用于帷幕注浆的分级尾砂试验研究

杜向红,罗周全,唐 硕

(中南大学资源与安全工程学院, 湖南长沙 410083)

用于帷幕注浆的分级尾砂试验研究

杜向红1,罗周全2,唐 硕2

(中南大学资源与安全工程学院, 湖南长沙 410083)

针对凡口铅锌矿帷幕注浆工程中粘土浆结石体抗压强度偏小的问题,为提高帷幕注浆工程的防治水截流效果,研究使用新型注浆材料分级尾砂浆代替部分粘土浆,并对分级尾砂浆在水中扩散半径偏大的特点,通过采用水玻璃和可塑剂两种外加剂进行了室内试验和工业试验研究。结果表明,分级尾砂能很好地提高帷幕注浆强度,且所采用的水玻璃和可塑剂能有效减小分级尾砂在水中的扩散半径,对矿山的帷幕注浆工程具有重要的实际应用价值。

帷幕注浆;分级尾砂;水玻璃;可塑剂

0 引 言

凡口铅锌矿自建矿以来,采用浅部截流疏干地下水防治方法,保证了矿床的安全开采,但长期的疏干排水,严重破坏了矿区地质环境,且防治水费用和塌陷治理费用高昂。为了减少坑涌水对矿山经济效益的影响,维持矿山的可持续发展,在前期的研究基础上,矿山开展实施帷幕注浆工程,探寻从根本上预防岩溶塌陷发生、发展的途径。帷幕注浆是矿山治理井下突水、地表塌陷的主要手段,其注浆材料主要为粘土、水泥、水玻璃等[1-11]。粘土浆液在岩石裂缝中充填凝结后,通过塑性强度抵抗地下水压力而起到堵水的作用,但其结石体早期抗压强度低,且注浆后较难通过采取大块浆液结石体芯对实际注浆质量进行及时检验,影响了帷幕注浆效果。为弥补粘土浆结石体抗压强度偏低的不足,获得更好的截流效果,研究采用分级尾砂浆(即全尾砂在浓密机浓缩后用脱泥旋流器去掉19μm以下的细粒级,然后用陶瓷过滤机回收的尾砂)替代部分粘土浆,且针对分级尾砂在水中扩散半径较大的特点,先后采用水玻璃和可塑剂两种外加剂,通过室内试验和工业试验,研究了分级尾砂的水中扩散半径。

1 分级尾砂材料性能

1.1 物理性质

用比重瓶和容重测定仪等测定了分级尾砂的物理性质,结果见表1。用水析、筛析法和激光粒度分析仪等方法测定了尾砂的粒级组成,结果见表2。

表1 分级尾砂的物理性质

表2 充填材料粒级组成

1.2 化学成分

采用多元素分析法测定了尾砂的元素含量,结果见表3。

表3 充填材料元素含量 %

1.3 浸出毒性鉴别

表4为通过实验获得的28d注浆结实体浸出毒性。

从毒性检验结果看,注浆结石体浸出试验未超过国家标准。由于尾砂是选矿尾料,选矿时的药剂可能会残余到尾砂中,而选矿药剂可能对地下水有一定的污染或腐蚀。为此,按照国家标准,对尾矿样的注浆结石体进行了前后两次浸出毒性鉴别,一次是结石体1d后的浸出毒性鉴别,一次为结石体28 d后的毒性鉴别。根据前后两次尾砂浆浸出毒性鉴别结果,除pH值超标外,其他毒性元素均未超标。

表4 28d注浆结实体浸出毒性鉴别

分析项目元素含量/%根据HJ/T299的限值/(mg/L)铁(以总铁计)0.020-锌(以总锌计)0.019100镉(以总镉计)0.00591铅(以总铅计)0.0225总铬0.00815铬(六价)0.0085烷基汞未检出不得检出铍(以总铍计)未检出0.02钡(以总钡计)0.85100镍(以总镍计)0.0245总银0.0325砷(以总砷计)0.000415硒(以总硒计)未检出1无机氯化物0.003100氰化物(以CN-计)未检出5

1.4 结石体稳定性和抗腐蚀性

凡口铅锌矿地下水质为中性的矿化度小于1 g/L的HCO3-Ca型水,游离CO2较少,SO42-离子含量远小于250mg/L,且基本未受工业废水污染,因此矿区地下水不会对浆液结石体产生侵蚀。分级尾砂充填的实践证明,分级尾砂固化浆结石体耐久稳定性好,能保持长久稳定。综上所述,本矿注浆帷幕建成后,将不会发生帷幕截流能力衰减的风险。

2 分级尾砂浆室内试验

2.1 添加水玻璃

从表5中可以看出,水固比减小即浓度增加,灰砂比越大,水玻璃掺量越少,强度越高。根据现场施工经验,其3d抗压强度1MPa以上时比较合理,水固比和灰砂比可根据施工的具体要求选择。

表5 分级尾砂加水玻璃室内试验数据

2.2 分级尾砂与粘土性能对比

从表6可以看出,与粘土相比,分级尾砂的优点是抗压强度高,3d抗压强度比粘土要高4倍,流动性好,输送性能好,用于注浆的配比范围很宽,水固比(1∶1)～(0.5∶1),其灰砂比从(1∶1)～(1∶5)均可,凝结时间短,输送浓度较高,在加2%的水玻璃的情况下,输送浓度可达73%;其缺点是流动性太好,扩散半径比粘土大,注浆成本比粘土高。

推荐使用配比为水固比(0.5～0.6)∶1,灰砂比1∶(1～1.5),水玻璃掺量1%～3%,为了增加堵漏效果,可加适量的谷壳、稻草等惰性材料,特殊情况下可采用双液注浆的方式。加强现场施工过程的管理,定时抽检分级尾砂浆的比重、浓度,同时也可以每班抽取适量砂浆检测其综合抗压强度。

2.3 水泥分级尾砂浆加可塑剂的试验结果

根据帷幕注浆分级尾砂浆输送的浓度情况,以及降低注浆成本考虑,试验所用的砂浆原始浓度为70%～74%,泡沫掺入量为20%,灰砂比为1∶2。试验结果见表7。

3 分级尾砂浆注浆工业试验

3.1 注浆材料要求

表6 分级尾砂浆与粘土浆性能对比(水固比1∶1,灰砂比1∶1)

表7 分级尾砂浆加可塑剂的试验结果

(1)水泥。普通硅酸盐水泥,水泥等级42.5。水泥细度要求为通过80μm方孔筛,筛余量不大于5%。水泥质量必须符合国家标准。

(2)分级尾砂。粒径不宜大于2.5mm,细度模数不宜大于2.0,SO3含量宜小于1%,含泥量不宜大于3%,有机物含量不宜大于3%。

(3)水玻璃。模数2.8～3.4,浓度宜为35～45波美度。

(4)水。一般工业用水。

3.2 注浆方式

用液压或气压将能凝固的浆液按设计的浓度通过特设的注浆钻孔,压送到规定的岩土层中,填补岩土体中的裂缝或孔隙,旨在改善注浆对象的物理力学性质,以满足各类工程的需要。按其功能不同可分为防渗注浆和加固注浆,防渗注浆是为增强各种基础抗渗能力而被广泛采用的一种方法,它是在具有合理孔距的钻孔中,注入浆液,使各孔中注浆体相互搭接以形成一道类似帷幕的混凝土防渗墙,以此截断水流,从而达到防渗堵漏的目的。

整体帷幕施工时仍然采用全孔自上而下分段注浆的施工方法,使注浆段得到反复多次的充填、堵塞,有利于压力的升高。注浆工艺流程见图1。注浆方式如下。

(1)自溜与泵压相结合的注浆方式。对于一般裂隙和通道,先自溜分级尾砂浆,到一定量后视具体情况更换成泵压分级尾砂固化浆,直至注浆段或单孔达到注浆要求。

图1 注浆工艺流程

(2)对于宽大裂隙和动水注浆,则采用间歇注浆、双液注浆等方式。

3.3 分级尾砂浆工业注浆配比

分级尾砂浆加水玻璃进行帷幕注浆时,配比见表8。

在更换了大管道的料浆输送管道和加入可塑剂后,分级尾砂浆的注浆配比见表9。

3.4 工业试验数据分析

(1)跑浆情况。注浆过程中部分料浆会沿裂隙通道流入-40m新南截流巷,最后进入井下水泵池,危及到井下的生产安全。为了加强帷幕注浆的质量控制,施工人员对地表注浆流程的各个环节以及井下跑浆的地方都进行取样监控,对井下跑浆的pH值、浓度、水量以及水的混浊情况都有人专门负责。加入添加剂水玻璃或可塑剂时跑浆情况见表10,可塑剂跑浆相对要少。

表8 帷幕注浆常用的分级尾砂浆与水玻璃进行的配比

表9 帷幕注浆常用的分级尾砂浆与可塑剂进行的配比

表10 分级尾砂帷幕注浆质量抽测情况

(2)注浆质量。分级尾砂浆进行帷幕注浆的质量见表11,其抗压强度满足注浆抗压强度28d大于5.0的要求。

(3)结石体取样。结石体取样是观测注浆效果和判断注浆质量的一种手段,是下一回注浆开始前扫孔所取出的结石体,从几个孔的施工注浆情况来看,高浓度分级尾砂浆输送顺利,前后多次取出了高强度的结石体芯,如图2所示。

根据试验研究,在注浆初期阶段,应采用廉价惰性充填材料、粘土水泥浆或双液浆限制浆液的流失;注浆后期,则应用尾砂固化浆液等加压注浆,在溶洞充填物或小裂隙中形成劈裂或压密注浆,促使浆液侧向扩散,加大有效扩散半径,直至压力逐渐上升,达到设计的注浆结束标准。注浆过程中,如果遇到大的溶洞,则首先采用高浓度的分级尾砂浆,在间隙两次后,浆液面无变化时,则可采用海带或黄豆等膨胀材料。如果是小裂隙,但注浆量很大,且多次难以起压,则属于小裂隙强动水注浆,可首先在高浓度粘土固化浆液、尾砂浆液中加入锯末,如果还难以控制,则采用水泥、水玻璃双液浆控制浆液的流失。

图2 15#钻孔第四次所取结石体芯

4 结 论

针对凡口铅锌矿帷幕注浆工程实际,为提高帷幕注浆工程的防治水截流效果,在国内率先开展了分级尾砂用于地下水害防治帷幕注浆工程的应用研究,试验测定了帷幕注浆分级尾砂浆体的性能指标,确定了分级尾砂用于帷幕注浆合理的材料配比参数,并通过试验优选了分级尾砂浆的添加剂。

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2012-02-24)

杜向红(1971-),男,湖南沅江市,工程师,在职研究生,从事采矿技术工作,Email:kycdxhcm@163.com。