井筒漏水采用注浆的方式[1]。通过浆液凝固后形成的固结体封堵井壁中的渗流通道，是有效解决矿井井筒防水渗漏的重要手段。目前，矿井井筒壁后注浆材料主要有两种类型，一种是物理注浆材料，通常采用水泥或者水泥－水玻璃材料作为井筒壁后注浆堵水的浆液[2]。另一种是化学注浆材料，通常采用有机材料丙烯酰胺浆液。但是化学有机浆液往往附带着毒性，随着环保意识的提高以及对地下水资源的重视与保护，各种有毒的化学浆液被禁止使用[3]。由于水泥水玻璃浆液无毒无害，浆液的胶凝时间从十几秒到十几分钟之间，因此，水泥水玻璃浆液被广泛应用于地铁隧道、煤矿井巷等防水堵漏工程中。水泥水玻璃浆液结石体的强度较高，而且结石体的沁水率小，封堵效果好，可以作为煤矿井筒壁后注浆治理井筒涌水问题的注浆材料。

1 工程地质概况

山西焦煤官地矿井田位于吕梁山脉东侧，属于中低山区。井田内地形复杂，断层切割剧烈，山顶多为黄土覆盖，沟谷两侧基层裸露。其中地表主要为填土、黄土以及强风化泥岩。官地矿副井井筒全深为680 m，直径为7.0 m，其中地表土层采用双层混凝土井壁，井筒内壁厚度约为500 mm，井筒外壁厚度为400 mm。地下水位在-3 m，地表井筒施工过程中采用冻结法进行施工。针对井筒所处地层特点，井筒施工过程中采用地面预注浆以及冻结施工治水措施。在施工完成后井筒地表段开始出现渗水情况，渗水段距离地表45 m，整个副井井筒的涌水量为1 m3/h，井筒的涌水量相对较小。为了解决井筒的涌水问题，先采用水泥砂浆进行充填，井筒涌水量控制在0.5 m3/h。但随着雨季的到来，井筒的涌水量开始逐渐增加，最大涌水量达到了1.5 m3/h，而且井筒渗水问题有进一步加大的趋势。长期的地表潜水渗漏不仅会导致井筒筒壁发生变形，而且会影响周围地下水位。水位线下降将导致地表出现二次沉降问题，影响矿井及周围环境安全。为了彻底治理井筒涌水问题，采用水泥水玻璃浆液对井筒壁后进行注浆封堵。具体施工流程是：①调查井筒位置处水文地质情况，包括年降水量等。②分析井筒涌水特点，选取合适的浆液类型。③制定合理可行的注浆方案，选择安全无污染的注浆材料。④根据室内试验确定浆液的配比及浆液胶凝时间。⑤注浆效果检验。

2 注浆加固设计方案

2.1 注浆加固原理

山西焦煤官地矿井田位于吕梁山脉东侧，属于中低山区。井田内地形复杂，断层切割剧烈，山顶多为黄土覆盖，沟谷两侧基层裸露。分析官地矿井所处的水文地质及工程地质资料可知，井筒在建设过程中穿越富水砂土地层，施工过程中由于采用了冻结施工的方法，施工过程中对浅层地表进行了冻结，井筒尚未出现渗漏情况。井筒周围岩土体裂隙发育，岩土体的整体性较差，地表冻结停止后井筒壁后出现了较大的渗水情况。经上述分析可知，井筒涌水水源主要来自基岩风化带和二叠系砂岩水，静水压力大，这些层段也是注浆工程加固防水堵漏的主要目标层段。由于水泥浆液的胶凝时间较长，在富水地层难以快速凝结，同时由于地下水渗流的原因还可能出现“跑浆”的现象，无法从根本上解决井筒渗水问题。因此，采用胶凝时间可以调节的水泥水玻璃浆液治理井筒渗水情况。水泥水玻璃的浆液胶凝时间从十几秒到十几分钟不等，而且固结后结石体具有强度高，亲水率小等特点，故可以作为井筒涌水堵漏材料。

2.2 井筒筒壁注浆施工工艺

采用回旋式YG-2工程钻机对井筒渗漏位置处进行梅花式钻孔，钻孔直径为40 mm，钻孔深度为2 m。利用BACHY型旋转式制浆设备对注浆浆液进行充分搅拌，采用QB50/18化学注浆专用型气动双液注浆泵，实现双液无极变比可调注浆。在注浆孔口安装空口管－安装高压球阀－抽钎关闭球阀、连接混合器与注浆管路－控制注浆压力（0.2～0.3 MPa）－浆液pH检测－注浆孔封堵－换孔。

3 水泥水玻璃浆液性能研究

3.1 水泥水玻璃浆液胶凝时间

浆液的胶凝时间与固结体的强度是影响浆液的使用性能和注浆效果的重要参数。浆液的胶凝时间长短影响着浆液的扩散半径[4]。在矿井井筒壁后堵水中要求快速对井筒渗流竖井进行封堵，选用的浆液必须具备胶凝时间短而且不易被流动的地下水稀释的特性。由于水泥水玻璃浆液的胶凝时间在十几秒到十几分钟不等，根据水泥与水玻璃以及添加剂氯化钙的配比可调，因此通过倒杯法测量浆液的胶凝时间。倒杯法的操作流程为：①取200 mL主剂和适量固化剂（根据浆液配比添加）在甲杯中进行混合，同时计时开始。②用手持甲、乙两个杯子，将混合好的浆液循环往复在两个杯子倒来倒去，直至浆液凝结不再流动，这一过程中所记录的时间为终凝时间。

从表1中可以看出在酸性条件下，随着碳酸钙含量的增加，浆液的pH值酸碱度逐渐升高，浆液的胶凝时间从600 min逐渐缩短至4 min左右。根据上述试验结果可以得到浆液pH值在4.3～4.5左右、浆液的胶凝时间在4 min左右时，适合于矿井井筒壁后注浆堵水施工。

表1 20°Be'水玻璃胶凝时间

3.2 浆液固结体强度

浆液的胶凝时间会随着浆液pH值的改变而发生变化，碳酸钙的掺入不仅可以改变浆液的胶凝时间，同时也会改变浆液固结体的强度。在水玻璃和硫酸的体积比为0.946的浆液中加入不同含量的碳酸钙来测定固结体的强度。采用WDW-100电子万能试验机对水泥水玻璃浆液固结体的强度进行测试，固结体强度及配比如表2所示。从表中可以看出碳酸钙的含量由2.27 g增加到4.3 g过程中浆液结石体的强度逐渐增加，但是随着碳酸钙质量的逐渐增加，浆液结石体的强度增长幅度逐渐减小。分析其中的原因是硫酸与碳酸钙反应生成的硫酸钙微溶于水，阻碍了反应的进行。加入3.9 g碳酸钙得到最佳的结石体抗压强度，合理的比例应该是0.946:1:0.063。

表2 浆液结石体抗压强度实验配比及结果

3.3 注浆浆液配比

注浆施工前，可根据施工地点的水文地质与工程地质条件、工程要求、材料性能等进行配方试验，确定具体的配方和配比。但由于室内实验条件与现场存在差异，因此室内实验的结果要根据野外施工实际进行调整，以适应现场的工程地质和水文地质条件。在注浆过程中及时根据施工情况调节浆液配比，从而对浆液凝固时间、强度等进行有效控制。故初步设计井筒封堵材料采用水泥等混合材料以及水玻璃－硫酸浆液加碳酸钙，水玻璃－硫酸－碳酸钙比例为0.946∶1∶0.062。

4 注浆效果评价

当前，注浆施工封堵效果检测的方式有物探法（TPS）、检查孔法和数字钻孔摄像法。本次水泥水玻璃浆液治理副井井筒涌水问题，注浆封堵过程中不能影响副井的正常使用功能。而且评价注浆效果最直接的方式就是观测浆液的堵水效果。通过观测涌水量，从注浆封堵前的1.5 m3/h已经降低至注浆封堵后的0.05 m3/h，副井井筒的涌水问题得到了有效控制。目前，井筒仅出现少量渗水，不影响井筒的正常使用。根据本次水泥水玻璃浆液治理矿井井筒涌水问题的实践可以发现，水泥水玻璃浆液的胶凝时间可调节，浆液凝固快，不容易被地下水稀释，止水效果好。