用于岩溶动水注浆的泡沫尾砂浆试验研究

欧阳仕元，杜向红

（中金岭南有色金属股份有限公司凡口铅锌矿，广东韶关512325）

用于岩溶动水注浆的泡沫尾砂浆试验研究

欧阳仕元，杜向红

（中金岭南有色金属股份有限公司凡口铅锌矿，广东韶关512325）

为解决岩溶动水环境注浆情况下高浓度尾砂浆输送困难、易离析、结石率低、堵水效果差等问题，通过试验研究，配制一种新型注浆材料—泡沫尾砂浆。该材料具有抗冲刷能力强、初凝时间短、结石率高、抗压强度大、性能稳定、适应性好等优点。优化选择最佳配比参数的泡沫尾砂浆适合于岩溶动水条件下的注浆要求。

岩溶动水；泡沫尾砂浆；注浆；可塑剂；优化配制

某矿岩溶动水条件下帷幕注浆施工，需要浆材具有较强的抗冲刷能力和有效的稳定性。普通尾砂浆在动水条件下灌注时，浆液易离析［1］，水泥胶质成分易流失，结石率［2-3］低，注浆效果较差；且浓度较高时输送困难，易堵管。因此，在浆液制备过程中，先加入泡沫制成泡沫砂浆［4-5］，再加入一种化学凝胶材料——可塑剂［6］，经充分搅拌混合，形成一种“果冻”状膏体型材料——泡沫尾砂浆，有效地解决了上述问题。在试验室模拟注浆条件，对泡沫尾砂浆进行抗冲刷能力和其它适应性参数测试，从不同配合比［4］浆液中找出最佳配比类型，在现场进行工艺试验，根据注浆效果对配比进行修正，使所选的泡沫尾砂浆满足动水注浆要求。

1 泡沫尾砂浆制备与性状试验

1.1 试验目的

通过对泡沫尾砂浆加入可塑剂成分形成“果冻”状膏体的不同性状进行试验研究。确定搅拌中的泡沫尾砂浆加入可塑剂后，能否在短时间（1min）内使流动状变成可塑状膏体，以及膏体在水中离析情况和在动力水作用下的堵水效果。

1.2 制备过程与试验方法

按照配合比依次称量尾砂、水泥、水，混合搅拌约2～3min，均匀后加入气泡充分搅拌。用小桶盛装倒至面板上和水中，观察其形态变化。

称量可塑剂，并用少量水将其稀释形成溶液；将可塑剂溶液倒入上述搅拌好的泡沫尾砂浆中，立即搅拌，并开始计时，1min后停止搅拌，泡沫尾砂浆制备完成。此时测量其流动值［7］，观察其形成可塑状膏体过程，并将膏体放入水中观察是否产生离析现象。

1.3 试验主材选择及浆液材料含量

1.3.1 试验主材

主材选择如下：

水泥：选用普通硅酸盐水泥，标号P.O.42.5，3 d抗压强度24MPa。

尾砂：选用矿山选矿经旋流分离后的分级尾砂［6］，粒径10～100μm，密度2.74g/cm3。

泡沫：通过专用发泡材料（液体，pH值6.0）和发泡设备生成［8］，体重50g/L。

可塑剂：一种减水凝胶材料，共选择4种类型，按制备顺序编号为1＃、2＃、3＃、4＃，其中4＃可塑剂包含A、B、C三型。1＃、2＃、3＃可塑剂密度1.36g/cm3，液体，呈强酸性，pH值2～3。4＃可塑剂密度3.45g/cm3，粉沫状固体，呈强碱性，pH值11.0～12.0。

1.3.2 材料含量

按1m3泡沫尾砂浆计量材料。其中：水泥301.8kg；尾砂1 019.6kg；清水200kg；气泡率20%；可塑剂1%～5%。

1.4 性状试验结果

不加可塑剂时，泡沫尾砂浆实测湿密度1 611 kg/m3，实测流值174mm，在水中有离散现象（图1）。加入可塑剂时，浆体可堆立，呈“果冻”状，表面富有弹性，无坍塌迹象，在水中不离析（图2）。可塑剂与浆体中的自由水发生化学反应生成结晶水，流动状浆液瞬时变成可塑状膏体。

图1 无可塑剂时浆体性状Fig.1 Slurry properties without plasticizer

2 泡沫尾砂浆抗冲刷、初凝及抗压试验

2.1 试验原理

泡沫尾砂浆的抗冲刷能力，主要是通过模拟水流强烈冲刷条件（试验测定的水流速度为0.865m/s），比较其残留在模拟槽中砂浆占原始砂浆的百分含量（简称残留量）。残留量高则抗冲刷能力好，残留量低则抗冲刷能力差。综合砂浆的凝结时间等性能，选择效果最佳配比的泡沫尾砂浆进入工业试验。

图2 加可塑剂时浆体性状Fig.2Slurry properties with plasticizer

采用同种原始砂浆（骨料［9］为分级尾砂，浓度74%，灰砂比［10］为1∶2，泡沫加入量为20%），可塑剂加入量不同的泡沫尾砂浆进行试验。

为便于记录，将加入1＃、2＃、3＃、4＃可塑剂制成的泡沫尾砂浆分别编成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号泡沫尾砂浆。

2.2 简易模拟试验设备

自制一个一端带挡板的简易木槽（长170cm、宽18cm、高14cm），带挡板的一端稍垫高使木槽倾斜，在木槽中放置一些砾石，模拟地下水流动速度，用胶管将自来水从有挡板的一端注入，然后将配置好的料浆缓慢倒入木槽中，待水流冲刷不动时，将木槽中剩余的料浆称重。

2.3 试验过程

2.3.1 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号泡沫尾砂浆试验

2.3.1.1 可塑剂加入量相同

试验表明，可塑剂加入量均为2%时，I号泡沫尾砂浆残留量为0，抗冲刷效果差，在工业试验中注浆跑浆［10］严重。Ⅱ号泡沫尾砂浆表观形成“果冻”状，在动水条件下扩散半径［11-13］小，残留量较多，初凝时间［1-3］较长（表1）。

表1 Ⅰ、Ⅱ号泡沫尾砂浆试验结果Table 1 Test results of the No.Ⅰ，Ⅱfoam tail mortars

2.3.1.2 可塑剂加入量不同

由于Ⅰ号泡沫尾砂浆不抗冲刷，再试验的意义不大，所以只对Ⅱ、Ⅲ号泡沫尾砂浆进行试验。试验所用砂浆配比与上述相同（骨料为分级尾砂，浓度74%，灰砂比为1∶2，泡沫加入量为20%）。试验表明，当可塑剂加入量增加时，泡沫尾砂浆的残留量增加，初凝时间变短，流值减小。现场工业试验情况表明注浆效果较好。从初凝时间和残留量数据可见，Ⅱ号泡沫尾砂浆可塑剂的最佳加入量为4%～5%（表2）。

表2 Ⅱ号泡沫尾砂浆试验结果Table 2 Test results of the No.Ⅱfoam tail mortar

Ⅲ号泡沫尾砂浆与Ⅱ号泡沫尾砂浆相比，砂浆的残留量和3d抗压强度比较高，但初凝时间较长，会影响其持续抗冲刷能力、浆液扩散半径和注浆周期［12-14］，需进一步改善，缩短其凝结时间（表3）。

表3 Ⅲ号泡沫尾砂浆试验结果Table 3 Test results of No.Ⅲfoam tail mortar

3 Ⅳ号泡沫尾砂浆试验

为增强泡沫尾砂浆的可注性，提高堵水效果，由第三方精心制备了4＃可塑剂。制备了3种类型，编号为A、B、C。

4＃可塑剂具有以下特点：

1）为粉末状物质，与液体类可塑剂相比，运输储存方便。

2）无气味。1＃、2＃、3＃可塑剂均有较浓的气味，而4＃可塑剂无任何气味。

3）用量少。4＃可塑剂使用量为1.5%～3.0%（砂浆中固体物质的百分含量），与前3种可塑剂4%～5%的用量相比，减少近50%。

4）果冻效果明显。在加入量达到3%时，明显出现果冻效果（图2）。

由4＃可塑剂配制的泡沫尾砂浆统称为Ⅳ号泡沫尾砂浆。包括A、B、C三型泡沫尾砂浆。

3.1 ABC三型泡沫尾砂浆试验

为了从A、B、C三种可塑剂中选择最佳的一种制成泡沫尾砂浆用于注浆工业试验，对加入三种可塑剂后制成的泡沫尾砂浆（下称A型、B型、C型泡沫尾砂浆），从凝结时间、抗冲刷能力、3d抗压强度等主要参数方面进行对比试验，比较的标准统一为砂浆浓度为74%，泡沫加入量为20%，灰砂比1∶3。

3.1.1 凝结时间对比

凝结时间是决定泡沫尾砂浆注浆适应性最重要的指标之一。试验情况表明，在可塑剂加入量变化时，C型泡沫尾砂浆的初、终凝时间比较短，且稳定性好，调节范围广，容易控制。而A、B两型泡沫尾砂浆初凝时间变化较大（表4），A型最大相差达3.5倍，B型最大相差也达2倍，可控性较差。

表4 A、B、C三型泡沫尾砂浆试验参数Table 4 Test parameters of the foam tail mortars about A、B and C types

3.1.2 抗冲刷对比

抗冲刷能力体现在注浆过程中浆液的结石率［15］水平。试验表明，A、B、C三型泡沫尾砂浆的抗冲刷能力较强，残留量百分率较接近，其中B型的稍大，A、C两型接近（表4）。B型在实际应用中，注浆结石率也较高。

3.1.3 抗压强度对比

浆液的结石体［9］的抗压强度体现在帷幕形成后的整体抗压强度。试验数据表明，A、B、C三型泡沫尾砂浆3d抗压强度值比较接近，其中B型稍高（表4）。

3.2 C型不同浓度泡沫尾砂浆试验

从以上试验取得的初凝时间、抗冲刷能力和结石体抗压强度数据综合分析判断，C型泡沫尾砂浆特性稳定，适应性强，灌注效果较好。因此，有必要进一步试验不同浓度浆液的特性参数。

对C型泡沫尾砂浆做了6组不同浓度尾砂浆（含灰砂比为1︰2）加入2%和2.5%含量的可塑剂试验，进一步确定进行工业试验的参数，试验结果见表5。

试验结果表明，在浆液浓度不变的情况下，随着可塑剂含量的增大，浆液的初凝时间也随之延长，3d抗压强度增大；在可塑剂加入量不变的情况下，随着浆液浓度的增加，初凝时间缩短，3d抗压强度增大。

表5 不同浓度C型泡沫尾砂浆初凝时间和3d抗压强度Table 5 Initial setting time and 3-day compressive strength of C type foam tail mortar in different density

4 泡沫尾砂浆选型分析

从上述对比试验可知，虽然配制的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号泡沫尾砂浆也有良好的“果冻”状效果，但其稳定性相对较差。1＃、2＃、3＃可塑剂呈强酸性，且为液态，对设备设施具有强烈的腐蚀性，加入时操作风险性较高。所以，由1＃、2＃、3＃可塑剂配制的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号泡沫尾砂浆不太适合复杂的现场施工环境，进行工业试验后予以放弃。

在4＃可塑剂配制的Ⅳ号泡沫尾砂浆中，A、B、C三型泡沫尾砂浆除产生良好的“果冻”性状外，在水中具有不离析、抗冲刷能力强、结石率高、抗压强度大等特性，在现场工业试验时，高压灌注后效果也比较理想，检查孔取得的岩芯也比较理想。但因实际注浆中很难精确控制可塑剂的加入量，故A、B型泡沫尾砂浆会出现初凝时间过长的现象，从而影响施工进度。C型泡沫尾砂浆不论初凝时间、3d抗压强度，还是其稳定性，均比较适合动水条件灌注需要。因此，优先选择C型泡沫尾砂浆进行配制，作为动水注浆的主要浆材。

5 结论

1）泡沫尾砂浆是一种以选矿废料尾砂、水泥、清水及空气泡沫为主要原料，加入一定比例的辅助剂——可塑剂混合拌制而成，具有“果冻”状膏体形态的新型注浆材料。

2）试验结果表明，Ⅳ号泡沫尾砂浆从初凝时间、抗冲刷、结石3d强度参数方面进行比较，在动水中具有不离析、凝结时间短、抗冲刷能力强、3d抗压强度指标高的特点。

3）Ⅳ号C型泡沫尾砂浆指标受可塑剂加入量、浆液浓度的影响较小，具有稳定性好、凝结时间短的特性，且可塑剂置备和贮运方便，所以，C型泡沫尾砂浆是现场工业试验和推广应用的最佳选择，能满足岩溶动水条件下的注浆技术要求。

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Experimental study on foam tailings pulp used in karst dynamic water grouting

OUYANG Shiyuan，DU Xianghong
（Fankou Pb-Zn Mine，Zhongjin Lingnan Nonfemet Co.，Ltd.，Shaoguan Guangdong 512325，China）

In order to solve the sand plup transportation difficulties，easy segregation，low rate of stone caking，and poor water plugging effect with the high-density tailings pulp under the condition of karst dynamic water grouting，a new type of grouting materials named foam tailings pulp has been prepared by the experimental study.The material advantages include strong anti-scouring ability，short initial setting time，high rate of stone caking，great compressive strength，stable performance，good adaptability，etc.The best matching parameters of foam tailings pulp has been optimized and selected is suitable for grouting under the condition of karst dynamic water grouting.

karst dynamic water；foam tailings pulp；grouting；plasticizer；optimization of preparation

TD926

Α

1671-4172（2015）03-0053-04

广东省教育部产学研结合引导项目（2011B090400007）

欧阳仕元（1964-），男，高级工程师，水文地质专业，主要从事矿山防治水、地质灾害防治、地质环境治理、岩土工程、尾矿库技术与管理工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.03.011