水泥-红黏土注浆堵水性能试验及现场应用研究

王新振,侯克鹏*,孙华芬,者亚雷,李 睿,马胜杰

(1.昆明理工大学 国土资源工程学院,云南 昆明 650093;2.云南省中-德蓝色矿山与特殊地下空间开发利用重点实验室,云南 昆明 650093)

我国大水矿床开采受地下水影响较大,采用单一抽排水方式进行积水治理不仅费用高,在施工过程中存在安全隐患,大量抽水将会破坏地下水动态平衡,将会导致生态环境受到影响。因此,注浆技术已成为矿山水患治理的重要手段之一。

注浆材料是注浆技术关键的组成部分,注浆材料的选取及掺量对防渗堵水效果有较大影响,其中水泥材料被普遍使用,普通水泥单浆液等传统注浆材料对水泥消耗量太大,不利于社会可持续发展[1]。赵忠杰[2]研究的黏土-水泥浆液可注性较强,抗渗堵水效果明显;在一些特性指标达到或超过了单液水泥性能。黏土-水泥浆液具有良好的稳定性、分散性和触变性;黏土矿物颗粒细微,保证了浆液的较强可注性能。苗贺朝等[3]以正交试验为基础分析了粉煤灰基材料的特性,使用综合平衡法筛选出最佳配比,浆液性能指标好,注浆施工得到满足,0.8∶1的水固比,3∶7的固相比,2%的激发剂含量,注浆作业温度大于 15 ℃。谷天峰等[4]研究了水泥-黄土浆液,随着黄土掺量增加,黏度与结石率均减小,析水率变大、凝结时间变长。刘杰等[5]分析了不同的水固比黏土水泥浆。水固比较大时,浆液符合牛顿流体,黏度稳定;水固比较小时,浆液符合宾汉流体,黏度先增大后稳定不变。夏冲等[6]研究了水泥粉煤灰-改性水玻璃材料,当改性水玻璃体积增大时,初凝时间变长,终凝时间正好相反。费子豪等[7]研究了在水泥浆中加入膨润土,水固比一定时,膨润土掺量上升,浆液流动度下降。SHA等[8]研制出黏土-水泥复合注浆材料,具有更快的凝胶时间、更低的泌水率和体积收缩率、更大的初始黏度,而且降低了工程成本和环境污染。CUI[9]等研制的富水粉质细砂地层的高性能注浆材料有凝固时间可调、耐久性高等特点。张毅等[10]利用红黏土弃渣合成了一种注浆材料,该材料泌水率低、流动度高、绿色环保并且成本较低。由以上说明,注浆浆液初始黏度低、析水率低及结石率高等优良性能是研究发展方向,通过更合理的配比尽可能弥补注浆浆液的不足,以期产生更好的注浆效果。

传统水泥注浆材料存在注浆成本较高,结石率低,凝结时间长等问题。通过试验,研究了不同配比条件下水泥-红黏土材料的析水率性能、结石率性能、流动性能、黏度性能及凝结时间性能,并结合现场注浆试验,对成本问题及封堵效果进行研究,以期为类似注浆工程应用提供一定参考。

1 试验仪器材料和配比方案

1.1 试验仪器及材料

试验仪器主要有电子秤、悬臂式搅拌机、维卡仪、筛网、量杯、量筒、计时器、温度计、ZNN-D6B六速旋转黏度计、1 000 mm×1 000 mm高度及水平可调节的扩展度流动仪、截锥圆模(上口直径36 mm、下口直径60 mm、高度60 mm)及透明尺等。水泥:普通P·O42.5硅酸盐水泥,符合GB175—2007《通用硅酸盐水泥》要求;红黏土各物质质量分数见表1,烧失量为9.71%。

表1 红黏土各物质质量分数Tab.1 Mass fraction of each substance in red clay

1.2 试验配比方案

水泥-红黏土浆液配比方案如表2所示,水固比为水的质量与红黏土和水泥的总质量之比,mR∶mC为红黏土质量与水泥质量之比。

表2 试验配比Tab.2 Test ratio

表3 水泥-红黏土浆液初凝与终凝时间下降率Tab.3 Decrease rate of initial and final setting time of cement-red clay grout

2 水泥-红黏土浆液基本性能分析

2.1 析水率性能分析

析水率代表浆液在稳定时,各材料因沉降而析出水的比率,它主要代表浆液稳定性能[11]。ZHANG等[12]研制了一种新型黏土-水泥复合注浆材料,与水泥浆液相比,该浆液具有较快凝结时间、低析水率及初始粘度大等优点。析水率过高会导致材料分层明显,导致浆液不达标,注浆封堵效果差。水固比为0.6、0.8、1、2、5时,浆液析水率变化曲线如图1所示。

图1 水泥-红黏土浆液析水率变化Fig.1 Change of water separation rate of cement-red clay grout

如图1可知,当红黏土掺量一定时,随着水固比的增加,浆液析水率不断增加。水固比由0.6变化到2时,析水率呈线性增加趋势且析水率增加速率较快,在水固比为2时出现拐点,水固比大于2时,析水率上升趋势缓慢。

红黏土掺量由0变化到50%时,水固比为0.8,浆液析水率下降70%;水固比为1,析水率下降22%;水固比为2,析水率下降12%;水固比为5,析水率下降6%。水固比为0.8,随着红黏土掺量的增加,浆液析水率逐渐下降,且与其他水固比相比下降幅度更为显著。

综上所述,在红黏土掺量一定时,浆液析水率随水固比的增大而增大;水固比范围在0.6～0.8时,析水率变化幅度较小,浆液较稳定;水固比在0.8～5范围内一定时,随着红黏土掺量的增加,浆液析水率呈不断下降趋势;在水固比大于1时,浆液析水分层严重,沉降较快,浆液不稳定,注浆效果较差。

2.2 结石率性能分析

结石率是结石体体积与注浆浆液体积之比,结石率对裂隙封堵有重要作用,结石率过大易造成裂隙扩张,过小封堵效果较差,较高的结石率充填缝隙效果较好,可明显提高堵水效果,因此,合理的结石率至关重要。

如图2可知,当红黏土掺量一定时,随着水固比的增加,水泥-红黏土浆液结石率不断降低。当红黏土掺量为50%时,水固比在0.6处浆液黏度大,析水率低,结石率高;水固比为0.8时,红黏土掺量小于20%,浆液结石率达到80%以上,红黏土掺量大于20%时,浆液结石率达到90%以上。水固比在0.8～5之间一定时,随着红黏土掺量的增加,浆液结石率不断增加。红黏土掺量由0变化到50%时,水固比为0.8,浆液结石率增长14%;水固比为1,结石率增长9%;水固比为2,结石率增长1%;水固比为5,结石率增长3%。水固比为0.8,红黏土掺量为50%时,浆液结石率大于95%。

图2 水泥-红黏土浆液结石率变化Fig.2 Change of stone rate in cement-red clay slurry

综上所述,在红黏土掺量一定时,浆液结石率随水固比的增加而降低。相同水固比时,水泥浆液中加入红黏土,浆液结石率整体呈不断上升趋势;水固比范围在0.6～0.8时,浆液结石率较高。因此,可以合理调整浆液配合比及红黏土掺量来控制浆液结石率。

2.3 流动性能分析

流动性能对浆液可注性有较大影响,研究浆液流动性具有现实意义。浆液扩散受流动性影响很大[13],通过净浆流动度试模与流动仪测定浆液在不同配比情况下的流动度值,以多次试验测定的平均值作为流动度值,其中,每组试验取值时,取两个相互垂直的最大直径,求出平均值,研究浆液流动度变化情况。

由图3可知,水固比在0.6～2范围内,当红黏土掺量一定时,随着水固比增加,水泥-红黏土浆液流动速度逐渐增加。水固比在2～5范围内时,浆液流动度趋于平缓,变化幅度较小,这是由于水含量增加,各材料内部微小颗粒范围更大,析水率较大且析水速率较快,浆液在一定范围内不再流动,此时浆液中的水分缓慢向四周扩散。

图3 水泥-红黏土浆液流动度变化Fig.3 Variation of slurry fluidity of cement-red clay

水固比在0.6～1范围内一定时,红黏土掺量由0变化到50%,浆液流动度总体呈微弱下降趋势。当水固比在1～5范围内一定时,随着红黏土掺量由0变化到50%,水泥-红黏土浆流动度变化较小,这是由于浆液析水分层现象严重,析水较快,导致自由水往外扩散,浆液颗粒扩散范围小。当红黏土掺量由0变化到50%时,水固比为1,浆液流动度下降7%,水固比为2,浆液流动度下降1%;水固比为5,浆液流动度下降2%。说明在低水固比时,红黏土吸收部分自由水,导致浆液流动性减弱,水固比增加时,红黏土对浆液流动度影响变小。

综上所述,当红黏土掺量一定时,水固比在0.6～2范围内增加,浆液流动度随之升高;水固比大于0.6时,掺入红黏土的浆液流动度与纯水泥浆液接近,水固比在0.6～0.8范围内,红黏土掺量由10%增加到50%时,水泥-红黏土浆液流动度下降;水固比在1～5范围内,红黏土掺量的增加浆液流动度变化较小。因此,在工程中可以适当调整材料的比例达到增加流动度的目的。

2.4 黏度性能分析

注浆浆液的黏度是注浆的重要指标之一。浆液黏度过大时,结实体易出现空腔现象[14],初始黏度不能过高,合理的浆液黏度对注浆浆液的利用率提升明显[15]。利用ZNN-D6B六速旋转黏度计研究浆液在不同配比下的黏度变化规律,通过ZNN-D6B六速旋转黏度计的读数来判定其黏度值。

由图4可知,当红黏土掺量一定,水固比由0.6变化到2时,浆液黏度不断降低。水固比在2～5范围内,由于析水率过高浆液黏度趋于平缓。

图4 水泥-红黏土浆液黏度变化Fig.4 Viscosity variation of cement-red clay grout

水固比在0.6～2范围内,红黏土掺量由10%变化到50%时,浆液黏度不断增加,而掺量为50%时,浆液黏度恒大于其他掺量。红黏土掺量由10%变化到50%时,水固比为0.6,浆液黏度增长78%;水固比为0.8,浆液黏度增长51%;水固比为1,黏度增长28%。水固比为0.6,红黏土掺量为50%时,浆液黏度值过大。水固比大于2时,浆液黏度趋近于0,这是由于浆液析水率大,材料分子间吸附力差,黏度减小。

综上所述,水固比在0.6～2范围内,当红黏土掺量一定时,浆液黏度随着水固比增加而降低。水固比范围在0.6～2范围内一定时,红黏土掺量为10%～50%,浆液黏度与红黏土掺量呈正相关。

2.5 凝结时间性能分析

注浆施工中控制浆液的凝结时间至关重要,在动水作用下较短的凝结时间可有效对地层进行防渗封堵,为防止浆液被水流稀释或冲刷,凝结时间不易过长。普通硅酸盐水泥凝结时间太长[16],而凝结时间过短对浆液输送有影响。

由图5和图6可知,当红黏土掺量一定时,水固比由0.6增加到2,水泥-红黏土浆液初凝与终凝时间不断升高;水固比由2增加到5,水泥-红黏土浆液初凝与终凝时间变化趋势较小。水固比由2变化到5凝结时间增加不明显,是因为浆液在该范围内析水率高,黏度低,沉淀较快,导致凝结时间无明显增加。水固比在0.6到5范围内,红黏土掺量由0变化到50%时,浆液初凝与终凝结时间不断降低,由表可知3,水泥-红黏土浆液凝结时间与红黏土掺量呈负相关。

图5 水泥-红黏土浆液初凝时间Fig.5 Initial setting time of cement-red clay grout

图6 水泥-红黏土浆液终凝时间Fig.6 Final setting time of cement-red clay grout

综上所述,水固比范围为0.6～2,当红黏土掺量一定时浆液凝结时间随水固比的增加而增加,水固比一定时,水泥浆液中加入红黏土使浆液黏度增加,以致浆液凝结时间降低,水泥-红黏土浆液固化时间低于纯水泥浆液固化时间,与传统浆液相比,固化反应时间更容易控制。因此,可以合理控制浆液的凝结时间。

3 工程应用

3.1 工程概况

某露天矿矿坑涌水量大,在东北角二叠系下统茅口组、栖霞组岩溶水含水层,岩性为虎斑状灰岩及白云质灰岩,分水岭以北寒武系下统梅树村组大海段至震旦系上统灯影组岩溶水含水层,白云岩、含磷白云岩及磷块岩为主要岩性,涌水量较强,在矿区开展试验段,形成连续墙,钻孔深度标准为60 m,由于长期积水作用,矿体稳定性受到较大影响。抽水量过大极易破坏地下水动态平衡,并且抽水费用太高,采矿成本增大。

3.2 结果分析

采用水固比为0.8,红黏土掺量为50%的水泥-红黏土浆液以注浆法对试验段进行封堵,通过物探、压水试验等对试验段进行分析,并观察水位变化情况,按注浆顺序分为Ⅰ序孔、Ⅱ序孔和Ⅲ序孔。由图7可知,每个孔序的平均单注量逐渐减少,Ⅱ序孔平均单注量相比于Ⅰ序孔下降31%;Ⅲ序孔平均单注量和Ⅱ序孔比较下降为52%。说明地层被逐渐填充密实,封堵效果良好。3个孔序的每米平均注入量为426 kg,掺入50%红黏土的浆液,每米注入量相比于纯水泥注浆,水泥用量约减少213 kg,节约了水泥用量,而红黏土取材方便,大大降低了材料成本。

图7 平均单注量 图8 注浆孔透水率Fig.7 Average injection volume Fig.8 Water permeability of grouting hole

如图8所示,试验段不同注浆孔序透水率表现为逐级降低的趋势,且降低幅度明显,Ⅱ序孔与Ⅰ序孔相比减少41%,Ⅲ序孔与Ⅱ序孔相比减少69%,Ⅲ序孔与Ⅰ序孔相比减少82%。注浆后检查孔平均透水率为3.52 Lu,属于弱透水性质,并且帷幕形成后改变了附近区域地表径流条件,如图9所示,有效拦截了涌水通道,沟渠干涸,说明注浆防渗效果较好。

注浆前出水量 注浆后出水量图9 矿坑出水量对比Fig.9 Comparison of mine water output

4 结论

本文通过试验,研究了不同水固比及红黏土掺量条件下,水泥-红黏土浆液的注浆特性,并在大水露天矿山开展现场注浆工业试验对堵水效果进行分析,得到以下结论:

1)水固比范围在0.6～0.8之间时,浆液析水率较低,结石率较高。在水固比一定时,随着红黏土掺量的增加,浆液析水率降低,结石率提高,即稳定性能逐渐增强。

2)红黏土的掺入会减弱浆液的流动度。水固比范围在0.6～1之间一定,且红黏土掺量在10%～50%时,浆液黏度与红黏土掺量呈正相关。

3)在水固比一定时,浆液凝结时间与红黏土掺量呈负相关,红黏土的掺入能够有效降低浆液凝结时间,有利于在动水条件下的沉积留存,提高裂隙封堵效果。

4)通过不同配比试验得出,水泥-红黏土浆液中红黏土掺量为50%,水固比为0.8时,效果较优,流动度强,初始黏度低,凝结时间较短,结石率可达95%以上。在工程应用中,单孔每米注浆约减少213 kg水泥用量,大大减小水泥用量,降低成本,并且防渗封堵效果好,能够满足矿山注浆堵水需求。