溶洞充填用多固相改性粘土膏漿制備工藝及應用

高學通

溶洞充填用多固相改性粘土膏漿制備工藝及應用

高學通1, 2

(1.華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021; 2.河北省礦山地下水安全技術創新中心，河北 石家莊 050021)

在以碳酸鹽巖含水層為主的巖溶礦區實施礦山堵水帷幕注漿的工程中，注漿鉆孔常常揭露大型巖溶裂隙或溶洞，為了節約注漿材料并保證充填效果，一般采用先投放骨料后注漿的方式進行治理，但施工效率較低。因此，提出在常規改性粘土漿液的基礎上，通過增加基漿比重，同時添加結構劑、速凝漿及增稠劑等多種組分，實現了以改性粘土膏狀漿液攜帶多種骨料進行溶洞充填的制漿灌注工藝，投料和灌漿的同時施工明顯提升溶洞處治效率，山東某金礦帷幕注漿工程的應用證明，該工藝比常規治理方法效率高，同時能有效節約注漿材料，具有保證質量和節約成本的雙重作用。

帷幕注漿;溶洞充填;多固相;改性粘土膏漿

0 引 言

隨著國家對礦產資源需求量的增加和礦山開采強度的不斷加大，開采過程中由于地下水引起的一系列安全、環境及水資源保護等問題日益凸顯。目前，國內很多水患礦山采用疏干強排的方式保證開采安全，但隨著開拓系統的擴展，井下涌水點逐漸揭露，礦坑涌水量不斷增加，產生高昂的排水費用并且增加開采成本，井下安全生產難以有效保障的同時對礦區周邊地下水環境造成嚴重破壞，為了保證生產延續和可持續發展，很多礦山設計采用帷幕注漿方案治理礦坑涌水。帷幕注漿技術在保證井下作業安全、減少礦山排水運行成本和保護礦區地質環境方面具有重要作用，已在眾多水患礦山成功實施并取得良好效果[1-3]。

但是，對于很多巖溶水患礦山而言，由于礦坑排水的影響，礦區周邊地下水流速大，一些常規漿液抗沖蝕效果差，在遇到溶洞和大裂隙時注漿效果差，漿液浪費嚴重，必須采用孔口投放骨料的方式充填洞體空間，但施工效率低下。賈立維、張俊陽等人提出在水泥漿液中加入膨潤土、增塑劑和速凝劑制備膏漿用于巖溶裂隙和溶洞充填[4-5]，但成本較高且未能實現同時攜帶骨料。為了保證動水條件下大型巖溶裂隙的充填注漿效果，減少漿液浪費，降低工程成本，在改性粘土漿的基礎上通過調整配比，添加多種固相材料，大幅增加漿液稠度和抗沖蝕性能，同時對相應制漿和注漿設備工藝進行優化調整，形成投料與灌漿同時進行的施工工藝，在工程實際應用中取得良好效果。

1 多固相改性粘土膏漿

多固相改性粘土膏漿是在常規改性粘土漿液的基礎上改進發展而來的，其主要成分包括粘土基漿、結構劑、速凝漿、增稠劑以及各類骨料。配置改性粘土膏漿應選用黏性土，要求其塑性指數不小于10，粘粒含量不宜低于15%，含砂量不宜大于5%，有機物含量不宜大于3%，制備的基漿密度不應小于1.35 g/cm3；加入結構劑主要起到增加結石體強度的作用，速凝劑用于縮短漿液的初終凝時間，增稠劑為了增加漿液的稠度和抗沖蝕性。膏狀漿液中加入的其他固相材料主要分為2種：一種是起到加筋作用，降低漿液在溶洞中的擴散距離，提升結石體的抗沖蝕性能，可以選用木質纖維、稻殼或麥秸等材料；另一種是起到骨架作用，主要目的是充填溶洞空間，增強結石體的強度，可以選用石子、河砂等骨料，改形粘土膏漿形態見圖1。

多固相改性粘土膏漿較常規改性粘土漿性能有顯著提升，其初凝時間可由10 h以上縮短至3~ 4 h，而結石體單軸抗壓強度可達3 MPa以上，而漿液的塑性強度增長速率更是優于普通改性粘土漿（見圖2），證明該類型漿液在相同條件下強度增長快，具有更好地抵抗地下水沖蝕的特征。

圖1 改性粘土膏漿形態

圖2 漿液塑性強度測試曲線圖

2 漿液制備工藝

多固相改性粘土膏漿的拌制主要包括基漿的制備和多固相材料的添加兩道主要工序。生產應用過程中，針對漿液的上述特點，通過反復改進和嘗試，形成較為完善的制備工藝流程，滿足工程施工要求。

2.1 工藝流程

多固相改性粘土膏漿的制備工藝流程見圖3，其中定量給料、聯合制漿、除砂凈化、基漿存儲環節在集中制漿站完成，制備完成并經檢測達標的粘土基漿通過漿液輸送泵和供漿管路送至注漿施工現場，而孔口加料、強制拌和與充填注漿是在注漿孔附近的二級注漿站實施。

圖3 多固相改性粘土膏漿制漿流程

2.2 定量給料

粘土基漿密度是制漿過程中的主要控制指標，根據進場粘土材料性能，專門加工了粘土定量給料機，通過輪式裝載機上料，由變頻電機帶動皮帶下料，過程中動態調節下料速率。下料后的粘土通過皮帶輸送至聯合制漿機，皮帶旁安排專人清除土中混入的雜質。

2.3 聯合制漿

粘土基漿制備采用聯合制漿機，制漿機入料的同時由變頻器控制變頻水泵根據土料加入量進行供水，上水效率為20~60 m3/h，制漿過程中安排專人觀察出漿口漿液狀態，根據土料輸送情況控制水泵供水量。

2.4 除砂凈化

因多數粘土中均含有砂石雜質，由粘土聯合制漿機制備的粗漿需要進行除砂凈化處理。本工藝采用2道除砂設備，即振動篩配合泥漿凈化機去除粗漿中的砂石顆粒。振動篩篩網設置為32目，可過濾掉粗砂粒徑以上的砂礫雜質；凈化機利用旋流除砂原理，并結合60目振動篩，去除原漿中剩余的中、細砂雜質。

2.5 基漿儲存與輸送

凈化后的粘土基漿儲存于基漿池中（見圖4），池中設置循環泵防止漿液離析沉淀，同時配備密度傳感器實時監測基漿密度，現場使用時采用循環泵輸送至二級注漿站。

圖4 基漿儲存池

2.6 膏漿制備與充填注漿

由于該種漿液稠度大、粘性高，在管道內阻力較大，不適于長距離輸送灌注，宜在注漿孔附近設置二級注漿站，攪拌充填設備選用一體式攪拌充填泵進行制漿和注漿施工。制漿時首先向攪拌機內放入一定量粘土基漿，然后泵送液體類添加劑材料，同時依靠提升料斗加入固體材料，所有材料添加到位后攪拌時間不得低于40 s。注漿時泵管與孔口管采用法蘭活動連接，依靠充填泵脈沖灌注的方式將膏狀漿液擠壓推入注漿孔內溶洞空間中。

3 工程應用情況

山東某金礦為隱爆侵入角礫巖型金礦床，礦體圍巖為巨厚的碳酸鹽地層（寒武系和奧陶系石灰巖、白云巖地層），巖溶裂隙發育，地下水補給來源充沛，加之礦區構造發育，為地下水的徑流創造極為有利的條件，據統計數據，2016年礦山豐水期最大礦坑涌水量達到12萬m3。為了治理礦坑涌水，保證井下采礦活動安全，降低排水運行費用，礦山設計采用帷幕注漿技術對礦坑主要導水通道進行封堵治理。

在工程實施過程中發現礦區主要導水通道附近受礦坑排水疏干影響，地下水位較低，上部設計注漿段揭露了大量導水但不含水的溶洞，洞高為0.3~6.0 m，工程實施前期采用常規的改性粘土漿配合單液水泥漿對溶洞進行充填灌注，發現漿液消耗量較大，擴散范圍難以有效控制。通過后期改用多固相改性粘土膏漿進行灌注，平均每個溶洞間歇灌注3~4次即可達到設計結束標準，平均單洞充填注漿量約140 m3，相比常規漿液節省注漿材料約40%。充填結束后的孔壁經壓水驗證和反復掃孔，井下電視探測發現洞內充填結石體依然飽滿牢固，滿足設計要求（見圖5）。

4 結 論

（1）本文所述及的多固相改性粘土水泥膏漿充填注漿工藝利用改性粘土膏漿加入多種固相材料，實現了溶洞內骨料投放和注漿固結雙重作用成本低效率高，設備操作簡便合理，具有較好的應用推廣價值。，

圖5 Z77注漿孔溶洞充填前后效果對比

（2）多固相膏漿制備選用的主要材料是場區周邊易獲取的粘性土和多種廉價惰性骨料，實現了礦山帷幕注漿漿液選材的因地制宜和綠色施工，但由于非工業成品材料的差異性，實際應用過程中需針對進場材料的實際性能進行工藝優化。

[1] 盧 萍,侯克鵬.帷幕注漿技術在礦山治水中的應用現狀與發展趨勢[J].現代礦業,2010(3):21-24.

[2] 蔣鵬飛,于同超,高廣峰.帷幕注漿工藝在大水礦山中的應用[J].現代礦業,2010(6):118-120.

[3] 賈偉杰.小曲率側鉆工藝在礦山帷幕注漿中的應用研究[J].采礦技術,2019,19(4):84-86.

[4] 賈立維,高 強,熊 穎.膏狀漿液灌漿在構皮灘水電站溶洞處理中的應用[J].貴州水力發電,2010,24(2):28-32.

[5] 張俊陽.巖溶地區防滲帷幕膏狀漿液灌注施工技術[J].水電與新能源,2013(4):18-20.

(2019-07-27)

高學通(1985—)，男，河北滄州人，高級工程師，工學碩士學位，主要從事礦山防治水技術方面的研究工作，Email: gaoxtcumt@qq.com。