粘土改良的尾砂浆液在矿山帷幕注浆中的应用

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。