用于巖溶動(dòng)水注漿的泡沫尾砂漿試驗(yàn)研究

歐陽(yáng)仕元，杜向紅

（中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅礦，廣東韶關(guān)512325）

用于巖溶動(dòng)水注漿的泡沫尾砂漿試驗(yàn)研究

歐陽(yáng)仕元，杜向紅

（中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅礦，廣東韶關(guān)512325）

為解決巖溶動(dòng)水環(huán)境注漿情況下高濃度尾砂漿輸送困難、易離析、結(jié)石率低、堵水效果差等問(wèn)題，通過(guò)試驗(yàn)研究，配制一種新型注漿材料—泡沫尾砂漿。該材料具有抗沖刷能力強(qiáng)、初凝時(shí)間短、結(jié)石率高、抗壓強(qiáng)度大、性能穩(wěn)定、適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)化選擇最佳配比參數(shù)的泡沫尾砂漿適合于巖溶動(dòng)水條件下的注漿要求。

巖溶動(dòng)水；泡沫尾砂漿；注漿；可塑劑；優(yōu)化配制

某礦巖溶動(dòng)水條件下帷幕注漿施工，需要漿材具有較強(qiáng)的抗沖刷能力和有效的穩(wěn)定性。普通尾砂漿在動(dòng)水條件下灌注時(shí)，漿液易離析［1］，水泥膠質(zhì)成分易流失，結(jié)石率［2-3］低，注漿效果較差；且濃度較高時(shí)輸送困難，易堵管。因此，在漿液制備過(guò)程中，先加入泡沫制成泡沫砂漿［4-5］，再加入一種化學(xué)凝膠材料——可塑劑［6］，經(jīng)充分?jǐn)嚢杌旌?，形成一種“果凍”狀膏體型材料——泡沫尾砂漿，有效地解決了上述問(wèn)題。在試驗(yàn)室模擬注漿條件，對(duì)泡沫尾砂漿進(jìn)行抗沖刷能力和其它適應(yīng)性參數(shù)測(cè)試，從不同配合比［4］漿液中找出最佳配比類型，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工藝試驗(yàn)，根據(jù)注漿效果對(duì)配比進(jìn)行修正，使所選的泡沫尾砂漿滿足動(dòng)水注漿要求。

1 泡沫尾砂漿制備與性狀試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)對(duì)泡沫尾砂漿加入可塑劑成分形成“果凍”狀膏體的不同性狀進(jìn)行試驗(yàn)研究。確定攪拌中的泡沫尾砂漿加入可塑劑后，能否在短時(shí)間（1min）內(nèi)使流動(dòng)狀變成可塑狀膏體，以及膏體在水中離析情況和在動(dòng)力水作用下的堵水效果。

1.2 制備過(guò)程與試驗(yàn)方法

按照配合比依次稱量尾砂、水泥、水，混合攪拌約2～3min，均勻后加入氣泡充分?jǐn)嚢琛Ｓ眯⊥笆⒀b倒至面板上和水中，觀察其形態(tài)變化。

稱量可塑劑，并用少量水將其稀釋形成溶液；將可塑劑溶液倒入上述攪拌好的泡沫尾砂漿中，立即攪拌，并開始計(jì)時(shí)，1min后停止攪拌，泡沫尾砂漿制備完成。此時(shí)測(cè)量其流動(dòng)值［7］，觀察其形成可塑狀膏體過(guò)程，并將膏體放入水中觀察是否產(chǎn)生離析現(xiàn)象。

1.3 試驗(yàn)主材選擇及漿液材料含量

1.3.1 試驗(yàn)主材

主材選擇如下：

水泥：選用普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)P.O.42.5，3 d抗壓強(qiáng)度24MPa。

尾砂：選用礦山選礦經(jīng)旋流分離后的分級(jí)尾砂［6］，粒徑10～100μm，密度2.74g/cm3。

泡沫：通過(guò)專用發(fā)泡材料（液體，pH值6.0）和發(fā)泡設(shè)備生成［8］，體重50g/L。

可塑劑：一種減水凝膠材料，共選擇4種類型，按制備順序編號(hào)為1＃、2＃、3＃、4＃，其中4?？伤軇┌珹、B、C三型。1＃、2＃、3?？伤軇┟芏?.36g/cm3，液體，呈強(qiáng)酸性，pH值2～3。4＃可塑劑密度3.45g/cm3，粉沫狀固體，呈強(qiáng)堿性，pH值11.0～12.0。

1.3.2 材料含量

按1m3泡沫尾砂漿計(jì)量材料。其中：水泥301.8kg；尾砂1 019.6kg；清水200kg；氣泡率20%；可塑劑1%～5%。

1.4 性狀試驗(yàn)結(jié)果

不加可塑劑時(shí)，泡沫尾砂漿實(shí)測(cè)濕密度1 611 kg/m3，實(shí)測(cè)流值174mm，在水中有離散現(xiàn)象（圖1）。加入可塑劑時(shí)，漿體可堆立，呈“果凍”狀，表面富有彈性，無(wú)坍塌跡象，在水中不離析（圖2）?？伤軇┡c漿體中的自由水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成結(jié)晶水，流動(dòng)狀漿液瞬時(shí)變成可塑狀膏體。

圖1 無(wú)可塑劑時(shí)漿體性狀Fig.1 Slurry properties without plasticizer

2 泡沫尾砂漿抗沖刷、初凝及抗壓試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理

泡沫尾砂漿的抗沖刷能力，主要是通過(guò)模擬水流強(qiáng)烈沖刷條件（試驗(yàn)測(cè)定的水流速度為0.865m/s），比較其殘留在模擬槽中砂漿占原始砂漿的百分含量（簡(jiǎn)稱殘留量）。殘留量高則抗沖刷能力好，殘留量低則抗沖刷能力差。綜合砂漿的凝結(jié)時(shí)間等性能，選擇效果最佳配比的泡沫尾砂漿進(jìn)入工業(yè)試驗(yàn)。

圖2 加可塑劑時(shí)漿體性狀Fig.2Slurry properties with plasticizer

采用同種原始砂漿（骨料［9］為分級(jí)尾砂，濃度74%，灰砂比［10］為1∶2，泡沫加入量為20%），可塑劑加入量不同的泡沫尾砂漿進(jìn)行試驗(yàn)。

為便于記錄，將加入1＃、2＃、3＃、4?？伤軇┲瞥傻呐菽采皾{分別編成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號(hào)泡沫尾砂漿。

2.2 簡(jiǎn)易模擬試驗(yàn)設(shè)備

自制一個(gè)一端帶擋板的簡(jiǎn)易木槽（長(zhǎng)170cm、寬18cm、高14cm），帶擋板的一端稍墊高使木槽傾斜，在木槽中放置一些礫石，模擬地下水流動(dòng)速度，用膠管將自來(lái)水從有擋板的一端注入，然后將配置好的料漿緩慢倒入木槽中，待水流沖刷不動(dòng)時(shí)，將木槽中剩余的料漿稱重。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

2.3.1 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號(hào)泡沫尾砂漿試驗(yàn)

2.3.1.1 可塑劑加入量相同

試驗(yàn)表明，可塑劑加入量均為2%時(shí)，I號(hào)泡沫尾砂漿殘留量為0，抗沖刷效果差，在工業(yè)試驗(yàn)中注漿跑漿［10］嚴(yán)重。Ⅱ號(hào)泡沫尾砂漿表觀形成“果凍”狀，在動(dòng)水條件下擴(kuò)散半徑［11-13］小，殘留量較多，初凝時(shí)間［1-3］較長(zhǎng)（表1）。

表1 Ⅰ、Ⅱ號(hào)泡沫尾砂漿試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of the No.Ⅰ，Ⅱfoam tail mortars

2.3.1.2 可塑劑加入量不同

由于Ⅰ號(hào)泡沫尾砂漿不抗沖刷，再試驗(yàn)的意義不大，所以只對(duì)Ⅱ、Ⅲ號(hào)泡沫尾砂漿進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)所用砂漿配比與上述相同（骨料為分級(jí)尾砂，濃度74%，灰砂比為1∶2，泡沫加入量為20%）。試驗(yàn)表明，當(dāng)可塑劑加入量增加時(shí)，泡沫尾砂漿的殘留量增加，初凝時(shí)間變短，流值減小。現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)情況表明注漿效果較好。從初凝時(shí)間和殘留量數(shù)據(jù)可見，Ⅱ號(hào)泡沫尾砂漿可塑劑的最佳加入量為4%～5%（表2）。

表2 Ⅱ號(hào)泡沫尾砂漿試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of the No.Ⅱfoam tail mortar

Ⅲ號(hào)泡沫尾砂漿與Ⅱ號(hào)泡沫尾砂漿相比，砂漿的殘留量和3d抗壓強(qiáng)度比較高，但初凝時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)影響其持續(xù)抗沖刷能力、漿液擴(kuò)散半徑和注漿周期［12-14］，需進(jìn)一步改善，縮短其凝結(jié)時(shí)間（表3）。

表3 Ⅲ號(hào)泡沫尾砂漿試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of No.Ⅲfoam tail mortar

3 Ⅳ號(hào)泡沫尾砂漿試驗(yàn)

為增強(qiáng)泡沫尾砂漿的可注性，提高堵水效果，由第三方精心制備了4?？伤軇?。制備了3種類型，編號(hào)為A、B、C。

4＃可塑劑具有以下特點(diǎn)：

1）為粉末狀物質(zhì)，與液體類可塑劑相比，運(yùn)輸儲(chǔ)存方便。

2）無(wú)氣味。1＃、2＃、3?？伤軇┚休^濃的氣味，而4?？伤軇o(wú)任何氣味。

3）用量少。4?？伤軇┦褂昧繛?.5%～3.0%（砂漿中固體物質(zhì)的百分含量），與前3種可塑劑4%～5%的用量相比，減少近50%。

4）果凍效果明顯。在加入量達(dá)到3%時(shí)，明顯出現(xiàn)果凍效果（圖2）。

由4?？伤軇┡渲频呐菽采皾{統(tǒng)稱為Ⅳ號(hào)泡沫尾砂漿。包括A、B、C三型泡沫尾砂漿。

3.1 ABC三型泡沫尾砂漿試驗(yàn)

為了從A、B、C三種可塑劑中選擇最佳的一種制成泡沫尾砂漿用于注漿工業(yè)試驗(yàn)，對(duì)加入三種可塑劑后制成的泡沫尾砂漿（下稱A型、B型、C型泡沫尾砂漿），從凝結(jié)時(shí)間、抗沖刷能力、3d抗壓強(qiáng)度等主要參數(shù)方面進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，比較的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一為砂漿濃度為74%，泡沫加入量為20%，灰砂比1∶3。

3.1.1 凝結(jié)時(shí)間對(duì)比

凝結(jié)時(shí)間是決定泡沫尾砂漿注漿適應(yīng)性最重要的指標(biāo)之一。試驗(yàn)情況表明，在可塑劑加入量變化時(shí)，C型泡沫尾砂漿的初、終凝時(shí)間比較短，且穩(wěn)定性好，調(diào)節(jié)范圍廣，容易控制。而A、B兩型泡沫尾砂漿初凝時(shí)間變化較大（表4），A型最大相差達(dá)3.5倍，B型最大相差也達(dá)2倍，可控性較差。

表4 A、B、C三型泡沫尾砂漿試驗(yàn)參數(shù)Table 4 Test parameters of the foam tail mortars about A、B and C types

3.1.2 抗沖刷對(duì)比

抗沖刷能力體現(xiàn)在注漿過(guò)程中漿液的結(jié)石率［15］水平。試驗(yàn)表明，A、B、C三型泡沫尾砂漿的抗沖刷能力較強(qiáng)，殘留量百分率較接近，其中B型的稍大，A、C兩型接近（表4）。B型在實(shí)際應(yīng)用中，注漿結(jié)石率也較高。

3.1.3 抗壓強(qiáng)度對(duì)比

漿液的結(jié)石體［9］的抗壓強(qiáng)度體現(xiàn)在帷幕形成后的整體抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，A、B、C三型泡沫尾砂漿3d抗壓強(qiáng)度值比較接近，其中B型稍高（表4）。

3.2 C型不同濃度泡沫尾砂漿試驗(yàn)

從以上試驗(yàn)取得的初凝時(shí)間、抗沖刷能力和結(jié)石體抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)綜合分析判斷，C型泡沫尾砂漿特性穩(wěn)定，適應(yīng)性強(qiáng)，灌注效果較好。因此，有必要進(jìn)一步試驗(yàn)不同濃度漿液的特性參數(shù)。

對(duì)C型泡沫尾砂漿做了6組不同濃度尾砂漿（含灰砂比為1︰2）加入2%和2.5%含量的可塑劑試驗(yàn)，進(jìn)一步確定進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)的參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在漿液濃度不變的情況下，隨著可塑劑含量的增大，漿液的初凝時(shí)間也隨之延長(zhǎng)，3d抗壓強(qiáng)度增大；在可塑劑加入量不變的情況下，隨著漿液濃度的增加，初凝時(shí)間縮短，3d抗壓強(qiáng)度增大。

表5 不同濃度C型泡沫尾砂漿初凝時(shí)間和3d抗壓強(qiáng)度Table 5 Initial setting time and 3-day compressive strength of C type foam tail mortar in different density

4 泡沫尾砂漿選型分析

從上述對(duì)比試驗(yàn)可知，雖然配制的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號(hào)泡沫尾砂漿也有良好的“果凍”狀效果，但其穩(wěn)定性相對(duì)較差。1＃、2＃、3?？伤軇┏蕪?qiáng)酸性，且為液態(tài)，對(duì)設(shè)備設(shè)施具有強(qiáng)烈的腐蝕性，加入時(shí)操作風(fēng)險(xiǎn)性較高。所以，由1＃、2＃、3?？伤軇┡渲频蘑?、Ⅱ、Ⅲ號(hào)泡沫尾砂漿不太適合復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)后予以放棄。

在4?？伤軇┡渲频蘑籼?hào)泡沫尾砂漿中，A、B、C三型泡沫尾砂漿除產(chǎn)生良好的“果凍”性狀外，在水中具有不離析、抗沖刷能力強(qiáng)、結(jié)石率高、抗壓強(qiáng)度大等特性，在現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)時(shí)，高壓灌注后效果也比較理想，檢查孔取得的巖芯也比較理想。但因?qū)嶋H注漿中很難精確控制可塑劑的加入量，故A、B型泡沫尾砂漿會(huì)出現(xiàn)初凝時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的現(xiàn)象，從而影響施工進(jìn)度。C型泡沫尾砂漿不論初凝時(shí)間、3d抗壓強(qiáng)度，還是其穩(wěn)定性，均比較適合動(dòng)水條件灌注需要。因此，優(yōu)先選擇C型泡沫尾砂漿進(jìn)行配制，作為動(dòng)水注漿的主要漿材。

5 結(jié)論

1）泡沫尾砂漿是一種以選礦廢料尾砂、水泥、清水及空氣泡沫為主要原料，加入一定比例的輔助劑——可塑劑混合拌制而成，具有“果凍”狀膏體形態(tài)的新型注漿材料。

2）試驗(yàn)結(jié)果表明，Ⅳ號(hào)泡沫尾砂漿從初凝時(shí)間、抗沖刷、結(jié)石3d強(qiáng)度參數(shù)方面進(jìn)行比較，在動(dòng)水中具有不離析、凝結(jié)時(shí)間短、抗沖刷能力強(qiáng)、3d抗壓強(qiáng)度指標(biāo)高的特點(diǎn)。

3）Ⅳ號(hào)C型泡沫尾砂漿指標(biāo)受可塑劑加入量、漿液濃度的影響較小，具有穩(wěn)定性好、凝結(jié)時(shí)間短的特性，且可塑劑置備和貯運(yùn)方便，所以，C型泡沫尾砂漿是現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)和推廣應(yīng)用的最佳選擇，能滿足巖溶動(dòng)水條件下的注漿技術(shù)要求。

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Experimental study on foam tailings pulp used in karst dynamic water grouting

OUYANG Shiyuan，DU Xianghong
（Fankou Pb-Zn Mine，Zhongjin Lingnan Nonfemet Co.，Ltd.，Shaoguan Guangdong 512325，China）

In order to solve the sand plup transportation difficulties，easy segregation，low rate of stone caking，and poor water plugging effect with the high-density tailings pulp under the condition of karst dynamic water grouting，a new type of grouting materials named foam tailings pulp has been prepared by the experimental study.The material advantages include strong anti-scouring ability，short initial setting time，high rate of stone caking，great compressive strength，stable performance，good adaptability，etc.The best matching parameters of foam tailings pulp has been optimized and selected is suitable for grouting under the condition of karst dynamic water grouting.

karst dynamic water；foam tailings pulp；grouting；plasticizer；optimization of preparation

TD926

Α

1671-4172（2015）03-0053-04

廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合引導(dǎo)項(xiàng)目（2011B090400007）

歐陽(yáng)仕元（1964-），男，高級(jí)工程師，水文地質(zhì)專業(yè)，主要從事礦山防治水、地質(zhì)災(zāi)害防治、地質(zhì)環(huán)境治理、巖土工程、尾礦庫(kù)技術(shù)與管理工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.03.011