程 樺,曹如康,劉向陽

(1.安徽理工大學土木建筑學院, 安徽 淮南 232001; 2.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

近年來，地下工程建設事業(yè)快速發(fā)展，注漿技術(shù)在地層災害預防與治理工程中得到廣泛應用[1]。隨著深井礦山采掘不斷加深，高地壓、富含水、孔隙性巖層注漿可注性差等問題不斷凸顯，亟需對黏度適中、膠凝速度快溶液型化學注漿材料進行研究，以滿足不同水文與工程條件下深部富水地下工程對注漿效果的要求[2-3]。

水玻璃-聚氨酯(S-P)作為一種新型化學注漿材料[4]，具有可泵性、抗?jié)B性及力學性能好等特點，諸多學者對該類材料的制備與性能開展了大量研究。文獻[5]對聚氨酯注漿材料進行改性，進一步改善了S-P注漿材料的耐水性、力學性能等；文獻[6]制備了水玻璃-納米二氧化硅復合聚氨酯注漿材料，并考察了多種因素對S-P材料凝膠時間、壓縮強度等性能的影響；文獻[7]以多苯基多亞甲基多異氰酸酯(PIPA)與MDI外加少量降粘劑混勻后與水玻璃混合注漿，發(fā)現(xiàn)漿料的黏度低、滲透性好、泵送性優(yōu)良；文獻[8]利用3-氯丙基三甲氧基硅烷(CTS)改性水玻璃-聚氨酯復合材料， 提高復合材料的抗壓強度、 抗彎強度、 彎曲模量和斷裂韌性。 還有學者研究了催化劑對S-P凝膠速度及力學性能的影響[9-11]；文獻[12]通過混合法制得了S-P凝膠， 發(fā)現(xiàn)其具有黏度低、 可灌性好、 阻燃性強、 抗壓強度高等特點， 適合煤礦等井下礦山使用。 雖然前人對該類新型注漿材料的制備及性能開展了一定研究，但針對其漿液綜合性能以及應用于工程實際中的效果有待進一步的研究與分析。

本研究通過制備出S-P漿液固結(jié)體與常用的不同比例的水泥-水玻璃(C-S)漿液固結(jié)體，基于室內(nèi)試驗結(jié)果，對比分析上述兩種注漿材料的黏度時變性和不同齡期的固結(jié)體強度及其固結(jié)體孔隙結(jié)構(gòu)特征。在此基礎上，使用S-P漿液應用于注漿工程實例并檢測其注漿效果，以期為S-P新型注漿材料的工程應用提供參考依據(jù)。

1 試驗材料及方法

(1)試驗原材料

水泥為淮南八公山P·O·42.5普通硅酸鹽水泥，水泥品質(zhì)符合《通用硅酸鹽水泥》(GB175— 2007)標準；水玻璃(Na2O·2.8SiO2)選用工程上常用的水玻璃即硅酸鈉的水溶液，模數(shù)為2.8，波美度為54°Bé；聚氨酯為多苯酚多亞甲基多異氰酸酯(PAPI)、鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)、N.N-二甲基環(huán)已胺(催化劑)及乙酸的混合物。

(2)試樣制備

新型注漿材料要求漿液黏度適中、膠凝速度快。根據(jù)預實驗，當水玻璃比例較大時，漿液粘度過高不利于漿液在地層中擴散，當聚氨酯比例較大時，漿液凝結(jié)時間過快不利于注漿工程中的實際操作。C-S漿液作為最為常用的傳統(tǒng)注漿材料之一，研究其不同比例下的性能并與新型注漿材料對比，能更為直觀清晰地分析出S-P注漿材料與傳統(tǒng)注漿材料的性能差異。綜合上述分析，S-P漿液配比[13]采用1∶1， C-S漿液配比分別采用1∶1、1∶2、1∶3(其中水泥漿液的水灰比為1∶1，上述配比均為質(zhì)量比)。

(3)漿液黏度試驗

采用AR-G2流變儀和WKH-1.3高溫旋轉(zhuǎn)黏度計進行漿液黏度測試，數(shù)據(jù)采集密度設定為10s/次。為避免單次試驗差異造成的測試結(jié)果誤差，每種配比漿液分別做3組測試，并取試驗結(jié)果中間組進行分析。

(4)漿液固結(jié)強度試驗

漿液固結(jié)體養(yǎng)護齡期設定為1d、3d、7d、14d、28d，每個齡期均采用試樣制備中所述4種配比漿液分別制作尺寸為φ50mm×100mm的圓柱形標準試塊，為避免單次試驗差異每種配比制作3個試樣。采用安徽理工大學CSS-YAW3000型電液伺服壓力機對養(yǎng)護好的試樣進行單軸壓縮試驗，加載速度取2mm/min。

(5)電鏡掃描與核磁共振

采用電子顯微鏡(FlexSEM1000)對養(yǎng)護28d的各種漿液固結(jié)體進行觀察，分別放大至500μm、100μm、10μm。采用安徽建筑大學(MesoMR23-060V-Ⅰ)低場核磁共振測試系統(tǒng)對單軸試驗壓壞后的漿液固結(jié)體進行孔隙分布測試。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 漿液黏度時變特性

S-P及不同比例的C-S漿液黏度-時間曲線如圖1所示，可以看出S-P、C-S漿液黏度與時間呈非線性關系[14-16]。對于C-S漿液，水玻璃質(zhì)量占比越大后期黏度上升越高；S-P漿液和C-S漿液的黏度初期上升幅度均緩慢，雖然后期2種漿液黏度的增長速率都有所加快，但S-P漿液黏度的增長速率明顯要快于C-S漿液。

圖1 雙液漿黏度時間曲線

不同漿液在地層擴散時表現(xiàn)出截然不同的性質(zhì)，依據(jù)工程中不同的注漿材料的流型，一般將其分為牛頓流體、賓漢流體和冪律流體[17-18]，本研究測試的S-P漿液與C-S漿液均可劃分為廣義賓漢流體，主要是考慮漿液擴散所需的初始剪應力，當流體剪切力小于初始剪切應力時，流體不會發(fā)生剪切流動，表現(xiàn)出類似固體的性質(zhì)，其本構(gòu)方程為

(1)

式中：τ為漿液的剪切應力，MPa；τ0為屈服剪切應力, MPa；u為漿液塑性黏度,MPa·s；γ為剪切速率，s-1；v為漿液運移速率，m·s-1，y為垂直于運移方向的距離，m。

為建立考慮漿液黏度時變性的注漿模型[19]，采用最小二乘法對本研究測試漿液的黏度時變曲線進行函數(shù)擬合，當 C∶S=1∶1時，黏度時變方程為u(t)=0.032+0.0089t2；當C∶S=1∶2時，黏度時變方程為u(t)=0.074+0.019t2；當C∶S=1∶3時，黏度時變方程為u(t)=0.15+0.025t2；當S∶P=1∶1時，黏度時變方程為u(t)=4.2+0.035t2。由上述擬合方程可知，S-P、C-S兩種漿液在膠凝前均存在黏度時變性，且黏度增長幅度較大，不能忽略漿液流變性對剪切力的影響。黏度時變函數(shù)形式為u(t)=u0+kt2，u0為漿液初始黏度，k為表征漿液的黏度時變參數(shù)。

2.2 漿液固結(jié)體單軸抗壓強度

漿液固結(jié)體抗壓強度對被注地層加固效果具有重要作用。尤其在搶險類工程中，漿液固結(jié)體的早期強度決定著被注地層注漿后能否快速滿足改良地層的要求。漿液固結(jié)體強度越高，被注地層加固效果越好。圖2為S-P與C-S漿液不同養(yǎng)護時間的強度對比。

圖2 不同養(yǎng)護時間不同漿液固結(jié)體強度

從圖2可以看出，同一養(yǎng)護期內(nèi)，水泥與水玻璃的配比對固結(jié)體強度影響十分顯著，水玻璃質(zhì)量比越高，固結(jié)體強度越低。隨著養(yǎng)護時間的增加，配比為1∶3的C-S漿液固結(jié)體強度從0.59MPa逐漸增至0.91MPa，配比為1∶2的強度從0.97MPa逐漸增至1.9MPa，配比為1∶1的強度從1.1MPa逐漸增至5.5MPa，但增長速度均緩慢。而S-P漿液固結(jié)體除養(yǎng)護1d時強度略低(約33MPa)，其余養(yǎng)護期固結(jié)體強度差別不大(約38MPa)，遠高于同一養(yǎng)護期內(nèi)的C-S漿液固結(jié)體強度，說明S-P漿液固結(jié)體強度能較快到達穩(wěn)定值，滿足快速加固地層的要求。

2.3 微觀特征

圖3為漿液固結(jié)體掃描電鏡實驗結(jié)果， 從圖3(a)中可以看出，S-P漿液固結(jié)體的表觀結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)為一系列的不規(guī)則圓形閉孔胞體，胞體群之間不連通且粘結(jié)緊密，無細微裂隙，側(cè)面印證了固結(jié)體的高強度性能；從圖3(b)～圖3(d)中可以看出，C-S漿液固結(jié)體的表觀結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)為絮狀膠結(jié)物；當C∶S=1∶1時可以看到有針狀的水化產(chǎn)物，漿液的水化反應進行得比較充分；當水玻璃比例達到某一閾值時，水泥與水玻璃因不能完全發(fā)生水化反應，純水玻璃固結(jié)塊較多，因其干縮性導致C-S漿液固結(jié)體產(chǎn)生了大量微裂隙。

(a) S∶P=1∶1

為更好地對比分析各固結(jié)體相同養(yǎng)護期的孔隙特征，采用低場核磁共振測試系統(tǒng)對不同養(yǎng)護時間不同漿液固結(jié)體孔隙大小及分布比例進行了測試分析，其測試結(jié)果如圖4所示。

(a) 不同漿液固結(jié)體養(yǎng)護1d孔徑分布 (b) 不同漿液固結(jié)體養(yǎng)護3d孔徑分布

從圖4可以看出，S-P漿液固結(jié)體孔徑分布表現(xiàn)為雙譜峰型，第一譜峰位于孔徑0.02～0.1μm，第二譜峰位于孔徑0.1～10μm；C-S漿液固結(jié)體養(yǎng)護期為1～14d時孔徑分布表現(xiàn)為單譜峰型，孔徑主要集中在0.002～0.1μm， 基本呈類正態(tài)分布；而養(yǎng)護期為28d時， C∶S為1∶2、1∶3的漿液出現(xiàn)第二譜峰，C∶S=1∶2漿液的第二譜峰位于孔徑0.2～1μm，C∶S=1∶3漿液的第二譜峰位于孔徑0.2～10μm；分析原因可知，水玻璃過量未能充分反應，因其自身干縮性導致試件產(chǎn)生了較大收縮，從而產(chǎn)生新的微裂隙，出現(xiàn)第二譜峰，這與掃描電鏡中觀測到的結(jié)果相吻合；C-S漿液固結(jié)體孔徑分布的峰值隨養(yǎng)護時間總體呈下降趨勢，這是由于漿液雖然固結(jié)，但其內(nèi)部反應仍在繼續(xù)，反應物不斷充填內(nèi)部孔隙。

3 工程實例

依托顧橋礦東區(qū)-1 000m車場大巷道底板破碎及底鼓流變?yōu)暮Φ淖{治理工程，針對初期支護后存在的問題，對東進風井以東100～120m的車場巷道實施二次注漿加固措施。為消除底鼓流變持續(xù)增長和底板裂隙水以微滲情況浸潤砂質(zhì)泥巖的現(xiàn)象，以及為錨固支護提供可靠的著力基礎，注漿優(yōu)先選取S-P漿液。

3.1 注漿方案

注漿孔采用地錨鉆機打孔，注漿孔徑約40～50mm，選取鋼制注漿管封孔。巷道試驗區(qū)長20m，根據(jù)模擬結(jié)果設計注漿排距為3m，共需注5個孔，注漿加固區(qū)及注漿順序如圖5所示。經(jīng)現(xiàn)場壓水試驗并結(jié)合圍巖變形模擬結(jié)果，確定注漿終壓為3～5MPa，注漿初期前5～10min采用注漿速率為30L/min；之后40min采用注漿速率為15L/min，以此推算出單孔注漿量約為1m3，總注漿量為5m3；當注漿量達到設計注漿量或降低注漿速率后注漿壓力再次達到注漿終壓時，維持約5min后停止注漿。

圖5 注漿加固區(qū)及注漿順序

3.2 注漿結(jié)果與分析

1～5號注漿孔的注漿量分別為1.04m3、 0.94m3、0.87m3、0.52m3、1.48m3，注漿過程中， 注漿壓力上升至峰值后， 呈上下波動，說明注漿區(qū)域內(nèi)存在大量的裂隙或孔洞，漿液不斷地充填灌入裂隙或孔洞。 針對千米深井的深部注漿問題， 利用震電磁三場耦合高精度檢測技術(shù)對注漿孔進行立體探測。

圖6分別為探測區(qū)域平面圖及化學漿注漿前后瞬變電磁法和震電磁三場探測結(jié)果。對比勘探結(jié)果發(fā)現(xiàn)，注漿前在巷道徑向5m、深5m的位置存在一個異常體，瞬變電磁法表現(xiàn)為高阻，震電磁三場探測表現(xiàn)為低阻?？梢酝茰y這個位置，大裂隙發(fā)育或存在較大的孔隙，下部充滿礦化度較高的水，上部存在含空氣的裂隙。對比瞬變電磁法注漿前后的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在巷道徑向5～15m范圍內(nèi)，底板下5m位置電阻率增大，可以說明在此位置注入的新型漿液充填效果好，引起電阻率的增大；同時，震電磁三場探測結(jié)果亦表明在巷道徑向5m、15m位置向下方的大量裂隙及空洞被漿液填充。說明深部巖層流變性漿液劈裂注漿控制技術(shù)對巖體微隙空間可有效充填。

(a) 探測區(qū)域平面

4 結(jié)論與展望

(1)通過對S-P及C-S漿液的黏度時變性試驗的分析，兩種漿液黏度與時間均呈非線性關系。S-P漿液黏度前期低且增長幅度較緩，具有良好的可泵性，注漿后期又能快速膠凝。S-P漿液固結(jié)體強度遠高于C-S漿液固結(jié)體，前者能更好地滿足地層原位改性要求。

(2)通過對S-P及C-S漿液固結(jié)體強度及微觀特性進行的對比分析，可以看出不同養(yǎng)護期的S-P漿液固結(jié)體孔徑分布基本一致，這說明漿液凝膠反應較早，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且可以調(diào)節(jié)催化劑的配比來決定S-P漿液的固結(jié)時間，本研究可為類似應急搶險工程提供優(yōu)選注漿材料和材料基礎參數(shù)。但本研究未詳細考慮此因素，其配比參數(shù)需在今后的研究中進一步分析或根據(jù)工程實際要求及預實驗來確定。

(3)以顧橋礦東區(qū)-1 000m 車場巷道軟巖底鼓注漿治理為工程背景，選用水玻璃-聚氨酯注漿材料, 采用瞬變電磁法及震電磁三場法檢驗注漿效果,結(jié)果可以看出注漿擴散半徑達到設計要求，漿液對巖體微隙空間可有效充填，說明水玻璃-聚氨酯注漿材料的滲透性、封水性及強度均優(yōu)于常規(guī)水泥漿液。但本研究中的工程實際注漿后并未進行開挖并觀察及研究巖體的性能，今后可進行地面破碎巖體的預注漿試驗，對破碎巖體的注漿固結(jié)體進行強度及滲透性等性能研究。