水泥-紅黏土注漿堵水性能試驗及現場應用研究

王新振,侯克鵬*,孫華芬,者亞雷,李 睿,馬勝杰

(1.昆明理工大學 國土資源工程學院,云南 昆明 650093;2.云南省中-德藍色礦山與特殊地下空間開發利用重點實驗室,云南 昆明 650093)

我國大水礦床開采受地下水影響較大,采用單一抽排水方式進行積水治理不僅費用高,在施工過程中存在安全隱患,大量抽水將會破壞地下水動態平衡,將會導致生態環境受到影響。因此,注漿技術已成為礦山水患治理的重要手段之一。

注漿材料是注漿技術關鍵的組成部分,注漿材料的選取及摻量對防滲堵水效果有較大影響,其中水泥材料被普遍使用,普通水泥單漿液等傳統注漿材料對水泥消耗量太大,不利于社會可持續發展[1]。趙忠杰[2]研究的黏土-水泥漿液可注性較強,抗滲堵水效果明顯;在一些特性指標達到或超過了單液水泥性能。黏土-水泥漿液具有良好的穩定性、分散性和觸變性;黏土礦物顆粒細微,保證了漿液的較強可注性能。苗賀朝等[3]以正交試驗為基礎分析了粉煤灰基材料的特性,使用綜合平衡法篩選出最佳配比,漿液性能指標好,注漿施工得到滿足,0.8∶1的水固比,3∶7的固相比,2%的激發劑含量,注漿作業溫度大于 15 ℃。谷天峰等[4]研究了水泥-黃土漿液,隨著黃土摻量增加,黏度與結石率均減小,析水率變大、凝結時間變長。劉杰等[5]分析了不同的水固比黏土水泥漿。水固比較大時,漿液符合牛頓流體,黏度穩定;水固比較小時,漿液符合賓漢流體,黏度先增大后穩定不變。夏沖等[6]研究了水泥粉煤灰-改性水玻璃材料,當改性水玻璃體積增大時,初凝時間變長,終凝時間正好相反。費子豪等[7]研究了在水泥漿中加入膨潤土,水固比一定時,膨潤土摻量上升,漿液流動度下降。SHA等[8]研制出黏土-水泥復合注漿材料,具有更快的凝膠時間、更低的泌水率和體積收縮率、更大的初始黏度,而且降低了工程成本和環境污染。CUI[9]等研制的富水粉質細砂地層的高性能注漿材料有凝固時間可調、耐久性高等特點。張毅等[10]利用紅黏土棄渣合成了一種注漿材料,該材料泌水率低、流動度高、綠色環保并且成本較低。由以上說明,注漿漿液初始黏度低、析水率低及結石率高等優良性能是研究發展方向,通過更合理的配比盡可能彌補注漿漿液的不足,以期產生更好的注漿效果。

傳統水泥注漿材料存在注漿成本較高,結石率低,凝結時間長等問題。通過試驗,研究了不同配比條件下水泥-紅黏土材料的析水率性能、結石率性能、流動性能、黏度性能及凝結時間性能,并結合現場注漿試驗,對成本問題及封堵效果進行研究,以期為類似注漿工程應用提供一定參考。

1 試驗儀器材料和配比方案

1.1 試驗儀器及材料

試驗儀器主要有電子秤、懸臂式攪拌機、維卡儀、篩網、量杯、量筒、計時器、溫度計、ZNN-D6B六速旋轉黏度計、1 000 mm×1 000 mm高度及水平可調節的擴展度流動儀、截錐圓模(上口直徑36 mm、下口直徑60 mm、高度60 mm)及透明尺等。水泥:普通P·O42.5硅酸鹽水泥,符合GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求;紅黏土各物質質量分數見表1,燒失量為9.71%。

表1 紅黏土各物質質量分數Tab.1 Mass fraction of each substance in red clay

1.2 試驗配比方案

水泥-紅黏土漿液配比方案如表2所示,水固比為水的質量與紅黏土和水泥的總質量之比,mR∶mC為紅黏土質量與水泥質量之比。

表2 試驗配比Tab.2 Test ratio

表3 水泥-紅黏土漿液初凝與終凝時間下降率Tab.3 Decrease rate of initial and final setting time of cement-red clay grout

2 水泥-紅黏土漿液基本性能分析

2.1 析水率性能分析

析水率代表漿液在穩定時,各材料因沉降而析出水的比率,它主要代表漿液穩定性能[11]。ZHANG等[12]研制了一種新型黏土-水泥復合注漿材料,與水泥漿液相比,該漿液具有較快凝結時間、低析水率及初始粘度大等優點。析水率過高會導致材料分層明顯,導致漿液不達標,注漿封堵效果差。水固比為0.6、0.8、1、2、5時,漿液析水率變化曲線如圖1所示。

圖1 水泥-紅黏土漿液析水率變化Fig.1 Change of water separation rate of cement-red clay grout

如圖1可知,當紅黏土摻量一定時,隨著水固比的增加,漿液析水率不斷增加。水固比由0.6變化到2時,析水率呈線性增加趨勢且析水率增加速率較快,在水固比為2時出現拐點,水固比大于2時,析水率上升趨勢緩慢。

紅黏土摻量由0變化到50%時,水固比為0.8,漿液析水率下降70%;水固比為1,析水率下降22%;水固比為2,析水率下降12%;水固比為5,析水率下降6%。水固比為0.8,隨著紅黏土摻量的增加,漿液析水率逐漸下降,且與其他水固比相比下降幅度更為顯著。

綜上所述,在紅黏土摻量一定時,漿液析水率隨水固比的增大而增大;水固比范圍在0.6～0.8時,析水率變化幅度較小,漿液較穩定;水固比在0.8～5范圍內一定時,隨著紅黏土摻量的增加,漿液析水率呈不斷下降趨勢;在水固比大于1時,漿液析水分層嚴重,沉降較快,漿液不穩定,注漿效果較差。

2.2 結石率性能分析

結石率是結石體體積與注漿漿液體積之比,結石率對裂隙封堵有重要作用,結石率過大易造成裂隙擴張,過小封堵效果較差,較高的結石率充填縫隙效果較好,可明顯提高堵水效果,因此,合理的結石率至關重要。

如圖2可知,當紅黏土摻量一定時,隨著水固比的增加,水泥-紅黏土漿液結石率不斷降低。當紅黏土摻量為50%時,水固比在0.6處漿液黏度大,析水率低,結石率高;水固比為0.8時,紅黏土摻量小于20%,漿液結石率達到80%以上,紅黏土摻量大于20%時,漿液結石率達到90%以上。水固比在0.8～5之間一定時,隨著紅黏土摻量的增加,漿液結石率不斷增加。紅黏土摻量由0變化到50%時,水固比為0.8,漿液結石率增長14%;水固比為1,結石率增長9%;水固比為2,結石率增長1%;水固比為5,結石率增長3%。水固比為0.8,紅黏土摻量為50%時,漿液結石率大于95%。

圖2 水泥-紅黏土漿液結石率變化Fig.2 Change of stone rate in cement-red clay slurry

綜上所述,在紅黏土摻量一定時,漿液結石率隨水固比的增加而降低。相同水固比時,水泥漿液中加入紅黏土,漿液結石率整體呈不斷上升趨勢;水固比范圍在0.6～0.8時,漿液結石率較高。因此,可以合理調整漿液配合比及紅黏土摻量來控制漿液結石率。

2.3 流動性能分析

流動性能對漿液可注性有較大影響,研究漿液流動性具有現實意義。漿液擴散受流動性影響很大[13],通過凈漿流動度試模與流動儀測定漿液在不同配比情況下的流動度值,以多次試驗測定的平均值作為流動度值,其中,每組試驗取值時,取兩個相互垂直的最大直徑,求出平均值,研究漿液流動度變化情況。

由圖3可知,水固比在0.6～2范圍內,當紅黏土摻量一定時,隨著水固比增加,水泥-紅黏土漿液流動速度逐漸增加。水固比在2～5范圍內時,漿液流動度趨于平緩,變化幅度較小,這是由于水含量增加,各材料內部微小顆粒范圍更大,析水率較大且析水速率較快,漿液在一定范圍內不再流動,此時漿液中的水分緩慢向四周擴散。

圖3 水泥-紅黏土漿液流動度變化Fig.3 Variation of slurry fluidity of cement-red clay

水固比在0.6～1范圍內一定時,紅黏土摻量由0變化到50%,漿液流動度總體呈微弱下降趨勢。當水固比在1～5范圍內一定時,隨著紅黏土摻量由0變化到50%,水泥-紅黏土漿流動度變化較小,這是由于漿液析水分層現象嚴重,析水較快,導致自由水往外擴散,漿液顆粒擴散范圍小。當紅黏土摻量由0變化到50%時,水固比為1,漿液流動度下降7%,水固比為2,漿液流動度下降1%;水固比為5,漿液流動度下降2%。說明在低水固比時,紅黏土吸收部分自由水,導致漿液流動性減弱,水固比增加時,紅黏土對漿液流動度影響變小。

綜上所述,當紅黏土摻量一定時,水固比在0.6～2范圍內增加,漿液流動度隨之升高;水固比大于0.6時,摻入紅黏土的漿液流動度與純水泥漿液接近,水固比在0.6～0.8范圍內,紅黏土摻量由10%增加到50%時,水泥-紅黏土漿液流動度下降;水固比在1～5范圍內,紅黏土摻量的增加漿液流動度變化較小。因此,在工程中可以適當調整材料的比例達到增加流動度的目的。

2.4 黏度性能分析

注漿漿液的黏度是注漿的重要指標之一。漿液黏度過大時,結實體易出現空腔現象[14],初始黏度不能過高,合理的漿液黏度對注漿漿液的利用率提升明顯[15]。利用ZNN-D6B六速旋轉黏度計研究漿液在不同配比下的黏度變化規律,通過ZNN-D6B六速旋轉黏度計的讀數來判定其黏度值。

由圖4可知,當紅黏土摻量一定,水固比由0.6變化到2時,漿液黏度不斷降低。水固比在2～5范圍內,由于析水率過高漿液黏度趨于平緩。

圖4 水泥-紅黏土漿液黏度變化Fig.4 Viscosity variation of cement-red clay grout

水固比在0.6～2范圍內,紅黏土摻量由10%變化到50%時,漿液黏度不斷增加,而摻量為50%時,漿液黏度恒大于其他摻量。紅黏土摻量由10%變化到50%時,水固比為0.6,漿液黏度增長78%;水固比為0.8,漿液黏度增長51%;水固比為1,黏度增長28%。水固比為0.6,紅黏土摻量為50%時,漿液黏度值過大。水固比大于2時,漿液黏度趨近于0,這是由于漿液析水率大,材料分子間吸附力差,黏度減小。

綜上所述,水固比在0.6～2范圍內,當紅黏土摻量一定時,漿液黏度隨著水固比增加而降低。水固比范圍在0.6～2范圍內一定時,紅黏土摻量為10%～50%,漿液黏度與紅黏土摻量呈正相關。

2.5 凝結時間性能分析

注漿施工中控制漿液的凝結時間至關重要,在動水作用下較短的凝結時間可有效對地層進行防滲封堵,為防止漿液被水流稀釋或沖刷,凝結時間不易過長。普通硅酸鹽水泥凝結時間太長[16],而凝結時間過短對漿液輸送有影響。

由圖5和圖6可知,當紅黏土摻量一定時,水固比由0.6增加到2,水泥-紅黏土漿液初凝與終凝時間不斷升高;水固比由2增加到5,水泥-紅黏土漿液初凝與終凝時間變化趨勢較小。水固比由2變化到5凝結時間增加不明顯,是因為漿液在該范圍內析水率高,黏度低,沉淀較快,導致凝結時間無明顯增加。水固比在0.6到5范圍內,紅黏土摻量由0變化到50%時,漿液初凝與終凝結時間不斷降低,由表可知3,水泥-紅黏土漿液凝結時間與紅黏土摻量呈負相關。

圖5 水泥-紅黏土漿液初凝時間Fig.5 Initial setting time of cement-red clay grout

圖6 水泥-紅黏土漿液終凝時間Fig.6 Final setting time of cement-red clay grout

綜上所述,水固比范圍為0.6～2,當紅黏土摻量一定時漿液凝結時間隨水固比的增加而增加,水固比一定時,水泥漿液中加入紅黏土使漿液黏度增加,以致漿液凝結時間降低,水泥-紅黏土漿液固化時間低于純水泥漿液固化時間,與傳統漿液相比,固化反應時間更容易控制。因此,可以合理控制漿液的凝結時間。

3 工程應用

3.1 工程概況

某露天礦礦坑涌水量大,在東北角二疊系下統茅口組、棲霞組巖溶水含水層,巖性為虎斑狀灰巖及白云質灰巖,分水嶺以北寒武系下統梅樹村組大海段至震旦系上統燈影組巖溶水含水層,白云巖、含磷白云巖及磷塊巖為主要巖性,涌水量較強,在礦區開展試驗段,形成連續墻,鉆孔深度標準為60 m,由于長期積水作用,礦體穩定性受到較大影響。抽水量過大極易破壞地下水動態平衡,并且抽水費用太高,采礦成本增大。

3.2 結果分析

采用水固比為0.8,紅黏土摻量為50%的水泥-紅黏土漿液以注漿法對試驗段進行封堵,通過物探、壓水試驗等對試驗段進行分析,并觀察水位變化情況,按注漿順序分為Ⅰ序孔、Ⅱ序孔和Ⅲ序孔。由圖7可知,每個孔序的平均單注量逐漸減少,Ⅱ序孔平均單注量相比于Ⅰ序孔下降31%;Ⅲ序孔平均單注量和Ⅱ序孔比較下降為52%。說明地層被逐漸填充密實,封堵效果良好。3個孔序的每米平均注入量為426 kg,摻入50%紅黏土的漿液,每米注入量相比于純水泥注漿,水泥用量約減少213 kg,節約了水泥用量,而紅黏土取材方便,大大降低了材料成本。

圖7 平均單注量 圖8 注漿孔透水率Fig.7 Average injection volume Fig.8 Water permeability of grouting hole

如圖8所示,試驗段不同注漿孔序透水率表現為逐級降低的趨勢,且降低幅度明顯,Ⅱ序孔與Ⅰ序孔相比減少41%,Ⅲ序孔與Ⅱ序孔相比減少69%,Ⅲ序孔與Ⅰ序孔相比減少82%。注漿后檢查孔平均透水率為3.52 Lu,屬于弱透水性質,并且帷幕形成后改變了附近區域地表徑流條件,如圖9所示,有效攔截了涌水通道,溝渠干涸,說明注漿防滲效果較好。

注漿前出水量 注漿后出水量圖9 礦坑出水量對比Fig.9 Comparison of mine water output

4 結論

本文通過試驗,研究了不同水固比及紅黏土摻量條件下,水泥-紅黏土漿液的注漿特性,并在大水露天礦山開展現場注漿工業試驗對堵水效果進行分析,得到以下結論:

1)水固比范圍在0.6～0.8之間時,漿液析水率較低,結石率較高。在水固比一定時,隨著紅黏土摻量的增加,漿液析水率降低,結石率提高,即穩定性能逐漸增強。

2)紅黏土的摻入會減弱漿液的流動度。水固比范圍在0.6～1之間一定,且紅黏土摻量在10%～50%時,漿液黏度與紅黏土摻量呈正相關。

3)在水固比一定時,漿液凝結時間與紅黏土摻量呈負相關,紅黏土的摻入能夠有效降低漿液凝結時間,有利于在動水條件下的沉積留存,提高裂隙封堵效果。

4)通過不同配比試驗得出,水泥-紅黏土漿液中紅黏土摻量為50%,水固比為0.8時,效果較優,流動度強,初始黏度低,凝結時間較短,結石率可達95%以上。在工程應用中,單孔每米注漿約減少213 kg水泥用量,大大減小水泥用量,降低成本,并且防滲封堵效果好,能夠滿足礦山注漿堵水需求。