矿山治水改性黏土浆高压固结机理研究与应用

韩贵雷，贾伟杰

(1.华北有色工程勘察院有限公司，河北 石家庄 050021； 2.河北省矿山地下水安全技术创新中心，河北 石家庄 050021)

0 引 言

针对于大水矿山，帷幕注浆技术是解决水患的重要技术手段之一，随着我国矿产资源的大量开发，矿山帷幕注浆技术应用实例越来越多，且日益成熟[1]。在该技术广泛应用的基础上，2012年，原国土资源部委托有关单位编制了《矿山帷幕注浆规范》(DZ/T 0285—2015)(以下简称“《规范》”)，并于2015年颁布实施。《规范》的实施为进一步提高帷幕注浆技术水平起到了巨大的推动作用。

《规范》的编制工作是在总结2012年以前国内实施的帷幕注浆工程实例的基础上开展的，但是基于发展的理念，《规范》提出帷幕注浆应坚持因地制宜、绿色环保的要求[2]。结合目前国内各领域环保的要求，矿山建设各环节都需要符合节能减排整体规划。在此背景下，2014年以来国内实施的帷幕注浆工程大都采用了绿色环保的注浆材料，例如：2014年实施的江铜城门山铜矿帷幕注浆工程采用了湖泥作为主要注浆材料，实现了废物利用，达到了节约投资的效果[3]；2016年实施的彝良毛坪矿帷幕注浆工程采用了改性黏土浆液作为主要注浆材料，改善了浆液在地层中的扩散性能，注浆效果远超预期[4]。但是无论是城门山的湖泥，还是彝良的黏土，都采用了非成品注浆材料，与传统工业成品注浆材料水泥相比，由于其赋存地域、赋存环境等方面的不同造成上述材料在组成成分、颗粒级配、含水量等方面具有较大的差异，同时由其制成的改性混合浆液在流动性、凝结时间、结石率等重要参数上也各不相同，并且与传统注浆材料水泥相比其结石体形成机理具有明显不同。鉴于此，华北有色工程勘察院有限公司建设了专门的注浆材料固结实验室，用于开展非工业成品注浆材料固结机理研究，并对注浆工艺进行改进，用于提高注浆效果。该研究成果不仅为完善帷幕注浆理论体系提供了有效技术支撑，同时也为国内矿山注浆领域开展类似研究提供了借鉴[5]。

1 试验装置建设

1.1 装置建设目的

目前众多水患矿山从绿色环保和经济合理的角度出发，在矿山帷幕注浆工程实施过程中因地制宜地选择了当地赋存的黏土类非工业成品材料作为注浆材料，但是由于材料的成分组成、赋存环境等方面的差异，配比而成的混合浆液性能和固结机理与传统注浆材料存在较大不同。同时由于注浆材料在常压条件下固结过程与在承受地压、静水压力以及注浆压力综合作用下固结机理存在较大差异，进而造成注浆施工过程中浆液配比选择、注浆技术工艺、浆液扩散距离等技术参数的确定仍然以经验数据为主，可靠性较差。因此，有必要研究开发能够开展注浆材料固结机理研究的试验装置，并且利用该装置开展一系列注浆材料固结试验，进而揭示注浆浆液固结机理，提高帷幕注浆工程领域理论水平，指导注浆工艺改进。试验装置结构图见图1。

图1 试验装置结构图Fig.1 Structure of the test device

1.2 装置组成及功能

高压注浆固结试验装置主要用于高压条件下注浆材料固结机理的研究，该装置的特点：能够实现对地层渗透性的相似模拟；能够提供注浆施工过程中地下水压力环境，即能够施加地下水压力；能够在无损条件下判断浆液固结阶段；能够实时记录试验系统中压力、流量、电阻等参数。

根据工业生产注浆工艺，高压注浆固结试验装置主要包括以下几部分。①辅助系统：浆液进入试验系统前的所有辅助设备包括制浆设备、注浆泵等。②试验系统：包括能够模拟地层压力或者静水压力的围压仓，能够在渗透系数上与地质体相似的固结室。③采集系统：包括排水量采集、围压监测数据采集、固结室试件电阻数据变化采集等。

根据无压条件下的试验结果，试件固结状态与其电阻率变化存在对应关系，所以通过监测试件电阻率可无损监测室内试件的固结状态。

1.3 装置参数

该试验装置主要组件性能参数如下。

1) 注浆泵：根据现场工业生产进行小型化设计，要求其实现浆液压力稳定及变流量输送。正常工作压力0～10 MPa，波动值小于0.5 MPa，流量0～55 L/min自动调节，功率5.5 kW。

2) 围压仓。围压仓为该试验装置的核心部件，该仓室能够实现对地质体地层压力或者静水压力的相似模拟，该组件内径800 mm，高度1 000 mm；工作压力5 MPa，耐压试验6.25 MPa，预留工作接口7个。

3) 试验仓。试验仓是注浆浆液发生物理化学作用，固结形成结石体的部分，其渗透系数与模拟地层渗透系数相似。具体参数：锥形拉杆锥头直径61.04 mm，上部为高26 mm的圆柱，下部为高26 mm的圆台状，下部直径56 mm，倾角5°，拉杆长度130 mm，直径26 mm。内有14 mm圆孔直通锥头，为浆液或管线出入孔。过滤连接箍长125 mm，外径89 mm，内径69 mm。表面透水孔间距10 mm，透水孔径2 mm，过滤连接箍为纵向切割开的两段。

4) 电阻监测装置。该装置连接电阻率连续监测仪和传感器，实时监测浆液的电阻率变化[6]。试验仓锥形拉杆锥头表面，在距离中心点55 mm的圆周上均匀安装6～8根3 mm的金属电极作为负极，在中心点安装一根3 mm的电极作为正极。电极与锥形拉杆用密封胶或其他绝缘材料严格绝缘。电源线从拉杆内的圆孔内出入。

2 改性黏土固结机理研究

2.1 研究背景

云南省某铅锌矿山采用矿山帷幕注浆技术治理地下水，该矿区受多期次构造影响，含水层虽然具有节理发育、岩体破碎等特点，但是由于节理裂隙以低张开度裂隙为主，部分治理区域除局部发育较明显断裂破碎带导水以外，整体透水性较弱。

该工程注浆钻孔开孔标高+901 m，静水水位+860 m，注浆孔平均孔深500 m。采用传统注浆材料水泥浆液注浆后，单位注浆量0.37 m3/m，单位注灰量0.15 t/m，注浆量总体偏小，浆液扩散受限，经验证本次注浆未形成连续的堵水帷幕。鉴于此，为保证后期矿山帷幕注浆工程顺利实施，初步计划采用改性黏土浆液作为主要注浆材料，在工程正式实施前采用高压固结装置对浆液固结机理进行分析研究，并以此改进注浆工艺。

2.2 试验结果分析

结合现场情况，试验条件：①试验模拟水位以下200 m注浆浆液固结机理，围压设计2 MPa，注浆泵压4 MPa；②电阻测试电压30 V；③浆液配比：水固比3∶1，固体比1∶2(黏土和水泥)，水玻璃添加量为3%；④黏土材料黏粒含量85.07%，塑性指数34.1。

测试浆液固结过程曲线见图2。改性黏土浆液在高压注浆环境中固结过程可以分为三个阶段。

1) Ⅰ阶段。此阶段物理反应是注浆材料含有大量的水分，在高压注浆过程中大量的水分排出，浆液中离子浓度升高，电阻率成下降趋势。

化学反应主要是水泥水化反应(式(1))和水泥水玻璃化学反应(式(2))。

3CaO·SiO2+nH2O=

2CaO·SiO2(n-1)H2O+Ca(OH)2

(1)

Ca(OH)2+Na2O·nSiO2+mH2O→

CaO·nSiO2·mH2O+2NaOH

(2)

此阶段对于试件的电阻率影响以物理反应为主。水泥水化、水泥水玻璃反应为辅，综合作用下结石体形成过程中电阻率缓慢升高，此阶段试件电阻率约为18 Ω，需要时间大约为30 min。

图2 固结曲线Fig.2 Condensation curve

2) Ⅱ阶段。此阶段试件成流塑状态，试件排水等物理反应速度有所减缓，化学反应是水泥水化反应和水玻璃与黏土(可视为一种盐类)发生离子交换反应，见式(3)。即部分钙黏土转化为钠黏土。钠黏土为双离子，其层状结构加厚，稳定性和悬浮性强，还附带生成相对稳定的硅钙分子大胶团，使原浆很快出现稠化现象。

Ca2+--(Clay--OH)2+Na2O·nSiO2→

2Na--(Clay--OH)2+CaSiO2

(3)

此阶段物理反应和化学反应对试件电阻增长影响相互平衡，试件电阻率快速增长，试件电阻率约为65 Ω，需要时间大约为110 min。试件达到初凝状态，失去流动性，是浆液固结过程中重要的时间节点。

3) Ⅲ阶段。此阶段试件在泵压和围压共同作用下，排水过程进一步进行，水泥水化反应及其他化学反应缓慢进行，试件电阻率呈缓慢上升趋势。

针对在高压固结装置中形成的结石体，通过电镜扫描对其结构进行了分析，电镜扫描图见图3。根据以往研究成果，纯水泥浆液结石体具有稳定的空间框架结构，框架结构间存在较大的空隙。而改性黏土浆液中黏土材料黏粒粒径更小，在高压条件下固结，黏土颗粒可以充填纯水泥浆液结石体的框架结构空隙，形成更加稳定、孔隙率更小的复合结石体。此结构进一步验证了改性黏土浆液具有较高结石率和更弱的透水性特点。

图3 固结体电镜图像Fig.3 Image of cemented electron microscope

2.3 理论计算

根据上述研究成果及以往研究成果，在同等条件下，改性黏土浆液固结时间为纯水泥浆液的2.45倍(纯水泥浆液固结时间一般为45 min)[7-8]。

《规范》附录A在浆液扩散半径计算中针对牛顿流体采用式(4)。

(4)

式中：T为注浆时间，s；其余具体参数意义可参阅《矿山帷幕注浆规范》附录A。

3 工程实例

根据高压固结注浆试验结果，结合实际地层条件，背景工程第二次注浆试验采用了改性黏土浆液作为主要注浆材料，注浆浆液配比见表1。根据改性黏土浆液的固结特点，对工程实例注浆施工过程中的间歇注浆时间、注浆压力等参数进行了相应调整，对注浆设备配置也进行了相应调整。

改性黏土浆液的结石体复合结构形式在工程实例中也得到了充分验证，改性黏土浆液结石率测试结果见表1。测试结果表明：改性黏土浆液具有较高的结石率和更弱的透水性，即在注浆过程中改性黏土浆液对裂隙的初次充填率高出传统纯水泥浆液约20%。

表1 改性黏土浆液配比试验Table 1 Ratio test of modified clay slurry

工程实例采用改性黏土浆液后，地层浆液注入量和固体注入量有明显的提高，地层注浆量(固体注入量)叠加效应分析见表2。表2中第一次工业注浆试验Ⅰ孔序、Ⅱ孔序钻孔地层固体注入量之和为298 kg/m，第二次工业注浆试验Ⅰ孔序、Ⅱ孔序钻孔地层固体注入量之和为1 000 kg/m，第二次试验注浆量为第一次注浆试验的3.356倍，上述统计数据与理论计算结果(3.375倍)相吻合。

表2 注浆量叠加效应分析Table 2 Analysis of superposition effect of grouting quantity

4 结 论

1) 为开展试验研究，建设了高压注浆固结试验装置，该试验装置能够实现对注浆材料固结过程的电阻率变化无损监测。

2) 利用高压注浆固结试验装置开展的试验研究表明：改性黏土浆液在高压注浆环境中的固结过程可以分为三个阶段。

3) 同等条件下，改性黏土浆液固结初凝时间为110 min左右，为纯水泥浆液的2.45倍。

4) 电镜研究结果显示，改性黏土浆液固结结构为复合结构。