溶洞充填用多固相改性粘土膏浆制备工艺及应用

高学通

溶洞充填用多固相改性粘土膏浆制备工艺及应用

高学通1, 2

(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)

在以碳酸盐岩含水层为主的岩溶矿区实施矿山堵水帷幕注浆的工程中，注浆钻孔常常揭露大型岩溶裂隙或溶洞，为了节约注浆材料并保证充填效果，一般采用先投放骨料后注浆的方式进行治理，但施工效率较低。因此，提出在常规改性粘土浆液的基础上，通过增加基浆比重，同时添加结构剂、速凝浆及增稠剂等多种组分，实现了以改性粘土膏状浆液携带多种骨料进行溶洞充填的制浆灌注工艺，投料和灌浆的同时施工明显提升溶洞处治效率，山东某金矿帷幕注浆工程的应用证明，该工艺比常规治理方法效率高，同时能有效节约注浆材料，具有保证质量和节约成本的双重作用。

帷幕注浆;溶洞充填;多固相;改性粘土膏浆

0 引 言

随着国家对矿产资源需求量的增加和矿山开采强度的不断加大，开采过程中由于地下水引起的一系列安全、环境及水资源保护等问题日益凸显。目前，国内很多水患矿山采用疏干强排的方式保证开采安全，但随着开拓系统的扩展，井下涌水点逐渐揭露，矿坑涌水量不断增加，产生高昂的排水费用并且增加开采成本，井下安全生产难以有效保障的同时对矿区周边地下水环境造成严重破坏，为了保证生产延续和可持续发展，很多矿山设计采用帷幕注浆方案治理矿坑涌水。帷幕注浆技术在保证井下作业安全、减少矿山排水运行成本和保护矿区地质环境方面具有重要作用，已在众多水患矿山成功实施并取得良好效果[1-3]。

但是，对于很多岩溶水患矿山而言，由于矿坑排水的影响，矿区周边地下水流速大，一些常规浆液抗冲蚀效果差，在遇到溶洞和大裂隙时注浆效果差，浆液浪费严重，必须采用孔口投放骨料的方式充填洞体空间，但施工效率低下。贾立维、张俊阳等人提出在水泥浆液中加入膨润土、增塑剂和速凝剂制备膏浆用于岩溶裂隙和溶洞充填[4-5]，但成本较高且未能实现同时携带骨料。为了保证动水条件下大型岩溶裂隙的充填注浆效果，减少浆液浪费，降低工程成本，在改性粘土浆的基础上通过调整配比，添加多种固相材料，大幅增加浆液稠度和抗冲蚀性能，同时对相应制浆和注浆设备工艺进行优化调整，形成投料与灌浆同时进行的施工工艺，在工程实际应用中取得良好效果。

1 多固相改性粘土膏浆

多固相改性粘土膏浆是在常规改性粘土浆液的基础上改进发展而来的，其主要成分包括粘土基浆、结构剂、速凝浆、增稠剂以及各类骨料。配置改性粘土膏浆应选用黏性土，要求其塑性指数不小于10，粘粒含量不宜低于15%，含砂量不宜大于5%，有机物含量不宜大于3%，制备的基浆密度不应小于1.35 g/cm3；加入结构剂主要起到增加结石体强度的作用，速凝剂用于缩短浆液的初终凝时间，增稠剂为了增加浆液的稠度和抗冲蚀性。膏状浆液中加入的其他固相材料主要分为2种：一种是起到加筋作用，降低浆液在溶洞中的扩散距离，提升结石体的抗冲蚀性能，可以选用木质纤维、稻壳或麦秸等材料；另一种是起到骨架作用，主要目的是充填溶洞空间，增强结石体的强度，可以选用石子、河砂等骨料，改形粘土膏浆形态见图1。

多固相改性粘土膏浆较常规改性粘土浆性能有显著提升，其初凝时间可由10 h以上缩短至3~ 4 h，而结石体单轴抗压强度可达3 MPa以上，而浆液的塑性强度增长速率更是优于普通改性粘土浆（见图2），证明该类型浆液在相同条件下强度增长快，具有更好地抵抗地下水冲蚀的特征。

图1 改性粘土膏浆形态

图2 浆液塑性强度测试曲线图

2 浆液制备工艺

多固相改性粘土膏浆的拌制主要包括基浆的制备和多固相材料的添加两道主要工序。生产应用过程中，针对浆液的上述特点，通过反复改进和尝试，形成较为完善的制备工艺流程，满足工程施工要求。

2.1 工艺流程

多固相改性粘土膏浆的制备工艺流程见图3，其中定量给料、联合制浆、除砂净化、基浆存储环节在集中制浆站完成，制备完成并经检测达标的粘土基浆通过浆液输送泵和供浆管路送至注浆施工现场，而孔口加料、强制拌和与充填注浆是在注浆孔附近的二级注浆站实施。

图3 多固相改性粘土膏浆制浆流程

2.2 定量给料

粘土基浆密度是制浆过程中的主要控制指标，根据进场粘土材料性能，专门加工了粘土定量给料机，通过轮式装载机上料，由变频电机带动皮带下料，过程中动态调节下料速率。下料后的粘土通过皮带输送至联合制浆机，皮带旁安排专人清除土中混入的杂质。

2.3 联合制浆

粘土基浆制备采用联合制浆机，制浆机入料的同时由变频器控制变频水泵根据土料加入量进行供水，上水效率为20~60 m3/h，制浆过程中安排专人观察出浆口浆液状态，根据土料输送情况控制水泵供水量。

2.4 除砂净化

因多数粘土中均含有砂石杂质，由粘土联合制浆机制备的粗浆需要进行除砂净化处理。本工艺采用2道除砂设备，即振动筛配合泥浆净化机去除粗浆中的砂石颗粒。振动筛筛网设置为32目，可过滤掉粗砂粒径以上的砂砾杂质；净化机利用旋流除砂原理，并结合60目振动筛，去除原浆中剩余的中、细砂杂质。

2.5 基浆储存与输送

净化后的粘土基浆储存于基浆池中（见图4），池中设置循环泵防止浆液离析沉淀，同时配备密度传感器实时监测基浆密度，现场使用时采用循环泵输送至二级注浆站。

图4 基浆储存池

2.6 膏浆制备与充填注浆

由于该种浆液稠度大、粘性高，在管道内阻力较大，不适于长距离输送灌注，宜在注浆孔附近设置二级注浆站，搅拌充填设备选用一体式搅拌充填泵进行制浆和注浆施工。制浆时首先向搅拌机内放入一定量粘土基浆，然后泵送液体类添加剂材料，同时依靠提升料斗加入固体材料，所有材料添加到位后搅拌时间不得低于40 s。注浆时泵管与孔口管采用法兰活动连接，依靠充填泵脉冲灌注的方式将膏状浆液挤压推入注浆孔内溶洞空间中。

3 工程应用情况

山东某金矿为隐爆侵入角砾岩型金矿床，矿体围岩为巨厚的碳酸盐地层（寒武系和奥陶系石灰岩、白云岩地层），岩溶裂隙发育，地下水补给来源充沛，加之矿区构造发育，为地下水的径流创造极为有利的条件，据统计数据，2016年矿山丰水期最大矿坑涌水量达到12万m3。为了治理矿坑涌水，保证井下采矿活动安全，降低排水运行费用，矿山设计采用帷幕注浆技术对矿坑主要导水通道进行封堵治理。

在工程实施过程中发现矿区主要导水通道附近受矿坑排水疏干影响，地下水位较低，上部设计注浆段揭露了大量导水但不含水的溶洞，洞高为0.3~6.0 m，工程实施前期采用常规的改性粘土浆配合单液水泥浆对溶洞进行充填灌注，发现浆液消耗量较大，扩散范围难以有效控制。通过后期改用多固相改性粘土膏浆进行灌注，平均每个溶洞间歇灌注3~4次即可达到设计结束标准，平均单洞充填注浆量约140 m3，相比常规浆液节省注浆材料约40%。充填结束后的孔壁经压水验证和反复扫孔，井下电视探测发现洞内充填结石体依然饱满牢固，满足设计要求（见图5）。

4 结 论

（1）本文所述及的多固相改性粘土水泥膏浆充填注浆工艺利用改性粘土膏浆加入多种固相材料，实现了溶洞内骨料投放和注浆固结双重作用成本低效率高，设备操作简便合理，具有较好的应用推广价值。，

图5 Z77注浆孔溶洞充填前后效果对比

（2）多固相膏浆制备选用的主要材料是场区周边易获取的粘性土和多种廉价惰性骨料，实现了矿山帷幕注浆浆液选材的因地制宜和绿色施工，但由于非工业成品材料的差异性，实际应用过程中需针对进场材料的实际性能进行工艺优化。

[1] 卢 萍,侯克鹏.帷幕注浆技术在矿山治水中的应用现状与发展趋势[J].现代矿业,2010(3):21-24.

[2] 蒋鹏飞,于同超,高广峰.帷幕注浆工艺在大水矿山中的应用[J].现代矿业,2010(6):118-120.

[3] 贾伟杰.小曲率侧钻工艺在矿山帷幕注浆中的应用研究[J].采矿技术,2019,19(4):84-86.

[4] 贾立维,高 强,熊 颖.膏状浆液灌浆在构皮滩水电站溶洞处理中的应用[J].贵州水力发电,2010,24(2):28-32.

[5] 张俊阳.岩溶地区防渗帷幕膏状浆液灌注施工技术[J].水电与新能源,2013(4):18-20.

(2019-07-27)

高学通(1985—)，男，河北沧州人，高级工程师，工学硕士学位，主要从事矿山防治水技术方面的研究工作，Email: gaoxtcumt@qq.com。