粘土改良的尾砂漿液在礦山帷幕注漿中的應(yīng)用

馮毓華，周雙燕，汪軍

(1.大冶有色金屬股份有限公司銅綠山銅鐵礦，湖北大冶市435101;2.湖北中南勘察基礎(chǔ)工程有限公司，湖北武漢430081)

粘土改良的尾砂漿液在礦山帷幕注漿中的應(yīng)用

馮毓華1，周雙燕2，汪軍2

(1.大冶有色金屬股份有限公司銅綠山銅鐵礦，湖北大冶市435101;2.湖北中南勘察基礎(chǔ)工程有限公司，湖北武漢430081)

在鯉泥湖銅鐵礦床防治水帷幕注漿工程中，為改善漿液的輸送性能，通過在水泥尾砂漿中添加粘土漿來改良漿液，并通過正交試驗確定了最佳配比。工程實踐表明，該施工技術(shù)解決了漿液輸送過程中堵管頻繁的現(xiàn)象，達(dá)到了縮短工期、節(jié)約成本的目的，實現(xiàn)了較好的注漿效果。

帷幕注漿;水泥尾砂漿;粘土;輸送性能;正交試驗;最佳配比

0 前言

鯉泥湖銅鐵礦床屬水文地質(zhì)條件復(fù)雜的巖溶充水礦床，礦坑主要充水圍巖為裂隙溶洞含水層，溶巖發(fā)育，富水性強(qiáng)。為了達(dá)到堵水、防治水的目的，確保礦山的安全開采，礦方委托湖北中南勘察基礎(chǔ)工程有限公司進(jìn)行防治水帷幕注漿工程。

帷幕軸線全長1016m，共布置128個鉆孔，間距為8.0m，平均孔深365m，最深達(dá)465m，鉆探總進(jìn)尺43405.00m，設(shè)計注漿量127649m3，設(shè)計灌注漿液為水泥尾砂漿。

1 漿液改良的原因

由于場地的限制，制漿站(攪拌站)離注漿站之間的距離較遠(yuǎn)(約550m)，從制漿站制好的漿液送往注漿站(二次攪拌站)的過程中漿液沉淀過快，導(dǎo)致堵管頻繁，處理比較困難。經(jīng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計，平均堵管頻率為3次/50m3。此外，注漿不連續(xù)也會對注漿質(zhì)量造成影響。因此應(yīng)進(jìn)行漿液改良。

現(xiàn)場注漿材料:

(1)注漿水泥為華新水泥廠出產(chǎn)的P.O32.5普通硅酸鹽水泥;

(2)注漿用的尾砂取自礦尾砂庫;

(3)水玻璃選用模數(shù)為2.4～3.0，濃度為30～45波美度。

所用水泥、水玻璃每批進(jìn)場均有出廠合格證和檢驗分析報告，且水泥每500t送檢驗樣一次，均檢驗合格。

對實際使用的尾砂取樣檢測，檢測結(jié)果見表1。

根據(jù)檢測結(jié)果得到的粒徑級配累積曲線見圖1。

表1 尾礦砂檢測結(jié)果

圖1 顆粒級配累積曲線

采用內(nèi)插法分別求出:d30=0.27，d10=0.07，d60/d10=0.6/0.07=8.57＞5，/(d60×d10)=1.74。由此可見，所使用尾砂顆粒級配不均勻。由于尾砂顆粒級配不均勻，導(dǎo)致漿液的懸浮性差，造成漿液沉淀過快，堵管頻繁。因此應(yīng)針對尾砂材料不適用進(jìn)行漿液改良。

2 改良漿液

2.1 改良方法

對于尾砂材料的不適用，提出3條解決對策:一是更換尾砂品種，從別處購買級配良好的尾砂;二是在水泥尾砂漿中添加粘土漿制成粘土砂漿;三是采用不易堵管的化學(xué)漿液。

若外購尾砂，需要定期對尾砂檢驗，并進(jìn)行篩選，另一方面尾砂使用量大，購買會增加成本，購買價為13元/t，大概需要40000t尾砂，則需約520000元?；瘜W(xué)漿液成本很高，材料加施工費約7000元/t，且配套的高壓泵一臺約250000元，經(jīng)濟(jì)上不劃算。若添加粘土改良，只需在原有工藝上增加粘土攪拌系統(tǒng)，而添加粘土攪拌系統(tǒng)費用不超過50000元。綜合考慮上述因素，最終確定，在水泥尾砂漿中添加粘土漿制成粘土砂漿。

2.2 漿液最佳配比

2.2.1 計算漿液配比

將礦方提供的粘土材料試樣送檢，測得粘土的比重為2.76。根據(jù)測得的粘土比重計算各種漿液配比見表2～表4。

表2 水泥粘土砂漿配比(粘土占5%)

表3 水泥粘土砂漿配比(粘土占10%)

表4 水泥粘土砂漿配比(粘土占15%)

2.2.2 正交試驗

在尾砂漿中添加粘土提高了漿液的懸浮性和流動性，但添加比例要綜合考慮沉淀速度、漿液擴(kuò)散半徑多方面因素，經(jīng)咨詢相關(guān)專家，并調(diào)查分析以往類似項目的施工經(jīng)驗，最終確定以凝膠時間t作為考核指標(biāo)進(jìn)行正交試驗，在40min＜t＜60min的指標(biāo)范圍確定最佳配比。正交試驗水平因素見表5。試驗結(jié)果見表6。

表5 正交試驗水平因素

表6 正交試驗

根據(jù)極差R的大小，因素重要程度的次序是B→A→C。

直觀的看，第2號試驗結(jié)果最好，凝膠時間為45.7min，其參數(shù)組合為A2B1C1。位級之和越小越好，可以看出，最好的參數(shù)組合是A1B1C1。從趨勢圖(圖2)上來看，各因素均有潛力可挖，但若繼續(xù)降低水固比和增加灰∶(砂粘)的濃度，會增加制漿難度和輸送難度，造成施工成本增加，因此對水固比和灰∶(砂粘)兩個因素繼續(xù)做對比試驗。接著對水固比均為0.6∶1，灰∶(砂粘)均為1∶1，粘土漿與漿液體積比分別為5%，10%的漿液做流動性對比試驗，發(fā)現(xiàn)粘土漿體積占10%的漿液更適合現(xiàn)場輸送要求。

通過對實驗過程及數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為方案2(A2B1C1)已經(jīng)接近整體性能的最優(yōu)化，考慮各因素的重要程度，選取最佳組合為B1A2C1，即:漿液水固比為0.6∶1;粘土漿與漿液體積比10%;灰∶(砂粘)為1∶1。

圖2 正交試驗趨勢分析

3 粘土攪拌系統(tǒng)

選好場地，配齊設(shè)備后現(xiàn)場搭建好粘土漿攪拌系統(tǒng)，包括修建粘土漿蓄漿池。

由于粘土粘性較尾砂大，普通攪拌機(jī)不能滿足要求。普通攪拌機(jī)攪拌好一桶粘土漿需要50min，而實際要求為30min。通過咨詢，從廣西探礦機(jī)械廠購回兩臺高速攪拌機(jī)，該攪拌機(jī)的特點是轉(zhuǎn)速高(750轉(zhuǎn)/min)，漿液形成旋流，攪拌好一桶粘土漿只需20min左右，能滿足施工要求。

完善好粘土攪拌系統(tǒng)后，現(xiàn)場根據(jù)正交試驗確定的最佳級配改良漿液，注入水泥粘土砂漿。漿液改良后，堵管頻率降低明顯，由原來的輸送50m3漿液平均堵管3次變?yōu)閹缀醪欢鹿?，堵管頻繁的問題得到了較好的解決。

4 質(zhì)量分析

漿液改良后，解決了漿液輸送過程中堵管頻繁的問題，避免了注漿不連續(xù)對注漿質(zhì)量造成的不利影響，保障了注漿效果。將從鉆孔內(nèi)取出的結(jié)石體養(yǎng)護(hù)后送試驗室做抗壓強(qiáng)度試驗，結(jié)果均滿足設(shè)計要求，見表7。

表7 結(jié)石體抗壓強(qiáng)度試驗

5 結(jié)論

(1)在水泥尾砂漿中添加粘土漿制成水泥粘土砂漿，解決了漿液輸送過程中堵管頻繁的問題，能大大縮短帷幕注漿施工工期，節(jié)約工程造價，取得了很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

(2)為了提高漿液的懸浮性，降低堵管率，在漿液改良過程中，漿液最佳配比(水固比、粘土漿占漿液的體積比、灰砂比等)的選擇應(yīng)參考相似工程的經(jīng)驗，并結(jié)合實際施工條件做試驗，同時要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、可操作性等。

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2011－07－18)

馮毓華(1969－)，男，湖北孝感人，工程師，主要從事礦山地質(zhì)工作。