遇水膨脹橡膠在礦井鉆探施工中的應(yīng)用

趙 凱，景營(yíng)利，陳 錦

（湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四一六隊(duì)，湖南 株洲 412003）

自然界中所有的地表水和地下水之間都存在著相互聯(lián)系，這直接影響地表水和地下水體的水質(zhì)和水量。為了阻隔鉆孔一定深度內(nèi)地表水和地下水體之間的聯(lián)系，在礦井鉆探施工過程中，常用的鉆孔止水方法有粘土止水、海帶止水、水泥、瀝青、牛皮、橡膠等。其中新型止水材料—遇水膨脹橡膠，利用其自身遇水膨脹的原理，達(dá)到止水密封的效果[1-3]。

1 遇水膨脹橡膠的止水密封機(jī)理及特點(diǎn)

遇水膨脹橡膠是一種獨(dú)特的橡膠新產(chǎn)品。它既有一般橡膠制品的性能，又有能遇水自行膨脹的性能，是一種新型防水材料、止水、防水效果比一般橡膠更為可靠。按加工方法可分為硫化型遇水膨脹橡膠(亦稱制品型遇水膨脹橡膠)和非硫化型遇水膨脹橡膠(亦稱膩?zhàn)有陀鏊蛎浵鹉z)。本次礦井鉆探施工中的止水工作主要采用非硫化型遇水膨脹橡膠。

據(jù)參考資料，橡膠主要由高聚合度的炭、氫鏈節(jié)構(gòu)成，本身是疏水性物質(zhì)。如果橡膠中存在親水性物質(zhì)或基團(tuán)，遇水后就會(huì)因吸水而膨脹。當(dāng)遇水膨脹橡膠與水接觸時(shí)，水分子通過擴(kuò)散、毛細(xì)及表面吸附等物理作用進(jìn)入橡膠內(nèi)，與橡膠中的親水性基團(tuán)(物質(zhì))形成極強(qiáng)的親和力。親水性物質(zhì)不斷吸收水分，致使橡膠發(fā)生形變，在橡膠自身抗形變力和滲透壓差相當(dāng)時(shí)，測(cè)得的膨脹率即為靜水最大膨脹率。通常遇水膨脹橡膠在封閉條件下使用，遇水后膨脹率并不能達(dá)到其靜水最大膨脹率，因此就產(chǎn)生了膨脹橡膠與約束體間的接觸壓力，依靠這種接觸壓力遇水膨脹橡膠就可以發(fā)揮其密封止水的作用。

遇水膨脹橡膠，主要特點(diǎn)有浸水膨脹后能夠充滿裂縫的所有不規(guī)則表面、空穴及間隙，同時(shí)產(chǎn)生巨大的接觸壓力，徹底防止?jié)B漏。形狀易于控制、易于嵌填，自粘性好、易續(xù)接、遇水膨脹倍率高，最大可產(chǎn)生2～3倍的膨脹變形；無毒無污染；在長(zhǎng)時(shí)間浸水作用下無溶解物析出；施工方便，價(jià)格低廉；使用遇水膨脹橡膠作為堵漏密封止水材料，不僅用量節(jié)省，而且還可以消除一般彈性材料因過大壓縮而引起彈性疲勞的特點(diǎn)，使止水效果更為可靠。遇水膨脹橡膠物理性能指標(biāo)詳見表1。

2 鉆孔施工情況

在礦井鉆孔（ZK1孔和ZK3孔）穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)過程中對(duì)水質(zhì)和水量進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，歷時(shí)逾98小時(shí)，穩(wěn)定時(shí)間逾40小時(shí)。試驗(yàn)過程中對(duì)ZK1孔和ZK3孔在一定的時(shí)間間隔內(nèi)不間斷地同時(shí)采集水樣，并嚴(yán)格按照采樣有關(guān)規(guī)定及時(shí)送檢。檢測(cè)結(jié)果顯示兩個(gè)鉆孔內(nèi)地下水中“鍶”元素含量較穩(wěn)定，均達(dá)到“鍶”礦泉水的標(biāo)準(zhǔn)；微生物指標(biāo)數(shù)值較大，均超出限值標(biāo)準(zhǔn)，其他各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)。

在綜合分析的基礎(chǔ)上，為了查明礦井鉆孔內(nèi)地下水體中微生物超標(biāo)的原因，排除了抽水試驗(yàn)設(shè)備和水樣采集過程中人為影響因素，認(rèn)為可能是地表水通過基巖裂隙下滲對(duì)地下水中的微生物指標(biāo)存在一定的影響。

3 鉆孔止水方法及止水效果

在不影響鉆孔地下水涌水量的基礎(chǔ)上，為了消除或降低地表水中微生物對(duì)地下水水質(zhì)的影響，根據(jù)鉆孔結(jié)構(gòu)分析，選擇在巖芯完整、節(jié)理裂隙不發(fā)育的基巖孔段采用無縫鋼管結(jié)合遇水膨脹橡膠進(jìn)行鉆孔內(nèi)的止水。利用其自身遇水膨脹的彈性形成密封圈，阻隔鉆孔內(nèi)地表水與地下水之間的聯(lián)系，從而達(dá)到止水的目的。

本次礦井鉆孔止水工作采用遇水膨脹橡膠的規(guī)格為長(zhǎng)5m×寬3cm×厚2cm，將其用鋼絲綁扎在無縫鋼管外壁，下至鉆孔內(nèi)基巖完整段，無縫鋼管上至孔口高出地面。鉆孔具體情況如下。

3.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

兩個(gè)鉆孔均采用Φ200mm口徑開孔，穿過第四系進(jìn)入基巖且入巖大于0.5m下入Φ200mm無縫鋼管阻隔第四系殘坡積層，根據(jù)巖石節(jié)理裂隙發(fā)育情況、巖石的完整性以及含水段縱向分布位置依次變徑鉆進(jìn)直至終孔，孔內(nèi)主要含水段孔徑大于Φ130mm，終孔孔徑Φ110mm。

ZK1孔 內(nèi)井管 結(jié)構(gòu)：0m～1.70m為Φ200mm無縫鋼管；+0.3m～28.74m為Φ172mm無縫鋼管，其中：27.5m～28.74m密封止水部位采用Φ150 mm無縫鋼管，外壁用鋼絲綁扎遇水膨脹橡膠，兩頭為Φ172 mm變徑接頭連接；28.74m至孔底為裸孔。井口管高出地面0.3m，防止地表水直接流入孔內(nèi)。詳見圖1

表1 遇水膨脹橡膠主要物理性能指標(biāo)

ZK3孔內(nèi)井管結(jié)構(gòu)：0m～10.00m為Φ200mm無縫鋼管；+0.5m～73.0m為Φ172mm無縫 鋼管，其中0m～21.06m為 無縫鋼管，19.5m～20.6m密封止水部位采用Φ150 mm無縫鋼管，外壁用鋼絲綁扎遇水膨脹橡膠，兩頭為Φ172 mm變徑接頭連接，21.06m～67.26m為篩管；67.26m～73.0m為無縫鋼管；73.0m至孔底為裸孔。井口管高出地面0.5m，防止地表水直接流入孔內(nèi)。詳見圖2。

圖1 ZK1鉆孔井管結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 ZK3鉆孔井管結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 鉆孔止水效果

待遇水膨脹橡膠完全發(fā)揮作用后，對(duì)鉆孔內(nèi)止水前后靜止水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，止水效果明顯。鉆孔內(nèi)的水位上升明顯，ZK1孔靜止水位從10.22m上升至4.78m；ZK3孔靜止水位從0.76m上升至自流，接高井口管后測(cè)得靜止水位為+0.55m（靜止水位測(cè)量均以地面為標(biāo)準(zhǔn)）。

ZK1孔止水前地下水中“鍶”元素含量為1.54mg/L～1.71 mg/L，止水后地下水中“鍶”元素含量為2.34mg/L～2.59 mg/L；ZK3孔止水前地下水中“鍶”元素含量為0.647mg/L～0.770 mg/L，止水后地下水中“鍶”元素含量為0.80mg/L～1.10mg/L，詳見表2。

ZK1孔和ZK3孔，微生物指標(biāo)相比止水之前明顯降低，且接近達(dá)標(biāo)。具體數(shù)據(jù)詳見表3、表4。

通過遇水膨脹橡膠止水前后ZK1孔和ZK3孔群孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)鉆孔涌水量結(jié)果對(duì)比，止水后礦井鉆探涌水量分別有所減少，詳見表5。

表2 ZK1孔、ZK3孔地下水止水前后“鍶”元素含量指標(biāo)對(duì)比表

表3 ZK1孔地下水止水前后微生物指標(biāo)對(duì)比表

表4 ZK3孔地下水止水前后微生物指標(biāo)對(duì)比表

表5 ZK1孔、ZK3孔止水前后鉆孔涌水量對(duì)比表

4 結(jié)語

（1）本次礦井鉆探施工中利用遇水膨脹橡膠作鉆孔內(nèi)的止水處理是可行的，通過對(duì)比止水前后鉆孔靜止水位的變化、地下水中“鍶”元素的含量、微生物指標(biāo)數(shù)量以及鉆孔的涌水量，本次礦井鉆探施工采用的遇水膨脹橡膠止水效果明顯，基本阻隔了鉆孔內(nèi)淺層地表水與地下水之間的聯(lián)系。

（2）遇水膨脹橡膠作止水處理，工藝簡(jiǎn)單，使用方便，成本低，且止水效果好，適用于各種水文地質(zhì)、工程地質(zhì)鉆孔的同徑和異徑止水工作。

（3）遇水膨脹橡膠的膨脹速度、膨脹率、耐久性應(yīng)根據(jù)工程的特點(diǎn)判斷是否適合使用。膨脹速度不是越快越好，如果需要膨脹速度較慢的，可選擇在其表面預(yù)涂緩膨劑；應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)縫的變形量使用遇水膨脹橡膠，控制不超出其最大體積膨脹率，過大的膨脹率易導(dǎo)致密封不嚴(yán)，止水性能必然下降；遇水膨脹橡膠長(zhǎng)時(shí)間在水中浸泡存在析出物較多的缺點(diǎn)，對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響還有待觀察，建議定期采取鉆孔地下水樣進(jìn)行水質(zhì)分析。