本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及铁路隧道深竖井工作面突水淹井溃口封堵材料及封堵方法。
背景技术
目前，国内外矿井发生突水淹井后，封堵突涌水方法分为：(1)采用抽排设备强排至突涌口处施工止水垫；(2)地面深孔预注浆封堵突水溃口；(3)采用冻结施工法；(4)水下混凝土施工止水垫层。其中方法(1)虽然较简单，但对于淹井深度大于300m，涌水量大于200m3/h时，目前的抽排水及配套设施很难保证，施工过程操作安全风险极大，而且不能因大量抽排水，致使地层损失，溃口范围增大；方法(2)地面深孔预注浆法工期长、费用高，施工难度大，随着井筒深度的增加愈加凸显且无法精准揭穿溃口裂隙，达到封堵溃口目的；方法(3)冻结法施工井筒恢复周期长、投资大，且井筒解冻后易发生渗漏等问题；方法(4)水下混凝土运料当运输距离大于200m后，混凝土易产生离析、堵管，被地下水稀释，浇灌质量难保证。
采用上述几种方法封堵竖井突水溃口时，对竖井的淹井深度、涌水量及地层要求较高，且地面预注浆和冷冻法施工周期长、施工成本大，很难满足目前铁路快速施工的目的；随着近年地下工程的快速发展，深大竖井建造与日俱增，而施工过程难免出现突水淹井情况，对于出水位置大于300m且涌水大于200m3/h的淹井事故，目前并没有快速有效的封堵材料和方法。所以研究科学合理的治理方案及井筒恢复技术，最大限度的降低损失，安全、快速、高效封堵突涌口成为最重要的问题。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种铁路隧道深竖井工作面突水淹井溃口封堵材料及封堵方法，该封堵材料具有较好抗分散性，保证材料在深水中不离析、不稀释。具有较好的自流平性，确保能在深水中能够形成圆柱状的止水垫。该封堵方法在施工过程中操作简单、易于控制，形成止水层均匀，止水效果好，确保整体止水垫堵水效果良好，同时也减小后续竖井的施工风险。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种铁路隧道深竖井工作面突水淹井溃口封堵材料，用于封堵工作面溃口，由水泥、水、sbt-nda抗分散剂和hme-iii低碱型膨胀剂组成，上述水泥、水、sbt-nda抗分散剂和hme-iii低碱型膨胀剂的质量比为：1:(0.8～1):(0.02～0.03):(0.03～0.05)；使用的条件为：工作面在水下大于300m深的位置处，且溃口涌水量大于200m3/h。
进一步地，该水泥、水、sbt-nda抗分散剂和hme-iii低碱型膨胀剂的质量比为：1:1:0.025:0.04。
进一步地，该水泥的规格为硅酸盐水泥，型号为p42.5。
本发明还公开了上述铁路隧道深竖井工作面突水淹井溃口封堵材料的应用，其应用工况如下：上述工作面在水下大于300m深的位置处，且溃口涌水量大于200m3/h。
本发明还公开了上述的铁路隧道深竖井工作面突水淹井溃口封堵材料的制备方法，其特征在于，称取上述各原料，将水泥加入水中，进行一次搅拌，搅拌速度为60～80转/分钟，搅拌时间为2～3分钟；然后加入sbt-nda抗分散剂和hme-iii低碱型膨胀剂，进行二次搅拌，搅拌速度为150～200转/分种，搅拌时间不小于5分钟；然后采用30～50目的过滤网对混合浆液进行过滤，将未充分混合的粗颗粒进行过滤，即得。
本发明还公开了一种铁路隧道深竖井工作面突水淹井溃口封堵方法，使用上述的一种铁路隧道深竖井工作面突水淹井溃口封堵材料，该封堵方法如下：
待井筒水位恢复至静水位稳定后，首先从地面向井筒内下放一根碎石层加固注浆管至溃口渣体顶面，管口位于溃口侧；待碎石层加固注浆管稳固结束后，向井筒内抛填碎石垫层，然后下放封堵材料管路至碎石垫层顶上50～80cm处；
将拌制好的封堵材料通过封堵材料管路连续注入溃口至设计厚度，养护后，形成抗压强度为6.5～7.5mpa的止水垫。
进一步地，该方法还包括：养护后，通过碎石加固注浆管路注入普通水泥浆至碎石垫层，封闭碎石垫层。
进一步地，在封堵过程中，封堵材料管路出浆口始终埋在浆液中不小于1m。
本发明一种铁路隧道深竖井工作面突水淹井溃口封堵材料具有如下优点：1.制备封堵材料的各组分市场易采购，且价格相对较为合理，工程成本低。2.该材料具有优良的施工操作性，可采用管路长距离泵送，且操作工艺简单，易实现、过程易控制。3.具有较好抗分散性，保证材料在深水中不离析、不稀释。4.具有较好的自流平性，确保能在深水中能够形成圆柱状的止水体。5.安全环保，该材料对周边水源环保无污染。6.形成的止水垫堵水效果良好，能为后续施工提供良好施工条件。7.首先利用封堵材料在自重无压状态下对溃口大的裂隙通道进行充填渗透，对涌水通道进行封闭，并形成较厚的止水垫；其次在止浆垫达到预定强度后利用提前设置的碎石层和注浆管采用有压挤密方式对溃口前期未封堵的裂隙进行封堵，并进一步加强溃口止水垫的整体强度。
具体实施方式
本发明一种铁路隧道深竖井工作面突水淹井溃口封堵材料，用于封堵工作面溃口，由水泥、水、sbt-nda抗分散剂和hme-iii低碱型膨胀剂组成，上述水泥、水、sbt-nda抗分散剂和hme-iii低碱型膨胀剂的质量比为：1:(0.8～1):(0.02～0.03):(0.03～0.05)；使用条件为上述工作面在水下大于300m深的位置处，且溃口涌水量大于200m3/h，但是并不限于该条件，是因为该条件下，没有合适的封堵材料。申请人是基于该条件下做出的发明创造。
优选地，水泥、水、sbt-nda抗分散剂和hme-iii低碱型膨胀剂的质量比为：1:1:0.025:0.04。其中水泥的规格为硅酸盐水泥，型号为p42.5。
本发明还公开了上述铁路隧道深竖井工作面突水淹井溃口封堵材料的应用，其应用工况如下：上述工作面在水下大于300m深的位置处，且溃口涌水量大于200m3/h。
本发明中的封堵材料的制备方法如下：(1)准备好水、硅酸盐水泥、sbt-nda抗分散剂、hme-iii低碱型膨胀剂材料，配备2台普速搅拌机和1台高速搅拌机及称量器具；普速搅拌机搅拌速度为60～80转/分钟，高速搅拌机转速150～200转/分种，搅拌机体积不小于1m3；该材料制备需进行二次搅拌，一次搅拌是用低速搅拌机拌制水泥浆，二次搅拌是用高速搅拌机在水泥浆内加入两种添加剂；(2)拌制过程：在普速搅拌机内先放入计量好的水，再放入对应量的硅酸盐水泥，开动搅拌机，进行搅拌，搅拌至2～3分钟后，将搅拌好的水泥浆导入高速搅拌机，并加入sbt-nda抗分散剂和hme-iii低碱型膨胀剂均匀搅拌，搅拌时间不小于5分钟；(3)待添加剂充分均匀混合后，采用30～50目的过滤网对混合浆液进行过滤，将未充分混合的粗颗粒进行过滤，即得封堵材料。各实施例如表1所示：
表1不同实施例
在水下大于300m处，水压小于7.2mpa，封堵材料需要满足能自流平，抗离析，能够自密，形成的结实体满足强度要求。对各实施例中制备的封堵材料进行测定，结果如下：
1、流动度(自流平)：流动度均大于260mm；
2、悬浊度(抗分散性)：经现场试验测定：悬浊物含量小于50mg/l，浊度值小于220ntu。
3、凝结时间：浆体搅拌均匀后，经现场测试其初凝时间约55分钟。
4、浆体稳定性：将拌好的浆料倒在稳定的水中，50分钟后观察，应无明显的泌水、分层、离析、翻泡等现象。
5、抗裂性：试件养护过程中及达到28d养护时间时，浆体未出现产生裂纹、空鼓、脱落等现象。
上述结果表明，本发明中的封堵材料满足所要达到的条件。
本发明中一种铁路隧道深竖井工作面突水淹井溃口封堵方法，使用上述的一种铁路隧道深竖井工作面突水淹井溃口封堵材料，该封堵方法如下：待井筒水位恢复至静水位稳定后，首先从地面向井筒内下放一根ф50×6mm碎石层加固注浆管路至溃口渣体顶面，管口位于溃口侧；碎石层加固注浆管上，且从管口起1.2～1.5m长度范围内，开设有多个溢浆孔，所述溢浆孔排距为50～60mm*ф6～8mm。待管路稳固结束后，再向井筒内抛填1.2～1.5m厚碎石垫层，石子的粒径为20～40mm。然后下放ф89×6mm封堵材料管路至碎石垫层顶上上50～80cm处，待所有准备工作完成，拌制封堵材料，通过压浆管内连续注入封堵材料至计算厚度，养护28天，形成抗压强度为6.5～7.5mpa的止水垫。养护后，为进一步提高止水垫封堵效果，通过预留的碎石层加固注浆管路连续注入普通水泥浆至碎石垫层，封闭碎石垫层，其中普通水泥浆中的质量配合比为水：水泥＝0.8:1，注浆终压1.5～2mpa。
封堵过程中，封堵材料管路出浆口始终埋在浆液中不小于1m。随着封堵材料压入，逐步提升管路。
通过碎石加固注浆管路注入普通水泥浆至碎石垫层，作用是：(1)对溃口封堵效果进一步加强，确保在抽水过程中过程中因溃口处水压过大，导致止水垫失效；(2)提前对涌水溃口进行加固。
施工过程中，必须连续压入封堵材料。采用拌合站集中拌制封堵材料，通过混凝土罐车输送至井口临时压浆站，再利用注浆泵通过ф89×6mm无缝钢管压入井筒内。根据下注浆液量，适时上提压浆管路，并确保管路出浆口始终埋在浆液中不小于1m，每提出井口一根管路人工拆卸并再次连接，以此类推。当达到设计注入量后停止压入，拆除连接管路、搅拌系统。
在压入封堵材料是泵与管通、管路与管路通过快速接头连接，并保证密封效果，防止漏浆。搅拌机出浆口需设置滤网，防止大块结石或杂物进入到注浆泵。
该封堵材料具有较好的自流平的特性，在其凝固前充填、渗透岩石裂隙，封闭突水裂隙的涌水通道；后采用碎石注浆管路对止水垫进一步补强并提前对溃口封堵。
本实施例中，竖井崛砌至620m后出现突水淹井，淹水深度约615m，溃口位于水下615m的深度。
具体过程如下：
(1)下放碎石层加固注浆管：
地面20m和井筒上部570m采用一路ф50mm高压胶管；井筒下部50m采用ф50×6mm无缝钢管，注浆管到井底碴体顶面停止下放。注浆管布置在井筒内靠近溃口处，错开吊盘下放空间，利用主提稳绳稳车钢丝绳悬吊，管路利用专用管卡固定至钢丝绳上。注浆用ф50×6mm无缝钢管下部1.2m打成花管，间距50cm，孔径ф8mm，花管外部用胶布粘贴，此管路用于止水垫封堵完成后，进一步加强止水垫层和封堵溃口使用。
(2)下抛碎石：
先冲洗粒径20～40mm碎石，待注浆管安装完成后，利用装载机运送至井口，向专门加工的溜槽抛填，通过吊盘两个喇叭口向井筒内对称下抛1.5m厚石子。
(3)下放封堵材料输浆管：
采用ф89×6mm无缝钢管，利用抓岩机稳车钢丝绳悬吊，并用专用管卡固定至钢丝绳上，每下放1根连接1根，直至碎石垫层上200mm处。输浆管布置在井筒内溃口处对侧，错开吊盘下放空间。管路均通过专用管卡固定在钢丝绳上，由稳车悬吊下放，下放操作在井口进行，每根管路上下端各设置一个专用管卡。
(4)拌制封堵材料：
采用容量为1.2m3的2台普速搅拌机和1台高速搅拌机进行封堵材料拌制；在普速搅拌机内先放入计量好的水，再放入对应量的硅酸盐水泥，开动搅拌机，进行搅拌，搅拌至3分钟后，将搅拌好的水泥浆导入二次(高速)搅拌机，并加入sbt-nda抗分散剂和hme-iii低碱型膨胀剂均匀搅拌，搅拌时间不5分钟；待添加剂充分均匀混合后，在二次搅拌机出浆口采用30～50目的过滤网对混合封堵材料进行过滤，即得。
(5)输入封堵材料：
利用注浆泵将封堵材料通过ф89×6mm无缝钢管压入井筒内。必须连续压入封堵材料。根据压入的封堵材料的体积，不断上提压浆管路，并确保管路出浆口始终埋在浆液中不小于1m，每提出井口一根管路人工拆卸并再次连接，以此类推。当达到设计注入量后停止注浆，拆除连接管路及拌浆系统等。抗分散剂及膨胀剂均为粉末状材料，利用计量设备提前按配合比提前称量。
(6)碎石层注入普通水泥浆：
封堵材料止水层养护28天后，采用普通水泥和水拌制水泥浆，浆液配比w：c＝0.8:1，注浆终压压力2mp。
在本申请中，试验了在混凝土中直接添加sbt–nda抗分散剂和hme-iii低碱型膨胀剂，得出的产品是不符合施工要求的，可见，并不是说只要存在水泥，添加上述的分散剂和膨胀剂就能实现。
在地下工程施工领域，对工作面突水淹井溃口一直未找到合适的处理方式。本领域技术人员普遍认为，既然在混凝土中添加外加剂，并不能改善封堵效果，那么单纯的水泥，在深水区域中更容易稀释、离析，无法形成有效凝结，更谈不上封堵高压溃口涌水。
该封堵方法首先利用封堵材料在自重无压状态下对溃口大的裂隙通道进行充填渗透，对涌水通道进行封闭，并形成较厚的止水垫；其次在止浆垫达到预定强度后利用提前设置的碎石层和注浆管采用有压挤密方式对溃口前期未封堵的裂隙进行封堵，并进一步加强溃口止水垫的整体强度；该封堵方法在施工过程中操作简单、易于控制，形成止水层均匀，止水效果好，通过后续方式对前序方式效果进行验证补强，确保整体止水垫堵水效果良好，同时也减小后续竖井的施工风险。
在本申请中，研究了以下三种封堵方案，具体对比情况如下：
表2三种水下封堵溃口施工方案对比
使用本发明中的封堵材料，通过同等养护条件下的强度试验确定止水垫强度，设计养护时间为7d、14d、21d、28d的4组实验，实验结果如表3。养护28d后的平均抗压强度最高达到7.17mpa，达到设计要求抗压强度6.5mpa。
表3同等养护条件试块强度