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粘土改良的尾砂浆液在矿山帷幕注浆中的应用

2011-11-17冯毓华周双燕汪军

采矿技术 2011年6期
关键词:尾砂粘土帷幕

冯毓华,周双燕,汪军

(1.大冶有色金属股份有限公司铜绿山铜铁矿,湖北大冶市435101;2.湖北中南勘察基础工程有限公司,湖北武汉430081)

粘土改良的尾砂浆液在矿山帷幕注浆中的应用

冯毓华1,周双燕2,汪军2

(1.大冶有色金属股份有限公司铜绿山铜铁矿,湖北大冶市435101;2.湖北中南勘察基础工程有限公司,湖北武汉430081)

在鲤泥湖铜铁矿床防治水帷幕注浆工程中,为改善浆液的输送性能,通过在水泥尾砂浆中添加粘土浆来改良浆液,并通过正交试验确定了最佳配比。工程实践表明,该施工技术解决了浆液输送过程中堵管频繁的现象,达到了缩短工期、节约成本的目的,实现了较好的注浆效果。

帷幕注浆;水泥尾砂浆;粘土;输送性能;正交试验;最佳配比

0 前言

鲤泥湖铜铁矿床属水文地质条件复杂的岩溶充水矿床,矿坑主要充水围岩为裂隙溶洞含水层,溶岩发育,富水性强。为了达到堵水、防治水的目的,确保矿山的安全开采,矿方委托湖北中南勘察基础工程有限公司进行防治水帷幕注浆工程。

帷幕轴线全长1016m,共布置128个钻孔,间距为8.0m,平均孔深365m,最深达465m,钻探总进尺43405.00m,设计注浆量127649m3,设计灌注浆液为水泥尾砂浆。

1 浆液改良的原因

由于场地的限制,制浆站(搅拌站)离注浆站之间的距离较远(约550m),从制浆站制好的浆液送往注浆站(二次搅拌站)的过程中浆液沉淀过快,导致堵管频繁,处理比较困难。经现场数据统计,平均堵管频率为3次/50m3。此外,注浆不连续也会对注浆质量造成影响。因此应进行浆液改良。

现场注浆材料:

(1)注浆水泥为华新水泥厂出产的P.O32.5普通硅酸盐水泥;

(2)注浆用的尾砂取自矿尾砂库;

(3)水玻璃选用模数为2.4~3.0,浓度为30~45波美度。

所用水泥、水玻璃每批进场均有出厂合格证和检验分析报告,且水泥每500t送检验样一次,均检验合格。

对实际使用的尾砂取样检测,检测结果见表1。

根据检测结果得到的粒径级配累积曲线见图1。

表1 尾矿砂检测结果

图1 颗粒级配累积曲线

采用内插法分别求出:d30=0.27,d10=0.07,d60/d10=0.6/0.07=8.57>5,/(d60×d10)=1.74。由此可见,所使用尾砂颗粒级配不均匀。由于尾砂颗粒级配不均匀,导致浆液的悬浮性差,造成浆液沉淀过快,堵管频繁。因此应针对尾砂材料不适用进行浆液改良。

2 改良浆液

2.1 改良方法

对于尾砂材料的不适用,提出3条解决对策:一是更换尾砂品种,从别处购买级配良好的尾砂;二是在水泥尾砂浆中添加粘土浆制成粘土砂浆;三是采用不易堵管的化学浆液。

若外购尾砂,需要定期对尾砂检验,并进行筛选,另一方面尾砂使用量大,购买会增加成本,购买价为13元/t,大概需要40000t尾砂,则需约520000元。化学浆液成本很高,材料加施工费约7000元/t,且配套的高压泵一台约250000元,经济上不划算。若添加粘土改良,只需在原有工艺上增加粘土搅拌系统,而添加粘土搅拌系统费用不超过50000元。综合考虑上述因素,最终确定,在水泥尾砂浆中添加粘土浆制成粘土砂浆。

2.2 浆液最佳配比

2.2.1 计算浆液配比

将矿方提供的粘土材料试样送检,测得粘土的比重为2.76。根据测得的粘土比重计算各种浆液配比见表2~表4。

表2 水泥粘土砂浆配比(粘土占5%)

表3 水泥粘土砂浆配比(粘土占10%)

表4 水泥粘土砂浆配比(粘土占15%)

2.2.2 正交试验

在尾砂浆中添加粘土提高了浆液的悬浮性和流动性,但添加比例要综合考虑沉淀速度、浆液扩散半径多方面因素,经咨询相关专家,并调查分析以往类似项目的施工经验,最终确定以凝胶时间t作为考核指标进行正交试验,在40min<t<60min的指标范围确定最佳配比。正交试验水平因素见表5。试验结果见表6。

表5 正交试验水平因素

表6 正交试验

根据极差R的大小,因素重要程度的次序是B→A→C。

直观的看,第2号试验结果最好,凝胶时间为45.7min,其参数组合为A2B1C1。位级之和越小越好,可以看出,最好的参数组合是A1B1C1。从趋势图(图2)上来看,各因素均有潜力可挖,但若继续降低水固比和增加灰∶(砂粘)的浓度,会增加制浆难度和输送难度,造成施工成本增加,因此对水固比和灰∶(砂粘)两个因素继续做对比试验。接着对水固比均为0.6∶1,灰∶(砂粘)均为1∶1,粘土浆与浆液体积比分别为5%,10%的浆液做流动性对比试验,发现粘土浆体积占10%的浆液更适合现场输送要求。

通过对实验过程及数据分析,认为方案2(A2B1C1)已经接近整体性能的最优化,考虑各因素的重要程度,选取最佳组合为B1A2C1,即:浆液水固比为0.6∶1;粘土浆与浆液体积比10%;灰∶(砂粘)为1∶1。

图2 正交试验趋势分析

3 粘土搅拌系统

选好场地,配齐设备后现场搭建好粘土浆搅拌系统,包括修建粘土浆蓄浆池。

由于粘土粘性较尾砂大,普通搅拌机不能满足要求。普通搅拌机搅拌好一桶粘土浆需要50min,而实际要求为30min。通过咨询,从广西探矿机械厂购回两台高速搅拌机,该搅拌机的特点是转速高(750转/min),浆液形成旋流,搅拌好一桶粘土浆只需20min左右,能满足施工要求。

完善好粘土搅拌系统后,现场根据正交试验确定的最佳级配改良浆液,注入水泥粘土砂浆。浆液改良后,堵管频率降低明显,由原来的输送50m3浆液平均堵管3次变为几乎不堵管,堵管频繁的问题得到了较好的解决。

4 质量分析

浆液改良后,解决了浆液输送过程中堵管频繁的问题,避免了注浆不连续对注浆质量造成的不利影响,保障了注浆效果。将从钻孔内取出的结石体养护后送试验室做抗压强度试验,结果均满足设计要求,见表7。

表7 结石体抗压强度试验

5 结论

(1)在水泥尾砂浆中添加粘土浆制成水泥粘土砂浆,解决了浆液输送过程中堵管频繁的问题,能大大缩短帷幕注浆施工工期,节约工程造价,取得了很好的社会效益和经济效益。

(2)为了提高浆液的悬浮性,降低堵管率,在浆液改良过程中,浆液最佳配比(水固比、粘土浆占浆液的体积比、灰砂比等)的选择应参考相似工程的经验,并结合实际施工条件做试验,同时要综合考虑经济性、可操作性等。

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2011-07-18)

冯毓华(1969-),男,湖北孝感人,工程师,主要从事矿山地质工作。

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