用于帷幕注漿的分級(jí)尾砂試驗(yàn)研究

杜向紅,羅周全,唐 碩

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙 410083)

用于帷幕注漿的分級(jí)尾砂試驗(yàn)研究

杜向紅1,羅周全2,唐 碩2

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙 410083)

針對(duì)凡口鉛鋅礦帷幕注漿工程中粘土漿結(jié)石體抗壓強(qiáng)度偏小的問(wèn)題,為提高帷幕注漿工程的防治水截流效果,研究使用新型注漿材料分級(jí)尾砂漿代替部分粘土漿,并對(duì)分級(jí)尾砂漿在水中擴(kuò)散半徑偏大的特點(diǎn),通過(guò)采用水玻璃和可塑劑兩種外加劑進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)和工業(yè)試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,分級(jí)尾砂能很好地提高帷幕注漿強(qiáng)度,且所采用的水玻璃和可塑劑能有效減小分級(jí)尾砂在水中的擴(kuò)散半徑,對(duì)礦山的帷幕注漿工程具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

帷幕注漿;分級(jí)尾砂;水玻璃;可塑劑

0 引 言

凡口鉛鋅礦自建礦以來(lái),采用淺部截流疏干地下水防治方法,保證了礦床的安全開(kāi)采,但長(zhǎng)期的疏干排水,嚴(yán)重破壞了礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境,且防治水費(fèi)用和塌陷治理費(fèi)用高昂。為了減少坑涌水對(duì)礦山經(jīng)濟(jì)效益的影響,維持礦山的可持續(xù)發(fā)展,在前期的研究基礎(chǔ)上,礦山開(kāi)展實(shí)施帷幕注漿工程,探尋從根本上預(yù)防巖溶塌陷發(fā)生、發(fā)展的途徑。帷幕注漿是礦山治理井下突水、地表塌陷的主要手段,其注漿材料主要為粘土、水泥、水玻璃等[1-11]。粘土漿液在巖石裂縫中充填凝結(jié)后,通過(guò)塑性強(qiáng)度抵抗地下水壓力而起到堵水的作用,但其結(jié)石體早期抗壓強(qiáng)度低,且注漿后較難通過(guò)采取大塊漿液結(jié)石體芯對(duì)實(shí)際注漿質(zhì)量進(jìn)行及時(shí)檢驗(yàn),影響了帷幕注漿效果。為彌補(bǔ)粘土漿結(jié)石體抗壓強(qiáng)度偏低的不足,獲得更好的截流效果,研究采用分級(jí)尾砂漿(即全尾砂在濃密機(jī)濃縮后用脫泥旋流器去掉19μm以下的細(xì)粒級(jí),然后用陶瓷過(guò)濾機(jī)回收的尾砂)替代部分粘土漿,且針對(duì)分級(jí)尾砂在水中擴(kuò)散半徑較大的特點(diǎn),先后采用水玻璃和可塑劑兩種外加劑,通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和工業(yè)試驗(yàn),研究了分級(jí)尾砂的水中擴(kuò)散半徑。

1 分級(jí)尾砂材料性能

1.1 物理性質(zhì)

用比重瓶和容重測(cè)定儀等測(cè)定了分級(jí)尾砂的物理性質(zhì),結(jié)果見(jiàn)表1。用水析、篩析法和激光粒度分析儀等方法測(cè)定了尾砂的粒級(jí)組成,結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 分級(jí)尾砂的物理性質(zhì)

表2 充填材料粒級(jí)組成

1.2 化學(xué)成分

采用多元素分析法測(cè)定了尾砂的元素含量,結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 充填材料元素含量 %

1.3 浸出毒性鑒別

表4為通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的28d注漿結(jié)實(shí)體浸出毒性。

從毒性檢驗(yàn)結(jié)果看,注漿結(jié)石體浸出試驗(yàn)未超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。由于尾砂是選礦尾料,選礦時(shí)的藥劑可能會(huì)殘余到尾砂中,而選礦藥劑可能對(duì)地下水有一定的污染或腐蝕。為此,按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),對(duì)尾礦樣的注漿結(jié)石體進(jìn)行了前后兩次浸出毒性鑒別,一次是結(jié)石體1d后的浸出毒性鑒別,一次為結(jié)石體28 d后的毒性鑒別。根據(jù)前后兩次尾砂漿浸出毒性鑒別結(jié)果,除pH值超標(biāo)外,其他毒性元素均未超標(biāo)。

表4 28d注漿結(jié)實(shí)體浸出毒性鑒別

分析項(xiàng)目元素含量/%根據(jù)HJ/T299的限值/(mg/L)鐵(以總鐵計(jì))0.020-鋅(以總鋅計(jì))0.019100鎘(以總鎘計(jì))0.00591鉛(以總鉛計(jì))0.0225總鉻0.00815鉻(六價(jià))0.0085烷基汞未檢出不得檢出鈹(以總鈹計(jì))未檢出0.02鋇(以總鋇計(jì))0.85100鎳(以總鎳計(jì))0.0245總銀0.0325砷(以總砷計(jì))0.000415硒(以總硒計(jì))未檢出1無(wú)機(jī)氯化物0.003100氰化物(以CN-計(jì))未檢出5

1.4 結(jié)石體穩(wěn)定性和抗腐蝕性

凡口鉛鋅礦地下水質(zhì)為中性的礦化度小于1 g/L的HCO3-Ca型水,游離CO2較少,SO42-離子含量遠(yuǎn)小于250mg/L,且基本未受工業(yè)廢水污染,因此礦區(qū)地下水不會(huì)對(duì)漿液結(jié)石體產(chǎn)生侵蝕。分級(jí)尾砂充填的實(shí)踐證明,分級(jí)尾砂固化漿結(jié)石體耐久穩(wěn)定性好,能保持長(zhǎng)久穩(wěn)定。綜上所述,本礦注漿帷幕建成后,將不會(huì)發(fā)生帷幕截流能力衰減的風(fēng)險(xiǎn)。

2 分級(jí)尾砂漿室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 添加水玻璃

從表5中可以看出,水固比減小即濃度增加,灰砂比越大,水玻璃摻量越少,強(qiáng)度越高。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn),其3d抗壓強(qiáng)度1MPa以上時(shí)比較合理,水固比和灰砂比可根據(jù)施工的具體要求選擇。

表5 分級(jí)尾砂加水玻璃室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 分級(jí)尾砂與粘土性能對(duì)比

從表6可以看出,與粘土相比,分級(jí)尾砂的優(yōu)點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度高,3d抗壓強(qiáng)度比粘土要高4倍,流動(dòng)性好,輸送性能好,用于注漿的配比范圍很寬,水固比(1∶1)～(0.5∶1),其灰砂比從(1∶1)～(1∶5)均可,凝結(jié)時(shí)間短,輸送濃度較高,在加2%的水玻璃的情況下,輸送濃度可達(dá)73%;其缺點(diǎn)是流動(dòng)性太好,擴(kuò)散半徑比粘土大,注漿成本比粘土高。

推薦使用配比為水固比(0.5～0.6)∶1,灰砂比1∶(1～1.5),水玻璃摻量1%～3%,為了增加堵漏效果,可加適量的谷殼、稻草等惰性材料,特殊情況下可采用雙液注漿的方式。加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程的管理,定時(shí)抽檢分級(jí)尾砂漿的比重、濃度,同時(shí)也可以每班抽取適量砂漿檢測(cè)其綜合抗壓強(qiáng)度。

2.3 水泥分級(jí)尾砂漿加可塑劑的試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)帷幕注漿分級(jí)尾砂漿輸送的濃度情況,以及降低注漿成本考慮,試驗(yàn)所用的砂漿原始濃度為70%～74%,泡沫摻入量為20%,灰砂比為1∶2。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

3 分級(jí)尾砂漿注漿工業(yè)試驗(yàn)

3.1 注漿材料要求

表6 分級(jí)尾砂漿與粘土漿性能對(duì)比(水固比1∶1,灰砂比1∶1)

表7 分級(jí)尾砂漿加可塑劑的試驗(yàn)結(jié)果

(1)水泥。普通硅酸鹽水泥,水泥等級(jí)42.5。水泥細(xì)度要求為通過(guò)80μm方孔篩,篩余量不大于5%。水泥質(zhì)量必須符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

(2)分級(jí)尾砂。粒徑不宜大于2.5mm,細(xì)度模數(shù)不宜大于2.0,SO3含量宜小于1%,含泥量不宜大于3%,有機(jī)物含量不宜大于3%。

(3)水玻璃。模數(shù)2.8～3.4,濃度宜為35～45波美度。

(4)水。一般工業(yè)用水。

3.2 注漿方式

用液壓或氣壓將能凝固的漿液按設(shè)計(jì)的濃度通過(guò)特設(shè)的注漿鉆孔,壓送到規(guī)定的巖土層中,填補(bǔ)巖土體中的裂縫或孔隙,旨在改善注漿對(duì)象的物理力學(xué)性質(zhì),以滿足各類(lèi)工程的需要。按其功能不同可分為防滲注漿和加固注漿,防滲注漿是為增強(qiáng)各種基礎(chǔ)抗?jié)B能力而被廣泛采用的一種方法,它是在具有合理孔距的鉆孔中,注入漿液,使各孔中注漿體相互搭接以形成一道類(lèi)似帷幕的混凝土防滲墻,以此截?cái)嗨?從而達(dá)到防滲堵漏的目的。

整體帷幕施工時(shí)仍然采用全孔自上而下分段注漿的施工方法,使注漿段得到反復(fù)多次的充填、堵塞,有利于壓力的升高。注漿工藝流程見(jiàn)圖1。注漿方式如下。

(1)自溜與泵壓相結(jié)合的注漿方式。對(duì)于一般裂隙和通道,先自溜分級(jí)尾砂漿,到一定量后視具體情況更換成泵壓分級(jí)尾砂固化漿,直至注漿段或單孔達(dá)到注漿要求。

圖1 注漿工藝流程

(2)對(duì)于寬大裂隙和動(dòng)水注漿,則采用間歇注漿、雙液注漿等方式。

3.3 分級(jí)尾砂漿工業(yè)注漿配比

分級(jí)尾砂漿加水玻璃進(jìn)行帷幕注漿時(shí),配比見(jiàn)表8。

在更換了大管道的料漿輸送管道和加入可塑劑后,分級(jí)尾砂漿的注漿配比見(jiàn)表9。

3.4 工業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

(1)跑漿情況。注漿過(guò)程中部分料漿會(huì)沿裂隙通道流入-40m新南截流巷,最后進(jìn)入井下水泵池,危及到井下的生產(chǎn)安全。為了加強(qiáng)帷幕注漿的質(zhì)量控制,施工人員對(duì)地表注漿流程的各個(gè)環(huán)節(jié)以及井下跑漿的地方都進(jìn)行取樣監(jiān)控,對(duì)井下跑漿的pH值、濃度、水量以及水的混濁情況都有人專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)。加入添加劑水玻璃或可塑劑時(shí)跑漿情況見(jiàn)表10,可塑劑跑漿相對(duì)要少。

表8 帷幕注漿常用的分級(jí)尾砂漿與水玻璃進(jìn)行的配比

表9 帷幕注漿常用的分級(jí)尾砂漿與可塑劑進(jìn)行的配比

表10 分級(jí)尾砂帷幕注漿質(zhì)量抽測(cè)情況

(2)注漿質(zhì)量。分級(jí)尾砂漿進(jìn)行帷幕注漿的質(zhì)量見(jiàn)表11,其抗壓強(qiáng)度滿足注漿抗壓強(qiáng)度28d大于5.0的要求。

(3)結(jié)石體取樣。結(jié)石體取樣是觀測(cè)注漿效果和判斷注漿質(zhì)量的一種手段,是下一回注漿開(kāi)始前掃孔所取出的結(jié)石體,從幾個(gè)孔的施工注漿情況來(lái)看,高濃度分級(jí)尾砂漿輸送順利,前后多次取出了高強(qiáng)度的結(jié)石體芯,如圖2所示。

根據(jù)試驗(yàn)研究,在注漿初期階段,應(yīng)采用廉價(jià)惰性充填材料、粘土水泥漿或雙液漿限制漿液的流失;注漿后期,則應(yīng)用尾砂固化漿液等加壓注漿,在溶洞充填物或小裂隙中形成劈裂或壓密注漿,促使?jié){液側(cè)向擴(kuò)散,加大有效擴(kuò)散半徑,直至壓力逐漸上升,達(dá)到設(shè)計(jì)的注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。注漿過(guò)程中,如果遇到大的溶洞,則首先采用高濃度的分級(jí)尾砂漿,在間隙兩次后,漿液面無(wú)變化時(shí),則可采用海帶或黃豆等膨脹材料。如果是小裂隙,但注漿量很大,且多次難以起壓,則屬于小裂隙強(qiáng)動(dòng)水注漿,可首先在高濃度粘土固化漿液、尾砂漿液中加入鋸末,如果還難以控制,則采用水泥、水玻璃雙液漿控制漿液的流失。

圖2 15#鉆孔第四次所取結(jié)石體芯

4 結(jié) 論

針對(duì)凡口鉛鋅礦帷幕注漿工程實(shí)際,為提高帷幕注漿工程的防治水截流效果,在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了分級(jí)尾砂用于地下水害防治帷幕注漿工程的應(yīng)用研究,試驗(yàn)測(cè)定了帷幕注漿分級(jí)尾砂漿體的性能指標(biāo),確定了分級(jí)尾砂用于帷幕注漿合理的材料配比參數(shù),并通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)選了分級(jí)尾砂漿的添加劑。

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2012-02-24)

杜向紅(1971-),男,湖南沅江市,工程師,在職研究生,從事采礦技術(shù)工作,Email:kycdxhcm@163.com。