溶洞充填用多固相改性粘土膏漿制備工藝及應(yīng)用

高學(xué)通

溶洞充填用多固相改性粘土膏漿制備工藝及應(yīng)用

高學(xué)通1, 2

(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)

在以碳酸鹽巖含水層為主的巖溶礦區(qū)實(shí)施礦山堵水帷幕注漿的工程中，注漿鉆孔常常揭露大型巖溶裂隙或溶洞，為了節(jié)約注漿材料并保證充填效果，一般采用先投放骨料后注漿的方式進(jìn)行治理，但施工效率較低。因此，提出在常規(guī)改性粘土漿液的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加基漿比重，同時(shí)添加結(jié)構(gòu)劑、速凝漿及增稠劑等多種組分，實(shí)現(xiàn)了以改性粘土膏狀漿液攜帶多種骨料進(jìn)行溶洞充填的制漿灌注工藝，投料和灌漿的同時(shí)施工明顯提升溶洞處治效率，山東某金礦帷幕注漿工程的應(yīng)用證明，該工藝比常規(guī)治理方法效率高，同時(shí)能有效節(jié)約注漿材料，具有保證質(zhì)量和節(jié)約成本的雙重作用。

帷幕注漿;溶洞充填;多固相;改性粘土膏漿

0 引 言

隨著國(guó)家對(duì)礦產(chǎn)資源需求量的增加和礦山開(kāi)采強(qiáng)度的不斷加大，開(kāi)采過(guò)程中由于地下水引起的一系列安全、環(huán)境及水資源保護(hù)等問(wèn)題日益凸顯。目前，國(guó)內(nèi)很多水患礦山采用疏干強(qiáng)排的方式保證開(kāi)采安全，但隨著開(kāi)拓系統(tǒng)的擴(kuò)展，井下涌水點(diǎn)逐漸揭露，礦坑涌水量不斷增加，產(chǎn)生高昂的排水費(fèi)用并且增加開(kāi)采成本，井下安全生產(chǎn)難以有效保障的同時(shí)對(duì)礦區(qū)周邊地下水環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，為了保證生產(chǎn)延續(xù)和可持續(xù)發(fā)展，很多礦山設(shè)計(jì)采用帷幕注漿方案治理礦坑涌水。帷幕注漿技術(shù)在保證井下作業(yè)安全、減少礦山排水運(yùn)行成本和保護(hù)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境方面具有重要作用，已在眾多水患礦山成功實(shí)施并取得良好效果[1-3]。

但是，對(duì)于很多巖溶水患礦山而言，由于礦坑排水的影響，礦區(qū)周邊地下水流速大，一些常規(guī)漿液抗沖蝕效果差，在遇到溶洞和大裂隙時(shí)注漿效果差，漿液浪費(fèi)嚴(yán)重，必須采用孔口投放骨料的方式充填洞體空間，但施工效率低下。賈立維、張俊陽(yáng)等人提出在水泥漿液中加入膨潤(rùn)土、增塑劑和速凝劑制備膏漿用于巖溶裂隙和溶洞充填[4-5]，但成本較高且未能實(shí)現(xiàn)同時(shí)攜帶骨料。為了保證動(dòng)水條件下大型巖溶裂隙的充填注漿效果，減少漿液浪費(fèi)，降低工程成本，在改性粘土漿的基礎(chǔ)上通過(guò)調(diào)整配比，添加多種固相材料，大幅增加漿液稠度和抗沖蝕性能，同時(shí)對(duì)相應(yīng)制漿和注漿設(shè)備工藝進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，形成投料與灌漿同時(shí)進(jìn)行的施工工藝，在工程實(shí)際應(yīng)用中取得良好效果。

1 多固相改性粘土膏漿

多固相改性粘土膏漿是在常規(guī)改性粘土漿液的基礎(chǔ)上改進(jìn)發(fā)展而來(lái)的，其主要成分包括粘土基漿、結(jié)構(gòu)劑、速凝漿、增稠劑以及各類(lèi)骨料。配置改性粘土膏漿應(yīng)選用黏性土，要求其塑性指數(shù)不小于10，粘粒含量不宜低于15%，含砂量不宜大于5%，有機(jī)物含量不宜大于3%，制備的基漿密度不應(yīng)小于1.35 g/cm3；加入結(jié)構(gòu)劑主要起到增加結(jié)石體強(qiáng)度的作用，速凝劑用于縮短漿液的初終凝時(shí)間，增稠劑為了增加漿液的稠度和抗沖蝕性。膏狀漿液中加入的其他固相材料主要分為2種：一種是起到加筋作用，降低漿液在溶洞中的擴(kuò)散距離，提升結(jié)石體的抗沖蝕性能，可以選用木質(zhì)纖維、稻殼或麥秸等材料；另一種是起到骨架作用，主要目的是充填溶洞空間，增強(qiáng)結(jié)石體的強(qiáng)度，可以選用石子、河砂等骨料，改形粘土膏漿形態(tài)見(jiàn)圖1。

多固相改性粘土膏漿較常規(guī)改性粘土漿性能有顯著提升，其初凝時(shí)間可由10 h以上縮短至3~ 4 h，而結(jié)石體單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)3 MPa以上，而漿液的塑性強(qiáng)度增長(zhǎng)速率更是優(yōu)于普通改性粘土漿（見(jiàn)圖2），證明該類(lèi)型漿液在相同條件下強(qiáng)度增長(zhǎng)快，具有更好地抵抗地下水沖蝕的特征。

圖1 改性粘土膏漿形態(tài)

圖2 漿液塑性強(qiáng)度測(cè)試曲線圖

2 漿液制備工藝

多固相改性粘土膏漿的拌制主要包括基漿的制備和多固相材料的添加兩道主要工序。生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中，針對(duì)漿液的上述特點(diǎn)，通過(guò)反復(fù)改進(jìn)和嘗試，形成較為完善的制備工藝流程，滿足工程施工要求。

2.1 工藝流程

多固相改性粘土膏漿的制備工藝流程見(jiàn)圖3，其中定量給料、聯(lián)合制漿、除砂凈化、基漿存儲(chǔ)環(huán)節(jié)在集中制漿站完成，制備完成并經(jīng)檢測(cè)達(dá)標(biāo)的粘土基漿通過(guò)漿液輸送泵和供漿管路送至注漿施工現(xiàn)場(chǎng)，而孔口加料、強(qiáng)制拌和與充填注漿是在注漿孔附近的二級(jí)注漿站實(shí)施。

圖3 多固相改性粘土膏漿制漿流程

2.2 定量給料

粘土基漿密度是制漿過(guò)程中的主要控制指標(biāo)，根據(jù)進(jìn)場(chǎng)粘土材料性能，專(zhuān)門(mén)加工了粘土定量給料機(jī)，通過(guò)輪式裝載機(jī)上料，由變頻電機(jī)帶動(dòng)皮帶下料，過(guò)程中動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)下料速率。下料后的粘土通過(guò)皮帶輸送至聯(lián)合制漿機(jī)，皮帶旁安排專(zhuān)人清除土中混入的雜質(zhì)。

2.3 聯(lián)合制漿

粘土基漿制備采用聯(lián)合制漿機(jī)，制漿機(jī)入料的同時(shí)由變頻器控制變頻水泵根據(jù)土料加入量進(jìn)行供水，上水效率為20~60 m3/h，制漿過(guò)程中安排專(zhuān)人觀察出漿口漿液狀態(tài)，根據(jù)土料輸送情況控制水泵供水量。

2.4 除砂凈化

因多數(shù)粘土中均含有砂石雜質(zhì)，由粘土聯(lián)合制漿機(jī)制備的粗漿需要進(jìn)行除砂凈化處理。本工藝采用2道除砂設(shè)備，即振動(dòng)篩配合泥漿凈化機(jī)去除粗漿中的砂石顆粒。振動(dòng)篩篩網(wǎng)設(shè)置為32目，可過(guò)濾掉粗砂粒徑以上的砂礫雜質(zhì)；凈化機(jī)利用旋流除砂原理，并結(jié)合60目振動(dòng)篩，去除原漿中剩余的中、細(xì)砂雜質(zhì)。

2.5 基漿儲(chǔ)存與輸送

凈化后的粘土基漿儲(chǔ)存于基漿池中（見(jiàn)圖4），池中設(shè)置循環(huán)泵防止?jié){液離析沉淀，同時(shí)配備密度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基漿密度，現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)采用循環(huán)泵輸送至二級(jí)注漿站。

圖4 基漿儲(chǔ)存池

2.6 膏漿制備與充填注漿

由于該種漿液稠度大、粘性高，在管道內(nèi)阻力較大，不適于長(zhǎng)距離輸送灌注，宜在注漿孔附近設(shè)置二級(jí)注漿站，攪拌充填設(shè)備選用一體式攪拌充填泵進(jìn)行制漿和注漿施工。制漿時(shí)首先向攪拌機(jī)內(nèi)放入一定量粘土基漿，然后泵送液體類(lèi)添加劑材料，同時(shí)依靠提升料斗加入固體材料，所有材料添加到位后攪拌時(shí)間不得低于40 s。注漿時(shí)泵管與孔口管采用法蘭活動(dòng)連接，依靠充填泵脈沖灌注的方式將膏狀漿液擠壓推入注漿孔內(nèi)溶洞空間中。

3 工程應(yīng)用情況

山東某金礦為隱爆侵入角礫巖型金礦床，礦體圍巖為巨厚的碳酸鹽地層（寒武系和奧陶系石灰?guī)r、白云巖地層），巖溶裂隙發(fā)育，地下水補(bǔ)給來(lái)源充沛，加之礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育，為地下水的徑流創(chuàng)造極為有利的條件，據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2016年礦山豐水期最大礦坑涌水量達(dá)到12萬(wàn)m3。為了治理礦坑涌水，保證井下采礦活動(dòng)安全，降低排水運(yùn)行費(fèi)用，礦山設(shè)計(jì)采用帷幕注漿技術(shù)對(duì)礦坑主要導(dǎo)水通道進(jìn)行封堵治理。

在工程實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)礦區(qū)主要導(dǎo)水通道附近受礦坑排水疏干影響，地下水位較低，上部設(shè)計(jì)注漿段揭露了大量導(dǎo)水但不含水的溶洞，洞高為0.3~6.0 m，工程實(shí)施前期采用常規(guī)的改性粘土漿配合單液水泥漿對(duì)溶洞進(jìn)行充填灌注，發(fā)現(xiàn)漿液消耗量較大，擴(kuò)散范圍難以有效控制。通過(guò)后期改用多固相改性粘土膏漿進(jìn)行灌注，平均每個(gè)溶洞間歇灌注3~4次即可達(dá)到設(shè)計(jì)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，平均單洞充填注漿量約140 m3，相比常規(guī)漿液節(jié)省注漿材料約40%。充填結(jié)束后的孔壁經(jīng)壓水驗(yàn)證和反復(fù)掃孔，井下電視探測(cè)發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)充填結(jié)石體依然飽滿牢固，滿足設(shè)計(jì)要求（見(jiàn)圖5）。

4 結(jié) 論

（1）本文所述及的多固相改性粘土水泥膏漿充填注漿工藝?yán)酶男哉惩粮酀{加入多種固相材料，實(shí)現(xiàn)了溶洞內(nèi)骨料投放和注漿固結(jié)雙重作用成本低效率高，設(shè)備操作簡(jiǎn)便合理，具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。，

圖5 Z77注漿孔溶洞充填前后效果對(duì)比

（2）多固相膏漿制備選用的主要材料是場(chǎng)區(qū)周邊易獲取的粘性土和多種廉價(jià)惰性骨料，實(shí)現(xiàn)了礦山帷幕注漿漿液選材的因地制宜和綠色施工，但由于非工業(yè)成品材料的差異性，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需針對(duì)進(jìn)場(chǎng)材料的實(shí)際性能進(jìn)行工藝優(yōu)化。

[1] 盧 萍,侯克鵬.帷幕注漿技術(shù)在礦山治水中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].現(xiàn)代礦業(yè),2010(3):21-24.

[2] 蔣鵬飛,于同超,高廣峰.帷幕注漿工藝在大水礦山中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè),2010(6):118-120.

[3] 賈偉杰.小曲率側(cè)鉆工藝在礦山帷幕注漿中的應(yīng)用研究[J].采礦技術(shù),2019,19(4):84-86.

[4] 賈立維,高 強(qiáng),熊 穎.膏狀漿液灌漿在構(gòu)皮灘水電站溶洞處理中的應(yīng)用[J].貴州水力發(fā)電,2010,24(2):28-32.

[5] 張俊陽(yáng).巖溶地區(qū)防滲帷幕膏狀漿液灌注施工技術(shù)[J].水電與新能源,2013(4):18-20.

(2019-07-27)

高學(xué)通(1985—)，男，河北滄州人，高級(jí)工程師，工學(xué)碩士學(xué)位，主要從事礦山防治水技術(shù)方面的研究工作，Email: gaoxtcumt@qq.com。