杜向紅,羅周全,唐 碩

(中南大學資源與安全工程學院, 湖南長沙 410083)

用于帷幕注漿的分級尾砂試驗研究

杜向紅1,羅周全2,唐 碩2

(中南大學資源與安全工程學院, 湖南長沙 410083)

針對凡口鉛鋅礦帷幕注漿工程中粘土漿結石體抗壓強度偏小的問題,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尾砂漿代替部分粘土漿,并對分級尾砂漿在水中擴散半徑偏大的特點,通過采用水玻璃和可塑劑兩種外加劑進行了室內試驗和工業(yè)試驗研究。結果表明,分級尾砂能很好地提高帷幕注漿強度,且所采用的水玻璃和可塑劑能有效減小分級尾砂在水中的擴散半徑,對礦山的帷幕注漿工程具有重要的實際應用價值。

帷幕注漿;分級尾砂;水玻璃;可塑劑

0 引 言

凡口鉛鋅礦自建礦以來,采用淺部截流疏干地下水防治方法,保證了礦床的安全開采,但長期的疏干排水,嚴重破壞了礦區(qū)地質環(huán)境,且防治水費用和塌陷治理費用高昂。為了減少坑涌水對礦山經濟效益的影響,維持礦山的可持續(xù)發(fā)展,在前期的研究基礎上,礦山開展實施帷幕注漿工程,探尋從根本上預防巖溶塌陷發(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后,通過塑性強度抵抗地下水壓力而起到堵水的作用,但其結石體早期抗壓強度低,且注漿后較難通過采取大塊漿液結石體芯對實際注漿質量進行及時檢驗,影響了帷幕注漿效果。為彌補粘土漿結石體抗壓強度偏低的不足,獲得更好的截流效果,研究采用分級尾砂漿(即全尾砂在濃密機濃縮后用脫泥旋流器去掉19μm以下的細粒級,然后用陶瓷過濾機回收的尾砂)替代部分粘土漿,且針對分級尾砂在水中擴散半徑較大的特點,先后采用水玻璃和可塑劑兩種外加劑,通過室內試驗和工業(yè)試驗,研究了分級尾砂的水中擴散半徑。

1 分級尾砂材料性能

1.1 物理性質

用比重瓶和容重測定儀等測定了分級尾砂的物理性質,結果見表1。用水析、篩析法和激光粒度分析儀等方法測定了尾砂的粒級組成,結果見表2。

表1 分級尾砂的物理性質

表2 充填材料粒級組成

1.2 化學成分

采用多元素分析法測定了尾砂的元素含量,結果見表3。

表3 充填材料元素含量 %

1.3 浸出毒性鑒別

表4為通過實驗獲得的28d注漿結實體浸出毒性。

從毒性檢驗結果看,注漿結石體浸出試驗未超過國家標準。由于尾砂是選礦尾料,選礦時的藥劑可能會殘余到尾砂中,而選礦藥劑可能對地下水有一定的污染或腐蝕。為此,按照國家標準,對尾礦樣的注漿結石體進行了前后兩次浸出毒性鑒別,一次是結石體1d后的浸出毒性鑒別,一次為結石體28 d后的毒性鑒別。根據前后兩次尾砂漿浸出毒性鑒別結果,除pH值超標外,其他毒性元素均未超標。

表4 28d注漿結實體浸出毒性鑒別

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

1.4 結石體穩(wěn)定性和抗腐蝕性

凡口鉛鋅礦地下水質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)地下水不會對漿液結石體產生侵蝕。分級尾砂充填的實踐證明,分級尾砂固化漿結石體耐久穩(wěn)定性好,能保持長久穩(wěn)定。綜上所述,本礦注漿帷幕建成后,將不會發(fā)生帷幕截流能力衰減的風險。

2 分級尾砂漿室內試驗

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,強度越高。根據現場施工經驗,其3d抗壓強度1MPa以上時比較合理,水固比和灰砂比可根據施工的具體要求選擇。

表5 分級尾砂加水玻璃室內試驗數據

2.2 分級尾砂與粘土性能對比

從表6可以看出,與粘土相比,分級尾砂的優(yōu)點是抗壓強度高,3d抗壓強度比粘土要高4倍,流動性好,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,凝結時間短,輸送濃度較高,在加2%的水玻璃的情況下,輸送濃度可達73%;其缺點是流動性太好,擴散半徑比粘土大,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。加強現場施工過程的管理,定時抽檢分級尾砂漿的比重、濃度,同時也可以每班抽取適量砂漿檢測其綜合抗壓強度。

2.3 水泥分級尾砂漿加可塑劑的試驗結果

根據帷幕注漿分級尾砂漿輸送的濃度情況,以及降低注漿成本考慮,試驗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。試驗結果見表7。

3 分級尾砂漿注漿工業(yè)試驗

3.1 注漿材料要求

表6 分級尾砂漿與粘土漿性能對比(水固比1∶1,灰砂比1∶1)

表7 分級尾砂漿加可塑劑的試驗結果

(1)水泥。普通硅酸鹽水泥,水泥等級42.5。水泥細度要求為通過80μm方孔篩,篩余量不大于5%。水泥質量必須符合國家標準。

(2)分級尾砂。粒徑不宜大于2.5mm,細度模數不宜大于2.0,SO3含量宜小于1%,含泥量不宜大于3%,有機物含量不宜大于3%。

(3)水玻璃。模數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計的濃度通過特設的注漿鉆孔,壓送到規(guī)定的巖土層中,填補巖土體中的裂縫或孔隙,旨在改善注漿對象的物理力學性質,以滿足各類工程的需要。按其功能不同可分為防滲注漿和加固注漿,防滲注漿是為增強各種基礎抗?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似帷幕的混凝土防滲墻,以此截斷水流,從而達到防滲堵漏的目的。

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

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

圖1 注漿工藝流程

(2)對于寬大裂隙和動水注漿,則采用間歇注漿、雙液注漿等方式。

3.3 分級尾砂漿工業(yè)注漿配比

分級尾砂漿加水玻璃進行帷幕注漿時,配比見表8。

在更換了大管道的料漿輸送管道和加入可塑劑后,分級尾砂漿的注漿配比見表9。

3.4 工業(yè)試驗數據分析

(1)跑漿情況。注漿過程中部分料漿會沿裂隙通道流入-40m新南截流巷,最后進入井下水泵池,危及到井下的生產安全。為了加強帷幕注漿的質量控制,施工人員對地表注漿流程的各個環(huán)節(jié)以及井下跑漿的地方都進行取樣監(jiān)控,對井下跑漿的pH值、濃度、水量以及水的混濁情況都有人專門負責。加入添加劑水玻璃或可塑劑時跑漿情況見表10,可塑劑跑漿相對要少。

表8 帷幕注漿常用的分級尾砂漿與水玻璃進行的配比

表9 帷幕注漿常用的分級尾砂漿與可塑劑進行的配比

表10 分級尾砂帷幕注漿質量抽測情況

(2)注漿質量。分級尾砂漿進行帷幕注漿的質量見表11,其抗壓強度滿足注漿抗壓強度28d大于5.0的要求。

(3)結石體取樣。結石體取樣是觀測注漿效果和判斷注漿質量的一種手段,是下一回注漿開始前掃孔所取出的結石體,從幾個孔的施工注漿情況來看,高濃度分級尾砂漿輸送順利,前后多次取出了高強度的結石體芯,如圖2所示。

根據試驗研究,在注漿初期階段,應采用廉價惰性充填材料、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){液側向擴散,加大有效擴散半徑,直至壓力逐漸上升,達到設計的注漿結束標準。注漿過程中,如果遇到大的溶洞,則首先采用高濃度的分級尾砂漿,在間隙兩次后,漿液面無變化時,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,則屬于小裂隙強動水注漿,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#鉆孔第四次所取結石體芯

4 結 論

針對凡口鉛鋅礦帷幕注漿工程實際,為提高帷幕注漿工程的防治水截流效果,在國內率先開展了分級尾砂用于地下水害防治帷幕注漿工程的應用研究,試驗測定了帷幕注漿分級尾砂漿體的性能指標,確定了分級尾砂用于帷幕注漿合理的材料配比參數,并通過試驗優(yōu)選了分級尾砂漿的添加劑。

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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,從事采礦技術工作,Email:kycdxhcm@163.com。