膨润土—水泥浆材的试验研究及应用
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摘 要：为实现注浆堵水和加固同步进行的难题，以膨润土和硅酸盐水泥为主要原料，对“膨润土—水泥—早强减水剂—水玻璃”浆液的固化反应加固机理进行了可行性分析，并针对浆液的渗透性、粘度、凝胶时间以及结石体的塑性强度、抗压强度、耐久性等因素进行了室内试验（正交试验、耐久性试验）研究，详细分析了浆液及结石体的物理化学特征，给出了浆材的最佳配比及相应的性能指标。通过地面注浆试验，验证了浆材对堵水加固的可行性，并取得了良好的治理效果。该类浆液与水泥类及一些常见的化学类浆材相比，具有价廉、储存方便、且无毒无污染的优点。
关键词：正交试验；耐久性试验；堵水加固；注浆材料
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.101
注浆作为一种既可以封堵涌（突）水又能加固地层的技术方法，在公路隧道，城市地铁，矿山水害防治等领域得到了广泛的应用[1-3]。目前，用于堵水加固的注浆材料主要有水泥浆和化学浆两大类[4-9]，其中，化学浆由于材料成本高，后期抗压强度低，且具有一定的毒性，对地下水产生一定的污染，未得到普遍采用；而水泥浆液虽然成本低、来源丰富且结石体强度高，但是其凝胶时间长且不易控制、结石率低、抗冲刷能力弱等缺陷，在防渗堵水工程（尤其是对动水条件下注浆堵水工程）应用中受到了限制。为此，本文借鉴已有注浆材料的特点，以膨润土和硅酸盐水泥为基料，同时掺入早强减水剂和水玻璃为添加剂，研制出适宜注浆堵水和加固的浆材，并对其性能进行了分析与讨论。
1 浆材性能的试验研究与分析
1.1 浆材配比试验及分析
黏度、凝胶时间、塑性强度、抗压强度是反映注浆堵水加固效果的4个重要指标。利用钠基膨潤土（SB）、42.5普通硅酸盐水泥（PC）、早强减水剂（HWA）和水玻璃（SS）作基料加入固化浆液中，在借助以往研究成果的基础上，采用正交试验法设计浆材配比试验，试验方案及结果见表1。
从极差分析结果可以看出：根据浆液凝胶时间的长短，其影响因素水平依次为水泥>原浆粘度>水玻璃>早强减水剂，凝胶时间最短的浆材组合为A3B3C3D3；从配制浆液的黏度来看，浆液黏度最小的浆材组合为A1B1C1D1，此时浆液的流动性更好；从浆液固结后3天塑性强度和7天抗压强度分析，最好的浆材组合均为A1B3C3D2，即SB：PC：HWA：SS = 20：15：0.7：3时结石体的抵抗外界剪切稀释能力的最强。综合分析认为，配方A3B3C3D3浆液虽然凝胶时间短，但浆液黏度大，不利于浆液流动和渗透；配方A1B1C1D1浆液虽然黏度小，但凝胶时间长，且塑性强度和抗压强度弱，极易被水流冲刷带走；配方A1B3C3D2浆液不仅具有凝胶时间短、初始粘度小，而且结石体塑性强度和抗压强度均较高，适用于各种情况下的注浆堵水加固工程。因此，膨润土—水泥浆液的最佳配比为SB：PC：HWA：SS = 20：15：0.7：3。
2 工程应用
安庆市某煤矿在东部运输大巷石门掘进时（标高-242m）发生底板发生涌水，初始水量为30m3/h，后因继续放炮掘进造成井下巷道围岩垮落、地层松动，巷道涌水量突增至200m3/h，随即巷道被淹没。根据该矿地质、水文地质资料及井下钻孔注浆资料分析认为，本次突水主要是由于孤峰组灰岩水通过断层破碎带引发突水。为了尽快恢复生产，决定采用地面打钻注浆堵水加固工程。
该工程共施工地面钻孔4个，其中注浆钻孔3个，注浆观测孔1个，终孔层位均为孤峰组灰岩底部。注浆材料选用实验室研制的“抗冲刷、快速凝、高强度”型膨润土—水泥浆液，浆材配比为SB：PC：HWA：SS = 20：15：0.7：3，浆液密度为1.27g/cm3，初始黏度为46s，凝胶时间为423s，结石率为96.8%，结石体1天、3天塑性强度分别为284KPa、451KPa，7天、14天和28天抗压强度分别为810KPa、2114KPa、6814KPa。
本次地面注浆堵水加固试验共注入膨润土—水泥浆液2458.7m3，其中消耗膨润土559.3t，水泥310.7t，早强减水剂14.5t，水玻璃62.1m3。注浆结束后巷道涌水量由200m3/h下降至12.8m3/h，水量下降了93.6%，堵水效果明显。注浆结束30d后对巷道底板注浆区域进行钻孔取芯（取芯率为81.52%，达到甲级标准），从岩芯裂隙被充填的情况来看，浆液充填饱满、密实，胶结良好，结石体抗压强度为4150～20270KPa，加固效果显著。
3 结论
（1）为同时实现注浆堵水和加固效果，立足于无机材料研制的膨润土—水泥浆液，其最佳配比为ASB：PC：HWA：SS = 20：15：0.7：3，浆液密度为1.27g/cm3，初始黏度为46s，凝胶时间为423s，结石率为96.8%，结石体1天、3天塑性强度分别为284KPa、451KPa，7天、14天和28天抗压强度分别为810KPa、2114KPa、6814KPa。（2）固化浆材的实用性经室内和现场试验验证是可行，并在地面打钻注浆封堵孤峰组灰岩突水工程中得到初步应用，堵水加固效果十分显著。
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作者简介：张磊（1984-），男，安徽天长人，硕士，工程师，研究方向：工程地质。
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