礦山治水改性黏土漿高壓固結(jié)機(jī)理研究與應(yīng)用

韓貴雷，賈偉杰

(1.華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021； 2.河北省礦山地下水安全技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050021)

0 引 言

針對于大水礦山，帷幕注漿技術(shù)是解決水患的重要技術(shù)手段之一，隨著我國礦產(chǎn)資源的大量開發(fā)，礦山帷幕注漿技術(shù)應(yīng)用實(shí)例越來越多，且日益成熟[1]。在該技術(shù)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上，2012年，原國土資源部委托有關(guān)單位編制了《礦山帷幕注漿規(guī)范》(DZ/T 0285—2015)(以下簡稱“《規(guī)范》”)，并于2015年頒布實(shí)施?！兑?guī)范》的實(shí)施為進(jìn)一步提高帷幕注漿技術(shù)水平起到了巨大的推動作用。

《規(guī)范》的編制工作是在總結(jié)2012年以前國內(nèi)實(shí)施的帷幕注漿工程實(shí)例的基礎(chǔ)上開展的，但是基于發(fā)展的理念，《規(guī)范》提出帷幕注漿應(yīng)堅(jiān)持因地制宜、綠色環(huán)保的要求[2]。結(jié)合目前國內(nèi)各領(lǐng)域環(huán)保的要求，礦山建設(shè)各環(huán)節(jié)都需要符合節(jié)能減排整體規(guī)劃。在此背景下，2014年以來國內(nèi)實(shí)施的帷幕注漿工程大都采用了綠色環(huán)保的注漿材料，例如：2014年實(shí)施的江銅城門山銅礦帷幕注漿工程采用了湖泥作為主要注漿材料，實(shí)現(xiàn)了廢物利用，達(dá)到了節(jié)約投資的效果[3]；2016年實(shí)施的彝良毛坪礦帷幕注漿工程采用了改性黏土漿液作為主要注漿材料，改善了漿液在地層中的擴(kuò)散性能，注漿效果遠(yuǎn)超預(yù)期[4]。但是無論是城門山的湖泥，還是彝良的黏土，都采用了非成品注漿材料，與傳統(tǒng)工業(yè)成品注漿材料水泥相比，由于其賦存地域、賦存環(huán)境等方面的不同造成上述材料在組成成分、顆粒級配、含水量等方面具有較大的差異，同時由其制成的改性混合漿液在流動性、凝結(jié)時間、結(jié)石率等重要參數(shù)上也各不相同，并且與傳統(tǒng)注漿材料水泥相比其結(jié)石體形成機(jī)理具有明顯不同。鑒于此，華北有色工程勘察院有限公司建設(shè)了專門的注漿材料固結(jié)實(shí)驗(yàn)室，用于開展非工業(yè)成品注漿材料固結(jié)機(jī)理研究，并對注漿工藝進(jìn)行改進(jìn)，用于提高注漿效果。該研究成果不僅為完善帷幕注漿理論體系提供了有效技術(shù)支撐，同時也為國內(nèi)礦山注漿領(lǐng)域開展類似研究提供了借鑒[5]。

1 試驗(yàn)裝置建設(shè)

1.1 裝置建設(shè)目的

目前眾多水患礦山從綠色環(huán)保和經(jīng)濟(jì)合理的角度出發(fā)，在礦山帷幕注漿工程實(shí)施過程中因地制宜地選擇了當(dāng)?shù)刭x存的黏土類非工業(yè)成品材料作為注漿材料，但是由于材料的成分組成、賦存環(huán)境等方面的差異，配比而成的混合漿液性能和固結(jié)機(jī)理與傳統(tǒng)注漿材料存在較大不同。同時由于注漿材料在常壓條件下固結(jié)過程與在承受地壓、靜水壓力以及注漿壓力綜合作用下固結(jié)機(jī)理存在較大差異，進(jìn)而造成注漿施工過程中漿液配比選擇、注漿技術(shù)工藝、漿液擴(kuò)散距離等技術(shù)參數(shù)的確定仍然以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為主，可靠性較差。因此，有必要研究開發(fā)能夠開展注漿材料固結(jié)機(jī)理研究的試驗(yàn)裝置，并且利用該裝置開展一系列注漿材料固結(jié)試驗(yàn)，進(jìn)而揭示注漿漿液固結(jié)機(jī)理，提高帷幕注漿工程領(lǐng)域理論水平，指導(dǎo)注漿工藝改進(jìn)。試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the test device

1.2 裝置組成及功能

高壓注漿固結(jié)試驗(yàn)裝置主要用于高壓條件下注漿材料固結(jié)機(jī)理的研究，該裝置的特點(diǎn)：能夠?qū)崿F(xiàn)對地層滲透性的相似模擬；能夠提供注漿施工過程中地下水壓力環(huán)境，即能夠施加地下水壓力；能夠在無損條件下判斷漿液固結(jié)階段；能夠?qū)崟r記錄試驗(yàn)系統(tǒng)中壓力、流量、電阻等參數(shù)。

根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)注漿工藝，高壓注漿固結(jié)試驗(yàn)裝置主要包括以下幾部分。①輔助系統(tǒng)：漿液進(jìn)入試驗(yàn)系統(tǒng)前的所有輔助設(shè)備包括制漿設(shè)備、注漿泵等。②試驗(yàn)系統(tǒng)：包括能夠模擬地層壓力或者靜水壓力的圍壓倉，能夠在滲透系數(shù)上與地質(zhì)體相似的固結(jié)室。③采集系統(tǒng)：包括排水量采集、圍壓監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、固結(jié)室試件電阻數(shù)據(jù)變化采集等。

根據(jù)無壓條件下的試驗(yàn)結(jié)果，試件固結(jié)狀態(tài)與其電阻率變化存在對應(yīng)關(guān)系，所以通過監(jiān)測試件電阻率可無損監(jiān)測室內(nèi)試件的固結(jié)狀態(tài)。

1.3 裝置參數(shù)

該試驗(yàn)裝置主要組件性能參數(shù)如下。

1) 注漿泵：根據(jù)現(xiàn)場工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，要求其實(shí)現(xiàn)漿液壓力穩(wěn)定及變流量輸送。正常工作壓力0～10 MPa，波動值小于0.5 MPa，流量0～55 L/min自動調(diào)節(jié)，功率5.5 kW。

2) 圍壓倉。圍壓倉為該試驗(yàn)裝置的核心部件，該倉室能夠?qū)崿F(xiàn)對地質(zhì)體地層壓力或者靜水壓力的相似模擬，該組件內(nèi)徑800 mm，高度1 000 mm；工作壓力5 MPa，耐壓試驗(yàn)6.25 MPa，預(yù)留工作接口7個。

3) 試驗(yàn)倉。試驗(yàn)倉是注漿漿液發(fā)生物理化學(xué)作用，固結(jié)形成結(jié)石體的部分，其滲透系數(shù)與模擬地層滲透系數(shù)相似。具體參數(shù)：錐形拉桿錐頭直徑61.04 mm，上部為高26 mm的圓柱，下部為高26 mm的圓臺狀，下部直徑56 mm，傾角5°，拉桿長度130 mm，直徑26 mm。內(nèi)有14 mm圓孔直通錐頭，為漿液或管線出入孔。過濾連接箍長125 mm，外徑89 mm，內(nèi)徑69 mm。表面透水孔間距10 mm，透水孔徑2 mm，過濾連接箍為縱向切割開的兩段。

4) 電阻監(jiān)測裝置。該裝置連接電阻率連續(xù)監(jiān)測儀和傳感器，實(shí)時監(jiān)測漿液的電阻率變化[6]。試驗(yàn)倉錐形拉桿錐頭表面，在距離中心點(diǎn)55 mm的圓周上均勻安裝6～8根3 mm的金屬電極作為負(fù)極，在中心點(diǎn)安裝一根3 mm的電極作為正極。電極與錐形拉桿用密封膠或其他絕緣材料嚴(yán)格絕緣。電源線從拉桿內(nèi)的圓孔內(nèi)出入。

2 改性黏土固結(jié)機(jī)理研究

2.1 研究背景

云南省某鉛鋅礦山采用礦山帷幕注漿技術(shù)治理地下水，該礦區(qū)受多期次構(gòu)造影響，含水層雖然具有節(jié)理發(fā)育、巖體破碎等特點(diǎn)，但是由于節(jié)理裂隙以低張開度裂隙為主，部分治理區(qū)域除局部發(fā)育較明顯斷裂破碎帶導(dǎo)水以外，整體透水性較弱。

該工程注漿鉆孔開孔標(biāo)高+901 m，靜水水位+860 m，注漿孔平均孔深500 m。采用傳統(tǒng)注漿材料水泥漿液注漿后，單位注漿量0.37 m3/m，單位注灰量0.15 t/m，注漿量總體偏小，漿液擴(kuò)散受限，經(jīng)驗(yàn)證本次注漿未形成連續(xù)的堵水帷幕。鑒于此，為保證后期礦山帷幕注漿工程順利實(shí)施，初步計(jì)劃采用改性黏土漿液作為主要注漿材料，在工程正式實(shí)施前采用高壓固結(jié)裝置對漿液固結(jié)機(jī)理進(jìn)行分析研究，并以此改進(jìn)注漿工藝。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)合現(xiàn)場情況，試驗(yàn)條件：①試驗(yàn)?zāi)M水位以下200 m注漿漿液固結(jié)機(jī)理，圍壓設(shè)計(jì)2 MPa，注漿泵壓4 MPa；②電阻測試電壓30 V；③漿液配比：水固比3∶1，固體比1∶2(黏土和水泥)，水玻璃添加量為3%；④黏土材料黏粒含量85.07%，塑性指數(shù)34.1。

測試漿液固結(jié)過程曲線見圖2。改性黏土漿液在高壓注漿環(huán)境中固結(jié)過程可以分為三個階段。

1) Ⅰ階段。此階段物理反應(yīng)是注漿材料含有大量的水分，在高壓注漿過程中大量的水分排出，漿液中離子濃度升高，電阻率成下降趨勢。

化學(xué)反應(yīng)主要是水泥水化反應(yīng)(式(1))和水泥水玻璃化學(xué)反應(yīng)(式(2))。

3CaO·SiO2+nH2O=

2CaO·SiO2(n-1)H2O+Ca(OH)2

(1)

Ca(OH)2+Na2O·nSiO2+mH2O→

CaO·nSiO2·mH2O+2NaOH

(2)

此階段對于試件的電阻率影響以物理反應(yīng)為主。水泥水化、水泥水玻璃反應(yīng)為輔，綜合作用下結(jié)石體形成過程中電阻率緩慢升高，此階段試件電阻率約為18 Ω，需要時間大約為30 min。

圖2 固結(jié)曲線Fig.2 Condensation curve

2) Ⅱ階段。此階段試件成流塑狀態(tài)，試件排水等物理反應(yīng)速度有所減緩，化學(xué)反應(yīng)是水泥水化反應(yīng)和水玻璃與黏土(可視為一種鹽類)發(fā)生離子交換反應(yīng)，見式(3)。即部分鈣黏土轉(zhuǎn)化為鈉黏土。鈉黏土為雙離子，其層狀結(jié)構(gòu)加厚，穩(wěn)定性和懸浮性強(qiáng)，還附帶生成相對穩(wěn)定的硅鈣分子大膠團(tuán)，使原漿很快出現(xiàn)稠化現(xiàn)象。

Ca2+--(Clay--OH)2+Na2O·nSiO2→

2Na--(Clay--OH)2+CaSiO2

(3)

此階段物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)對試件電阻增長影響相互平衡，試件電阻率快速增長，試件電阻率約為65 Ω，需要時間大約為110 min。試件達(dá)到初凝狀態(tài)，失去流動性，是漿液固結(jié)過程中重要的時間節(jié)點(diǎn)。

3) Ⅲ階段。此階段試件在泵壓和圍壓共同作用下，排水過程進(jìn)一步進(jìn)行，水泥水化反應(yīng)及其他化學(xué)反應(yīng)緩慢進(jìn)行，試件電阻率呈緩慢上升趨勢。

針對在高壓固結(jié)裝置中形成的結(jié)石體，通過電鏡掃描對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，電鏡掃描圖見圖3。根據(jù)以往研究成果，純水泥漿液結(jié)石體具有穩(wěn)定的空間框架結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)間存在較大的空隙。而改性黏土漿液中黏土材料黏粒粒徑更小，在高壓條件下固結(jié)，黏土顆粒可以充填純水泥漿液結(jié)石體的框架結(jié)構(gòu)空隙，形成更加穩(wěn)定、孔隙率更小的復(fù)合結(jié)石體。此結(jié)構(gòu)進(jìn)一步驗(yàn)證了改性黏土漿液具有較高結(jié)石率和更弱的透水性特點(diǎn)。

圖3 固結(jié)體電鏡圖像Fig.3 Image of cemented electron microscope

2.3 理論計(jì)算

根據(jù)上述研究成果及以往研究成果，在同等條件下，改性黏土漿液固結(jié)時間為純水泥漿液的2.45倍(純水泥漿液固結(jié)時間一般為45 min)[7-8]。

《規(guī)范》附錄A在漿液擴(kuò)散半徑計(jì)算中針對牛頓流體采用式(4)。

(4)

式中：T為注漿時間，s；其余具體參數(shù)意義可參閱《礦山帷幕注漿規(guī)范》附錄A。

3 工程實(shí)例

根據(jù)高壓固結(jié)注漿試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合實(shí)際地層條件，背景工程第二次注漿試驗(yàn)采用了改性黏土漿液作為主要注漿材料，注漿漿液配比見表1。根據(jù)改性黏土漿液的固結(jié)特點(diǎn)，對工程實(shí)例注漿施工過程中的間歇注漿時間、注漿壓力等參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整，對注漿設(shè)備配置也進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。

改性黏土漿液的結(jié)石體復(fù)合結(jié)構(gòu)形式在工程實(shí)例中也得到了充分驗(yàn)證，改性黏土漿液結(jié)石率測試結(jié)果見表1。測試結(jié)果表明：改性黏土漿液具有較高的結(jié)石率和更弱的透水性，即在注漿過程中改性黏土漿液對裂隙的初次充填率高出傳統(tǒng)純水泥漿液約20%。

表1 改性黏土漿液配比試驗(yàn)Table 1 Ratio test of modified clay slurry

工程實(shí)例采用改性黏土漿液后，地層漿液注入量和固體注入量有明顯的提高，地層注漿量(固體注入量)疊加效應(yīng)分析見表2。表2中第一次工業(yè)注漿試驗(yàn)Ⅰ孔序、Ⅱ孔序鉆孔地層固體注入量之和為298 kg/m，第二次工業(yè)注漿試驗(yàn)Ⅰ孔序、Ⅱ孔序鉆孔地層固體注入量之和為1 000 kg/m，第二次試驗(yàn)注漿量為第一次注漿試驗(yàn)的3.356倍，上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果(3.375倍)相吻合。

表2 注漿量疊加效應(yīng)分析Table 2 Analysis of superposition effect of grouting quantity

4 結(jié) 論

1) 為開展試驗(yàn)研究，建設(shè)了高壓注漿固結(jié)試驗(yàn)裝置，該試驗(yàn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對注漿材料固結(jié)過程的電阻率變化無損監(jiān)測。

2) 利用高壓注漿固結(jié)試驗(yàn)裝置開展的試驗(yàn)研究表明：改性黏土漿液在高壓注漿環(huán)境中的固結(jié)過程可以分為三個階段。

3) 同等條件下，改性黏土漿液固結(jié)初凝時間為110 min左右，為純水泥漿液的2.45倍。

4) 電鏡研究結(jié)果顯示，改性黏土漿液固結(jié)結(jié)構(gòu)為復(fù)合結(jié)構(gòu)。