姚直書，方 玉，喬帥星，程 樺,3，李欣慰，王宗金，王 晨

(1.安徽理工大學(xué) 礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 安徽 合肥 230022；4.中煤特殊鑿井集團(tuán)有限責(zé)任公司總工程師辦公室，安徽 合肥 230001)

0 引 言

西部地區(qū)煤炭?jī)?chǔ)量豐富，是我國重要的能源基地。根據(jù)地質(zhì)勘探資料可知，在陜西、甘肅和內(nèi)蒙古西部等地區(qū)目前和下一步新建礦井井筒時(shí)將要穿越深厚的孔隙型含水巖層，它們多為白堊系、侏羅系巖層，其成巖晚、弱膠結(jié)、結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度低，遇水軟化、泥化，由于這類地層富含水、水頭高、主要為孔隙型含水巖層，注漿封水效果差，采用普通法施工難以通過，需采用特殊法鑿井[1-3]。鉆井法鑿井是利用大型豎井鉆機(jī)破碎巖土，采用泥漿護(hù)壁和排渣，井筒鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)直徑和深度后在泥漿中懸浮下沉已預(yù)制好的井壁筒，然后進(jìn)行壁后充填固井的一種機(jī)械化、自動(dòng)化鑿井方法[4-6]。與凍結(jié)法鑿井方法相比，它施工安全性好、機(jī)械化程度高、井壁質(zhì)量可靠，成井后無凍結(jié)孔環(huán)形空間導(dǎo)水淹井風(fēng)險(xiǎn)[7-9]，是一種本質(zhì)安全型特殊鑿井方法[10-11]。

由于鉆井法鑿井具有諸多優(yōu)點(diǎn)，并可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、智能化施工，是今后深立井鑿井的發(fā)展方向[12-13]。為此，先后有礦井建設(shè)單位、施工單位、設(shè)計(jì)單位和科研單位采用多種方式進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，研究將鉆井法鑿井技術(shù)應(yīng)用到西北地區(qū)深厚含水軟弱地層，并取得了相關(guān)技術(shù)成果。如可可蓋煤礦中央進(jìn)、回風(fēng)立井，分別由平煤神馬建工集團(tuán)有限公司和中煤礦山建設(shè)集團(tuán)采用鉆井法施工，這是我國首次將鉆井法鑿井技術(shù)應(yīng)用于西北地區(qū)煤礦井筒建設(shè)工程，目前，2個(gè)井筒正在進(jìn)行鉆進(jìn)施工[14]。

在我國，鉆井法鑿井過去主要用于中、東部地區(qū)深厚松散層中建井，其壁后充填固井是將井壁與孔幫之間的環(huán)向空間充入膠凝材料或非膠凝材料形成充填層，起到固井和封水作用[15-16]。為此，我國中、東部地區(qū)鉆井法壁后充填常選擇以下2類材料進(jìn)行交替使用：一種是膠結(jié)性材料，采用普通硅酸鹽水泥配制出相對(duì)比重為1.5～1.7的水泥漿；另一種是非膠結(jié)性材料，即采用粒徑20～40 mm的碎石。如王懷志等[17]在龍固煤礦雙主井鉆井井筒工程中，選用水泥漿和碎石進(jìn)行交替充填，并設(shè)計(jì)最下面一個(gè)充填段高為69 m，采用水泥漿充填；張家勛等[18]針對(duì)陳四樓煤礦中央風(fēng)井的工程條件，提出在井深351～416 m段采用井內(nèi)注水泥漿進(jìn)行壁后充填，取得良好效果；王建中等[19]通過對(duì)鉀鹽礦鉆井法施工工程環(huán)境研究，獲得水泥漿壁后充填材料配合比[19]；而采用碎石充填雖然不能封水，但它能起到充填、充塞作用，并可減小鉆井井壁承受的豎向附加力[20]。但通過大量工程實(shí)踐表明，鉆井井壁筒在泥漿中懸浮下沉到底后，井壁與孔幫之間的環(huán)形空間充滿了泥漿，其比重為1.2 左右(在深鉆井孔底，泥漿比重會(huì)更大)，在此情況下，水泥漿充填材料的比重與泥漿相差不大，這使得頂替(替換)效果不理想，常出現(xiàn)泥漿置換不完全，充填體封水效果不好等現(xiàn)象。如兩淮礦區(qū)祁東煤礦東風(fēng)井由于采用普通水泥漿充填頂替效果不好，在下部破鍋底施工時(shí)，出現(xiàn)了突水淹井事故[21]；又如朱集西煤礦矸石井鉆井井筒壁后采用水泥漿和碎石進(jìn)行交替充填，但在井筒運(yùn)行時(shí)井壁節(jié)間多處發(fā)生出水現(xiàn)象，隨后通過破壁注漿進(jìn)行治理[22]。為此，針對(duì)兩淮礦區(qū)鉆井法鑿井的工程地層條件，研發(fā)了水泥砂漿充填材料，并在信湖煤礦風(fēng)井鉆井井筒壁后充填工程中進(jìn)行了2個(gè)段高的工業(yè)性試驗(yàn)[23]，充填高度41.25 m，取得了良好效果。

綜上所述，雖然鉆井法鑿井壁后充填材料已有較多研究，但主要用于我國中、東部地區(qū)深厚松散層鉆井工程。目前，在我國西部地區(qū)的深厚孔隙型含水巖層中還沒有鉆井法鑿井的成功經(jīng)驗(yàn)，特別是針對(duì)西部地區(qū)的白堊系、侏羅系深厚孔隙型含水巖層，鉆井井筒壁后充填層的作用機(jī)理和選擇合適的充填材料目前尚缺乏研究。因此，為了給鉆井法鑿井在我國西部地區(qū)推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)，開展了孔隙型含水巖層鉆井法鑿井壁后充填層作用及材料配制研究。

1 鉆井法鑿井壁后充填層作用

1.1 工程背景

與中、東部地區(qū)地層條件不同，在西部地區(qū)鉆井法鑿井穿過地層主要為白堊、侏羅系巖層，屬于孔隙型含水巖層。在此條件下，充填層在固井和封水作用外，是否還具有其他作用？筆者將以可可蓋煤礦中央回風(fēng)立井為工程背景，基于流固耦合共同作用對(duì)壁后充填層作用機(jī)理進(jìn)行分析。

可可蓋煤礦地處陜西省榆林市境內(nèi)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為10 Mt/a，中央進(jìn)、回風(fēng)立井是我國在西部地區(qū)首次采用鉆井法正在施工的井筒。其中央回風(fēng)立井設(shè)計(jì)凈直徑為6.0 m、深度為521 m。井壁設(shè)計(jì)厚度為600 mm，充填層有效厚度設(shè)計(jì)為350 mm，采用“一鉆一擴(kuò)”鉆井方式。

由井筒檢查孔勘探資料可知，中央回風(fēng)立井穿過地層自上而下為第四系、白堊系、侏羅系地層，厚度分別為91.62、109.78、320.1 m。其中，白堊系洛河組為富水性中等～強(qiáng)含水巖層，其底界埋深為201.4 m，故針對(duì)該處進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1.2 數(shù)值模型構(gòu)建

Comsol Multiphysics數(shù)值計(jì)算軟件廣泛用于多物理場(chǎng)耦合分析，因此選用Comsol有限元軟件建立數(shù)值分析模型。在白堊系底部201.4 m處，井壁材料設(shè)計(jì)為C50鋼筋混凝土，充填層材料選用水泥砂漿。根據(jù)秦氏公式計(jì)算得到對(duì)應(yīng)水平地壓為2.62 MPa，根據(jù)水頭高度計(jì)算得到圍巖外側(cè)水壓為2.014 MPa，井壁內(nèi)側(cè)應(yīng)力為0，水的黏滯系數(shù)為0.1×10-8MPa·s，具體計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 模型物理參數(shù)

根據(jù)表1給定的幾何尺寸構(gòu)建平面2維模型。模型采用預(yù)制自由四邊形網(wǎng)格，圍巖區(qū)域最大單元0.8 m，充填層和井壁區(qū)域最大單元0.06 m，模型包括4 652個(gè)域單元和395個(gè)邊界單元。物理場(chǎng)選擇為固體力學(xué)與達(dá)西定律，滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合通過滲透率的動(dòng)態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)格劃分圖、滲流場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)云圖，如圖1—圖3所示。

圖1 模型網(wǎng)格劃分Fig.1 Model meshing

圖2 有效應(yīng)力場(chǎng)Fig.2 Effective stress field

圖3 滲流場(chǎng)Fig.3 Seepage field

1.3 計(jì)算結(jié)果分析

將上述計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Origin繪圖軟件，可得到徑向有效應(yīng)力和孔隙水壓力分布曲線，如圖4所示。

由圖4可見，有效應(yīng)力和孔隙水壓力越靠近井筒中心，降低速率越快，呈現(xiàn)出明顯的“壓降漏斗”特點(diǎn)。在充填層區(qū)域曲線陡降，說明充填層衰減了外荷載；在白堊系底部，井壁外緣的有效應(yīng)力為1.17 MPa、孔隙水壓為0.21 MPa，根據(jù)有效應(yīng)力原理計(jì)算得外荷載為1.38 MPa，小于孔隙水壓2.014 MPa，外荷載折減系數(shù)約為0.685，說明考慮充填層與圍巖的共同作用，可明顯減小井壁承受的外荷載。由此可見，在西部孔隙型含水巖層鉆井法鑿井中，充填層不但具有固井和封水作用，還具有減載作用。

圖4 有效應(yīng)力與孔隙水壓力分布Fig.4 Distribution of effective stress and pore water pressure

為了得到井壁外荷載與充填層的抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)和厚度的關(guān)系，又通過數(shù)值模擬分別對(duì)3個(gè)影響因素進(jìn)行敏感性分析?？箟簭?qiáng)度分別取為15、25和35 MPa；滲透系數(shù)分別取為6×10-7、30×10-7和60×10-7m/d；充填層厚度分別取0.2、0.4和0.6 m。

將上述模型數(shù)值計(jì)算所得結(jié)果繪制于圖5—圖7，通過9種模型的數(shù)值計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)井壁承受的外荷載明顯降低，外荷載折減系數(shù)(井壁外荷載與遠(yuǎn)場(chǎng)水壓的比值)在0.62～0.94，均小于1.0倍孔隙水壓。

圖5 井壁外荷載與充填層抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.5 Relationship between external load of shaft lining and compressive strength of backfill layer

圖6 井壁外荷載與充填層滲透系數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between external load of shaft lining and permeability coefficient of backfill layer

圖7 井壁外荷載與充填層厚度的關(guān)系Fig.7 Relationship between external load of shaft lining and and thickness of backfill layer

由圖5可見，隨著充填層抗壓強(qiáng)度的增加，井壁承受的外荷載明顯降低，當(dāng)抗壓強(qiáng)度為15、25和35 MPa時(shí)，井壁承受的外荷載分別為1.47、1.36和1.31 MPa。

由圖6可見，隨著充填層滲透系數(shù)的增加，井壁承受的外荷載也增加，當(dāng)滲透系數(shù)為6×10-7、30×10-7和60×10-7m/d時(shí)，對(duì)應(yīng)的外荷載分別為1.25、1.65和1.91 MPa。

由圖7可見，隨著充填層厚度增加，外荷載降低，當(dāng)厚度為0.2、0.4和0.6 m時(shí)，井壁承受的外荷載分別為1.54、1.34和1.26 MPa。

由流固耦合作用下孔隙型含水巖層、充填層和鉆井井壁共同作用結(jié)果分析表明，鉆井井壁承受的外荷載與充填層厚度和抗壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，而與充填層滲透率呈正相關(guān)，說明提高充填材料的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性、降低其滲透率，都有利于減小井壁承受的外荷載，這對(duì)科學(xué)合理地設(shè)計(jì)西部地區(qū)孔隙型含水巖層鉆井井壁和研發(fā)壁后充填層材料具有重要的工程意義。據(jù)此，下面將對(duì)充填材料進(jìn)行配制研究。

2 充填層材料配制

2.1 充填層材料性能要求

根據(jù)以上研究分析結(jié)果可知，西部地區(qū)孔隙型含水巖層中鉆井井筒壁后充填層材料應(yīng)具有以下特性。

1)較低的滲透性，要求抗?jié)B性好和滲透率低，以滿足充填層的封水要求。確保充填層能隔斷上、下含水層的水力聯(lián)系，特別是底部含水層與馬頭門及硐室的水力聯(lián)系，防止壁后空間成為導(dǎo)水通道，避免發(fā)生像西部?jī)鼋Y(jié)孔環(huán)形空間導(dǎo)水而淹沒井筒的事故。

2)由于水泥類膠結(jié)材料的彈性模量、抗水壓劈裂強(qiáng)度、粘接強(qiáng)度都與抗壓強(qiáng)度正相關(guān)，因此，提高充填材料的抗壓強(qiáng)度后，可增大充填層分擔(dān)井壁外荷載的比例。提高圍巖與充填層接觸面的粘接強(qiáng)度，防止交界面被承壓水劈裂、剝離、形成導(dǎo)水通道。為此，要求充填層抗壓強(qiáng)度不小于25.0 MPa。

3)較大的比重，如前所述，由于鉆井井壁筒懸浮下沉到底后，井壁與孔幫之間的環(huán)形空間充滿了鉆井泥漿，其比重為1.2 左右。如果充填材料的比重與泥漿相差不大，將出現(xiàn)頂替(替換)效果不理想，固結(jié)體封水效果差等現(xiàn)象。因此，研制的充填材料比重應(yīng)不小于1.8，使其與鉆井泥漿的比重差值大于0.6，確保充填頂替效果。

4)微膨脹、不收縮。在中、東部地區(qū)的深厚松散層中充填固井，由于表土層地壓大，充填層被周圍土體緊密包圍、少有空隙。但對(duì)于西部地區(qū)的白堊系、侏羅系地層，由于自身具有穩(wěn)定性，圍巖對(duì)井壁的圍抱力小。如果充填材料在凝結(jié)過程中產(chǎn)生收縮，充填層與圍巖間存在間隙，在承壓水的長(zhǎng)期作用下，將產(chǎn)生類似于凍結(jié)孔環(huán)形空間的導(dǎo)水通道，存在水患風(fēng)險(xiǎn)。所以說，在西部孔隙型含水巖層中采用鉆井法鑿井時(shí)，壁后充填材料應(yīng)具有微膨脹特性，防止充填材料在凝結(jié)硬化過程中產(chǎn)生收縮。

5)流動(dòng)、擴(kuò)散性好，滿足泵送機(jī)械化施工要求。同時(shí)，在充填壓力作用下，部分充填漿液能封堵圍巖的孔隙、裂隙，從源頭上堵塞導(dǎo)水通道。

根據(jù)以上性能要求，通過調(diào)研分析和比選，最終選擇高性能水泥砂漿作為充填材料，下面進(jìn)行配制試驗(yàn)研究。

2.2 原材料

水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.6的河沙。同時(shí)，通過性能優(yōu)選，確定摻加以下外加劑。

Ⅰ級(jí)粉煤灰，其比表面積為3 400 cm2/g，表觀密度2.1 g/cm3，它具有較大的潛在活性，可顯著改善砂漿的和易性，有利于泵送施工。同時(shí)，能充填膠結(jié)體中微小空隙，提高砂漿的抗?jié)B性能和耐久性。

UEA膨脹劑，由于水泥砂漿抗拉強(qiáng)度低、韌性差，在凝結(jié)過程中易收縮，使充填層產(chǎn)生裂縫和空隙，從而導(dǎo)致其抗?jié)B性下降及形成導(dǎo)水通道。因此，在配制材料中摻加膨脹劑，可避免充填層出現(xiàn)收縮。

另外，選用聚羧酸類泵送劑，其減水率達(dá)25%，以增加拌合流動(dòng)性、提高可泵性。

2.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

由于試驗(yàn)材料種類多，整個(gè)配制試驗(yàn)分為2個(gè)階段。首先，通過對(duì)以上原材料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)和配制試驗(yàn)，得到初步配制結(jié)果為水、砂和泵送劑與膠凝材料質(zhì)量比分別為0.31%、1.5%和1%，其中膠凝材料質(zhì)量為水泥、粉煤灰和膨脹劑3者之和，設(shè)其份額為1；然后，進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，選取粉煤灰和膨脹劑占膠凝材料質(zhì)量摻量比例進(jìn)行正交試驗(yàn)，獲得優(yōu)化配合比。此時(shí)，以粉煤灰比例(A)和膨脹劑比例(B)為2因素，各設(shè)置3個(gè)水平，分別為A1，A2，A3，B1，B2，B3，具體見表2。

表2 試驗(yàn)因素-水平

根據(jù)表2，可得配合比優(yōu)化試驗(yàn)的膠凝材料構(gòu)成比例見表3。

表3 配合比優(yōu)化試驗(yàn)?zāi)z凝材料構(gòu)成比例

在表3的9組試驗(yàn)中，設(shè)膠凝材料質(zhì)量份額為1，水、砂和泵送劑與膠凝材料質(zhì)量比分別為0.31%、1.5%和1%。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.4.1 充填材料主要基本參數(shù)

通過對(duì)表3配合比進(jìn)行配制試驗(yàn)，分別測(cè)試拌合物的比重、擴(kuò)展度及其固結(jié)后的膨脹率，試驗(yàn)結(jié)果見表4和圖8。

表4 充填材料主要基本參數(shù)

圖8 充填材料的擴(kuò)展度和膨脹率變化趨勢(shì)Fig.8 Trend of expansion and expansion rate of filling materials

由于充填固井工作是在壁后環(huán)形空間充滿鉆井泥漿情況下，采用充填材料來頂替鉆井泥漿(其比重約為1.2)進(jìn)行置換，因此，充填材料比重越大，頂替泥漿效果就越好。所以說，研制的水泥砂漿頂替、充填效果將優(yōu)于過去中、東地區(qū)采用的水泥漿(其比重約為1.6)。

充填材料的流動(dòng)性對(duì)泵送施工十分重要，實(shí)際施工中，可用擴(kuò)展度表示其可泵性，數(shù)值越大，流動(dòng)性越好，在泵送時(shí)不易堵管。由表4和圖8可見，隨著粉煤灰摻量的添加，砂漿的擴(kuò)展度呈增大趨勢(shì)，而砂漿的比重隨之減小，但當(dāng)粉煤灰摻量從20%增加到25%時(shí)，擴(kuò)展度和比重的變化不大。

摻入膨脹劑后，充填材料在固結(jié)時(shí)不但不產(chǎn)生收縮，而且還發(fā)生微膨脹現(xiàn)象，其膨脹率隨著膨脹劑摻量增加略有增大，這種微膨脹特性對(duì)充填層的防水抗?jié)B十分有利，特別適用于西部白堊系、侏羅系地層鉆井法鑿井的壁后充填。

2.4.2 充填材料單軸抗壓強(qiáng)度

充填砂漿攪拌好后，采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm聯(lián)試模成型，拆模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)到適壓齡期，采用WAW-1000型電液伺服壓力機(jī)，按照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[24]確定抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)加載速率為1 kN/s，測(cè)得其3、7和28 d抗壓強(qiáng)度見表5。

充填材料的強(qiáng)度指標(biāo)通常采用單軸抗壓強(qiáng)度表征，它關(guān)系到井壁的穩(wěn)定性，具有較高強(qiáng)度的充填材料固井效果好，可防止高承壓水將充填層與圍巖交界面劈裂、剝離破壞，確保圍巖、充填層和井壁的共同作用，減小作用在井壁上的外荷載。由表5和圖9可見，隨著粉煤灰和膨脹劑摻量增加，砂漿抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)一定程度的下降趨勢(shì)，因此，在確?？杀眯院统涮钌皾{不收縮的前提下需合理確定其摻量。

圖9 充填材料28 d單軸抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)Fig.9 Change trend of 28 days uniaxial compressive strength of backfill materials

2.4.3 流固耦合作用下充填材料性能試驗(yàn)

當(dāng)鉆井井壁筒懸浮下沉到底后，通過注入砂漿以置換出泥漿進(jìn)行固井。當(dāng)砂漿固結(jié)后，充填層處于三軸受力狀態(tài)，且在含水層段受應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)的耦合作用。因此，為分析充填材料實(shí)際受力情況，應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力-滲流耦合試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用TWA-2000巖石三軸試驗(yàn)機(jī)模擬500 m深處的地層圍巖壓力(6.5 MPa)和孔隙水壓力(5 MPa)。每組砂漿拌制后，注入?50 mm×100 mm模具內(nèi)，成型后標(biāo)養(yǎng)至相應(yīng)齡期后取出，將其裝入三軸試驗(yàn)機(jī)中。首先，以40 N/s速率將軸力加載至1 kN(此過程為預(yù)加載，用于固定試件)；接著，以40 kPa/s速率施加圍壓至6.5 MPa，待圍壓穩(wěn)定后，再以30 kPa/s速率將孔隙水壓加載至5 MPa。此后，保持水壓(5 MPa)和圍壓(6.5 MPa)穩(wěn)載2 h，并記錄下水流量-時(shí)間曲線；最后，以50 N/s的加載速率施加軸力直至試件破壞，得到應(yīng)力滲流耦合下試件的三軸抗壓強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

根據(jù)水流量-時(shí)間曲線，獲得單位時(shí)間的水流量Q，由達(dá)西定律可計(jì)算得到滲透系數(shù)，滲透系數(shù)計(jì)算公式如下：

(1)

式中：k為滲透系數(shù)，m/d；yw為水的容重，kN/m3；Q為單位時(shí)間的水流量，m3；L為試件高度，m；A為水通過試件的橫截面面積，m2；p為滲透水壓，MPa。

利用極差分析法對(duì)表6中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算三軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和滲透系數(shù)所對(duì)應(yīng)的極差k值，并繪制了因素指標(biāo)趨勢(shì)圖，如圖10—圖12所示。結(jié)合表6和圖10可知，充填材料的三軸抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律與單軸抗壓強(qiáng)度相類似，隨著粉煤灰和膨脹劑摻量的增加，充填砂漿的三軸抗壓強(qiáng)度k值呈遞減趨勢(shì)。因此，在配制充填材料時(shí)，需將它們的摻量限定在合理范圍。

表6 應(yīng)力-滲流耦合試驗(yàn)結(jié)果

圖10 三軸抗壓強(qiáng)度因素指標(biāo)趨勢(shì)Fig.10 Trend chart of factors of triaxial compressive strength

圖11 彈性模量因素指標(biāo)趨勢(shì)Fig.11 Trend chart of factors of modulus of elasticity

圖12 滲透系數(shù)因素指標(biāo)趨勢(shì)Fig.12 Trend chart of factors of permeability coefficient

2.5 綜合平衡法確定最優(yōu)配合比

下面將充填材料的比重和應(yīng)力-滲流耦合試驗(yàn)的三軸抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)三者作為其性能的最終評(píng)定指標(biāo)，考察粉煤灰摻量和膨脹劑摻量對(duì)各評(píng)定指標(biāo)的影響，進(jìn)行綜合評(píng)定，結(jié)果見表7。

表7 綜合平衡表

如圖11所示，充填材料的彈性模量均隨著粉煤灰與膨脹劑摻量水平數(shù)的增加呈線性遞減的趨勢(shì)。如圖12所示，充填材料的滲透系數(shù)k值隨著膨脹劑摻量和粉煤灰摻量的增加均呈現(xiàn)明顯的近線性遞減趨勢(shì)，表明材料的抗?jié)B性能得到了明顯改善，這主要是因?yàn)榉勖夯业牧叫∮谒囝w粒，能夠填充更小空間，從而提高了砂漿的密實(shí)度；同時(shí)，膨脹劑水化反應(yīng)不斷生成的明礬石結(jié)晶發(fā)生了膨脹，補(bǔ)償了砂漿的部分收縮，不斷地充填水泥顆粒的縫隙，降低了砂漿微裂縫的產(chǎn)生。在粉煤灰與膨脹劑二者的協(xié)同作用下，充填材料的抗?jié)B性能明顯提高。另外，由圖12可見，當(dāng)粉煤灰和膨脹劑摻量達(dá)第2水平后，滲透系數(shù)k值下降幅度顯著減小，這說明摻量水平較大時(shí)對(duì)抗?jié)B性的提升幅度并不明顯。因此，綜合強(qiáng)度和彈性模量的考慮，選用第2水平摻量對(duì)抗?jié)B性的提升效果為最優(yōu)。

由表7可以看出，粉煤灰摻量(A)對(duì)各指標(biāo)的影響次序?yàn)椋簼B透系數(shù)→三軸抗壓強(qiáng)度→比重，說明A因素對(duì)滲透系數(shù)為主要因素，對(duì)比重的影響為次要因素。對(duì)滲透系數(shù)而言，A因素取A3水平為最優(yōu)，但綜合強(qiáng)度和比重的考慮，此處確定A2為滲透系數(shù)的最優(yōu)水平，而對(duì)于三軸抗壓強(qiáng)度，A因素取A1水平為最優(yōu)，故A可取A1或A2，當(dāng)A取A2時(shí)，三軸抗壓強(qiáng)度比取A1時(shí)降低了9.8%，而滲透系數(shù)比取A1時(shí)降低了16.3%，即抗?jié)B性能提高了16.3%，綜上分析，A因素取A2。同理可分析對(duì)于膨脹劑摻量(B)，B2為最優(yōu)水平。因此，壁后充填砂漿的最優(yōu)配比為w(水泥+粉煤灰+膨脹劑)∶w(水)∶w(砂)∶w(泵送劑)=(0.70+0.20+0.10)∶0.31∶1.5∶0.01，換算成常用配合比為w(水泥)∶w(粉煤灰)∶w(膨脹劑)∶w(水)∶w(砂)∶w(泵送劑)=1∶0.286∶0.143∶2.144∶0.443∶0.014 3。

3 結(jié) 論

1)圍巖、充填層和鉆井井壁流固耦合共同作用分析表明，在西部孔隙型含水巖層中，充填層不但具有固井和封水作用，而且還具有減載功能。

2)基于有效應(yīng)力原理和達(dá)西滲流理論，提出西部地區(qū)孔隙型含水巖層中鉆井井筒壁后充填層材料應(yīng)具有低滲透性、較高強(qiáng)度和較大比重、微膨脹，同時(shí)拌合物的流動(dòng)性好、滿足泵送機(jī)械化施工。并在充填壓力作用下，部分充填漿液能封堵圍巖的孔隙、裂隙，從源頭上堵塞導(dǎo)水通道。

3)提出采用高性能水泥砂漿作為西部地區(qū)孔隙型含水巖層鉆井井筒壁后充填層材料。通過正交試驗(yàn)和主要物理力學(xué)性能試驗(yàn)，根據(jù)綜合平衡法得到最優(yōu)配合比為w(水泥)∶w(粉煤灰)∶w(膨脹劑)∶w(水)∶w(砂)∶w(泵送劑)=1∶0.286∶0.143∶2.144∶0.443∶0.0143。