水泥-紅黏土注漿堵水性能試驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用研究

王新振 侯克鵬 孫華芬 者亞雷 李睿 馬勝杰

摘 要：為解決純水泥漿注漿成本高、結(jié)石率低及凝結(jié)時(shí)間長等問題，對(duì)水泥-紅黏土注漿材料進(jìn)行研究。通過試驗(yàn)，分析水固比和紅黏土摻量對(duì)漿液析水率、結(jié)石率、流動(dòng)度、黏度及凝結(jié)時(shí)間的影響規(guī)律。結(jié)果表明，水固比一定時(shí)，漿液中紅黏土摻量與析水率呈負(fù)相關(guān)，與結(jié)石率呈正相關(guān)；純水泥漿液中摻入紅黏土，流動(dòng)度減弱，摻入紅黏土可有效降低漿液凝結(jié)時(shí)間，漿液凝結(jié)時(shí)間與紅黏土摻量呈負(fù)相關(guān)。漿液水固比為0.8，紅黏土摻量為50%時(shí)，效果較優(yōu)，初始黏度低，流動(dòng)度接近純水泥漿液，與傳統(tǒng)水泥漿液相比，凝結(jié)固化時(shí)間低，析水率低，結(jié)石率達(dá)95%以上；通過現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)，單孔每米注漿可節(jié)省水泥量約213 kg，大大減少水泥用量，降低注漿成本，檢查孔檢測注漿后透水率為3.52 Lu，防滲堵水效果較好，對(duì)地下水進(jìn)行有效攔截，保證礦山安全可持續(xù)開采。

關(guān)鍵詞：水泥；水泥-紅黏土；注漿材料；降低成本；防滲堵水

中圖分類號(hào)：TD745

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào) 1000-5269（2023）03-0071-07

DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2023.03.10

我國大水礦床開采受地下水影響較大，采用單一抽排水方式進(jìn)行積水治理不僅費(fèi)用高，在施工過程中存在安全隱患，大量抽水將會(huì)破壞地下水動(dòng)態(tài)平衡，將會(huì)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境受到影響。因此，注漿技術(shù)已成為礦山水患治理的重要手段之一。

注漿材料是注漿技術(shù)關(guān)鍵的組成部分，注漿材料的選取及摻量對(duì)防滲堵水效果有較大影響，其中水泥材料被普遍使用，普通水泥單漿液等傳統(tǒng)注漿材料對(duì)水泥消耗量太大，不利于社會(huì)可持續(xù)發(fā)展［1］。趙忠杰［2］研究的黏土-水泥漿液可注性較強(qiáng)，抗?jié)B堵水效果明顯；在一些特性指標(biāo)達(dá)到或超過了單液水泥性能。黏土-水泥漿液具有良好的穩(wěn)定性、分散性和觸變性；黏土礦物顆粒細(xì)微，保證了漿液的較強(qiáng)可注性能。苗賀朝等［3］以正交試驗(yàn)為基礎(chǔ)分析了粉煤灰基材料的特性，使用綜合平衡法篩選出最佳配比，漿液性能指標(biāo)好，注漿施工得到滿足，0.8∶1的水固比，3∶7的固相比，2%的激發(fā)劑含量，注漿作業(yè)溫度大于 15 ℃。谷天峰等［4］研究了水泥-黃土漿液，隨著黃土摻量增加，黏度與結(jié)石率均減小，析水率變大、凝結(jié)時(shí)間變長。劉杰等［5］分析了不同的水固比黏土水泥漿。水固比較大時(shí)，漿液符合牛頓流體，黏度穩(wěn)定；水固比較小時(shí)，漿液符合賓漢流體，黏度先增大后穩(wěn)定不變。夏沖等［6］研究了水泥粉煤灰-改性水玻璃材料，當(dāng)改性水玻璃體積增大時(shí)，初凝時(shí)間變長，終凝時(shí)間正好相反。費(fèi)子豪等［7］研究了在水泥漿中加入膨潤土，水固比一定時(shí)，膨潤土摻量上升，漿液流動(dòng)度下降。SHA等［8］研制出黏土-水泥復(fù)合注漿材料，具有更快的凝膠時(shí)間、更低的泌水率和體積收縮率、更大的初始黏度，而且降低了工程成本和環(huán)境污染。CUI［9］等研制的富水粉質(zhì)細(xì)砂地層的高性能注漿材料有凝固時(shí)間可調(diào)、耐久性高等特點(diǎn)。張毅等［10］利用紅黏土棄渣合成了一種注漿材料，該材料泌水率低、流動(dòng)度高、綠色環(huán)保并且成本較低。由以上說明，注漿漿液初始黏度低、析水率低及結(jié)石率高等優(yōu)良性能是研究發(fā)展方向，通過更合理的配比盡可能彌補(bǔ)注漿漿液的不足，以期產(chǎn)生更好的注漿效果。

傳統(tǒng)水泥注漿材料存在注漿成本較高，結(jié)石率低，凝結(jié)時(shí)間長等問題。通過試驗(yàn)，研究了不同配比條件下水泥-紅黏土材料的析水率性能、結(jié)石率性能、流動(dòng)性能、黏度性能及凝結(jié)時(shí)間性能，并結(jié)合現(xiàn)場注漿試驗(yàn)，對(duì)成本問題及封堵效果進(jìn)行研究，以期為類似注漿工程應(yīng)用提供一定參考。

1 試驗(yàn)儀器材料和配比方案

1.1 試驗(yàn)儀器及材料

試驗(yàn)儀器主要有電子秤、懸臂式攪拌機(jī)、維卡儀、篩網(wǎng)、量杯、量筒、計(jì)時(shí)器、溫度計(jì)、ZNN-D6B六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、1 000 mm×1 000 mm高度及水平可調(diào)節(jié)的擴(kuò)展度流動(dòng)儀、截錐圓模（上口直徑36 mm、下口直徑60 mm、高度60 mm）及透明尺等。水泥：普通P·O42.5硅酸鹽水泥，符合GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求；紅黏土各物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1，燒失量為9.71%。

1.2 試驗(yàn)配比方案

水泥-紅黏土漿液配比方案如表2所示，水固比為水的質(zhì)量與紅黏土和水泥的總質(zhì)量之比， mR∶mC為紅黏土質(zhì)量與水泥質(zhì)量之比。

2 水泥-紅黏土漿液基本性能分析

2.1 析水率性能分析

析水率代表漿液在穩(wěn)定時(shí)，各材料因沉降而析出水的比率，它主要代表漿液穩(wěn)定性能［11］。ZHANG等[12]研制了一種新型黏土-水泥復(fù)合注漿材料，與水泥漿液相比，該漿液具有較快凝結(jié)時(shí)間、低析水率及初始粘度大等優(yōu)點(diǎn)。析水率過高會(huì)導(dǎo)致材料分層明顯，導(dǎo)致漿液不達(dá)標(biāo)，注漿封堵效果差。水固比為0.6、0.8、1、2、5時(shí)，漿液析水率變化曲線如圖1所示。

如圖1可知，當(dāng)紅黏土摻量一定時(shí)，隨著水固比的增加，漿液析水率不斷增加。水固比由0.6變化到2時(shí)，析水率呈線性增加趨勢且析水率增加速率較快，在水固比為2時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，水固比大于2時(shí)，析水率上升趨勢緩慢。

紅黏土摻量由0變化到50%時(shí)，水固比為0.8，漿液析水率下降70%；水固比為1，析水率下降22%；水固比為2，析水率下降12%；水固比為5，析水率下降6%。水固比為0.8，隨著紅黏土摻量的增加，漿液析水率逐漸下降，且與其他水固比相比下降幅度更為顯著。

綜上所述，在紅黏土摻量一定時(shí)，漿液析水率隨水固比的增大而增大；水固比范圍在0.6～0.8時(shí)，析水率變化幅度較小，漿液較穩(wěn)定；水固比在0.8～5范圍內(nèi)一定時(shí)，隨著紅黏土摻量的增加，漿液析水率呈不斷下降趨勢；在水固比大于1時(shí)，漿液析水分層嚴(yán)重，沉降較快，漿液不穩(wěn)定，注漿效果較差。

2.2 結(jié)石率性能分析

結(jié)石率是結(jié)石體體積與注漿漿液體積之比，結(jié)石率對(duì)裂隙封堵有重要作用，結(jié)石率過大易造成裂隙擴(kuò)張，過小封堵效果較差，較高的結(jié)石率充填縫隙效果較好，可明顯提高堵水效果，因此，合理的結(jié)石率至關(guān)重要。

如圖2可知，當(dāng)紅黏土摻量一定時(shí)，隨著水固比的增加，水泥-紅黏土漿液結(jié)石率不斷降低。當(dāng)紅黏土摻量為50%時(shí)，水固比在0.6處漿液黏度大，析水率低，結(jié)石率高；水固比為0.8時(shí)，紅黏土摻量小于20%，漿液結(jié)石率達(dá)到80%以上，紅黏土摻量大于20%時(shí)，漿液結(jié)石率達(dá)到90%以上。水固比在0.8～5之間一定時(shí)，隨著紅黏土摻量的增加，漿液結(jié)石率不斷增加。紅黏土摻量由0變化到50%時(shí)，水固比為0.8，漿液結(jié)石率增長14%；水固比為1，結(jié)石率增長9%；水固比為2，結(jié)石率增長1%；水固比為5，結(jié)石率增長3%。水固比為0.8，紅黏土摻量為50%時(shí)，漿液結(jié)石率大于95%。

綜上所述，在紅黏土摻量一定時(shí)，漿液結(jié)石率隨水固比的增加而降低。相同水固比時(shí)，水泥漿液中加入紅黏土，漿液結(jié)石率整體呈不斷上升趨勢；水固比范圍在0.6～0.8時(shí)，漿液結(jié)石率較高。因此，可以合理調(diào)整漿液配合比及紅黏土摻量來控制漿液結(jié)石率。

2.3 流動(dòng)性能分析

流動(dòng)性能對(duì)漿液可注性有較大影響，研究漿液流動(dòng)性具有現(xiàn)實(shí)意義。漿液擴(kuò)散受流動(dòng)性影響很大［13］，通過凈漿流動(dòng)度試模與流動(dòng)儀測定漿液在不同配比情況下的流動(dòng)度值，以多次試驗(yàn)測定的平均值作為流動(dòng)度值，其中，每組試驗(yàn)取值時(shí)，取兩個(gè)相互垂直的最大直徑，求出平均值，研究漿液流動(dòng)度變化情況。

由圖3可知，水固比在0.6～2范圍內(nèi)，當(dāng)紅黏土摻量一定時(shí)，隨著水固比增加，水泥-紅黏土漿液流動(dòng)速度逐漸增加。水固比在2～5范圍內(nèi)時(shí)，漿液流動(dòng)度趨于平緩，變化幅度較小，這是由于水含量增加，各材料內(nèi)部微小顆粒范圍更大，析水率較大且析水速率較快，漿液在一定范圍內(nèi)不再流動(dòng)，此時(shí)漿液中的水分緩慢向四周擴(kuò)散。

水固比在0.6～1范圍內(nèi)一定時(shí)，紅黏土摻量由0變化到50%，漿液流動(dòng)度總體呈微弱下降趨勢。當(dāng)水固比在1～5范圍內(nèi)一定時(shí)，隨著紅黏土摻量由0變化到50%，水泥-紅黏土漿流動(dòng)度變化較小，這是由于漿液析水分層現(xiàn)象嚴(yán)重，析水較快，導(dǎo)致自由水往外擴(kuò)散，漿液顆粒擴(kuò)散范圍小。當(dāng)紅黏土摻量由0變化到50%時(shí)，水固比為1，漿液流動(dòng)度下降7%，水固比為2，漿液流動(dòng)度下降1%；水固比為5，漿液流動(dòng)度下降2%。說明在低水固比時(shí)，紅黏土吸收部分自由水，導(dǎo)致漿液流動(dòng)性減弱，水固比增加時(shí)，紅黏土對(duì)漿液流動(dòng)度影響變小。

綜上所述，當(dāng)紅黏土摻量一定時(shí)，水固比在0.6～2范圍內(nèi)增加，漿液流動(dòng)度隨之升高；水固比大于0.6時(shí)，摻入紅黏土的漿液流動(dòng)度與純水泥漿液接近，水固比在0.6～0.8范圍內(nèi)，紅黏土摻量由10%增加到50%時(shí)，水泥-紅黏土漿液流動(dòng)度下降；水固比在1～5范圍內(nèi)，紅黏土摻量的增加漿液流動(dòng)度變化較小。因此，在工程中可以適當(dāng)調(diào)整材料的比例達(dá)到增加流動(dòng)度的目的。

2.4 黏度性能分析

注漿漿液的黏度是注漿的重要指標(biāo)之一。漿液黏度過大時(shí)，結(jié)實(shí)體易出現(xiàn)空腔現(xiàn)象［14］，初始黏度不能過高，合理的漿液黏度對(duì)注漿漿液的利用率提升明顯［15］。利用ZNN-D6B六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)研究漿液在不同配比下的黏度變化規(guī)律，通過ZNN-D6B六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的讀數(shù)來判定其黏度值。

由圖4可知，當(dāng)紅黏土摻量一定，水固比由0.6變化到2時(shí)，漿液黏度不斷降低。水固比在2～5范圍內(nèi)，由于析水率過高漿液黏度趨于平緩。

水固比在0.6～2范圍內(nèi)，紅黏土摻量由10%變化到50%時(shí)，漿液黏度不斷增加，而摻量為50%時(shí)，漿液黏度恒大于其他摻量。紅黏土摻量由10%變化到50%時(shí)，水固比為0.6，漿液黏度增長78%；水固比為0.8，漿液黏度增長51%；水固比為1，黏度增長28%。水固比為0.6，紅黏土摻量為50%時(shí)，漿液黏度值過大。水固比大于2時(shí)，漿液黏度趨近于0，這是由于漿液析水率大，材料分子間吸附力差，黏度減小。

綜上所述，水固比在0.6～2范圍內(nèi)，當(dāng)紅黏土摻量一定時(shí)，漿液黏度隨著水固比增加而降低。水固比范圍在0.6～2范圍內(nèi)一定時(shí)，紅黏土摻量為10%～50%，漿液黏度與紅黏土摻量呈正相關(guān)。

2.5 凝結(jié)時(shí)間性能分析

注漿施工中控制漿液的凝結(jié)時(shí)間至關(guān)重要，在動(dòng)水作用下較短的凝結(jié)時(shí)間可有效對(duì)地層進(jìn)行防滲封堵，為防止?jié){液被水流稀釋或沖刷，凝結(jié)時(shí)間不易過長。普通硅酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間太長［16］，而凝結(jié)時(shí)間過短對(duì)漿液輸送有影響。

由圖5和圖6可知，當(dāng)紅黏土摻量一定時(shí)，水固比由0.6增加到2，水泥-紅黏土漿液初凝與終凝時(shí)間不斷升高；水固比由2增加到5，水泥-紅黏土漿液初凝與終凝時(shí)間變化趨勢較小。水固比由2變化到5凝結(jié)時(shí)間增加不明顯，是因?yàn)闈{液在該范圍內(nèi)析水率高，黏度低，沉淀較快，導(dǎo)致凝結(jié)時(shí)間無明顯增加。水固比在0.6到5范圍內(nèi)，紅黏土摻量由0變化到50%時(shí)，漿液初凝與終凝結(jié)時(shí)間不斷降低，由表可知3，水泥-紅黏土漿液凝結(jié)時(shí)間與紅黏土摻量呈負(fù)相關(guān)。

綜上所述，水固比范圍為0.6～2，當(dāng)紅黏土摻量一定時(shí)漿液凝結(jié)時(shí)間隨水固比的增加而增加，水固比一定時(shí)，水泥漿液中加入紅黏土使?jié){液黏度增加，以致漿液凝結(jié)時(shí)間降低，水泥-紅黏土漿液固化時(shí)間低于純水泥漿液固化時(shí)間，與傳統(tǒng)漿液相比，固化反應(yīng)時(shí)間更容易控制。因此，可以合理控制漿液的凝結(jié)時(shí)間。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某露天礦礦坑涌水量大，在東北角二疊系下統(tǒng)茅口組、棲霞組巖溶水含水層，巖性為虎斑狀灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r，分水嶺以北寒武系下統(tǒng)梅樹村組大海段至震旦系上統(tǒng)燈影組巖溶水含水層，白云巖、含磷白云巖及磷塊巖為主要巖性，涌水量較強(qiáng)，在礦區(qū)開展試驗(yàn)段，形成連續(xù)墻，鉆孔深度標(biāo)準(zhǔn)為60 m，由于長期積水作用，礦體穩(wěn)定性受到較大影響。抽水量過大極易破壞地下水動(dòng)態(tài)平衡，并且抽水費(fèi)用太高，采礦成本增大。

3.2 結(jié)果分析

采用水固比為0.8，紅黏土摻量為50%的水泥-紅黏土漿液以注漿法對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行封堵，通過物探、壓水試驗(yàn)等對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行分析，并觀察水位變化情況，按注漿順序分為Ⅰ序孔、Ⅱ序孔和Ⅲ序孔。由圖7可知，每個(gè)孔序的平均單注量逐漸減少，Ⅱ序孔平均單注量相比于Ⅰ序孔下降31%；Ⅲ序孔平均單注量和Ⅱ序孔比較下降為52%。說明地層被逐漸填充密實(shí)，封堵效果良好。3個(gè)孔序的每米平均注入量為426 kg，摻入50%紅黏土的漿液，每米注入量相比于純水泥注漿，水泥用量約減少213 kg，節(jié)約了水泥用量，而紅黏土取材方便，大大降低了材料成本。

如圖8所示，試驗(yàn)段不同注漿孔序透水率表現(xiàn)為逐級(jí)降低的趨勢，且降低幅度明顯，Ⅱ序孔與Ⅰ序孔相比減少41%，Ⅲ序孔與Ⅱ序孔相比減少69%，Ⅲ序孔與Ⅰ序孔相比減少82%。注漿后檢查孔平均透水率為3.52 Lu，屬于弱透水性質(zhì)，并且帷幕形成后改變了附近區(qū)域地表徑流條件，如圖9所示，有效攔截了涌水通道，溝渠干涸，說明注漿防滲效果較好。

4 結(jié)論

本文通過試驗(yàn)，研究了不同水固比及紅黏土摻量條件下，水泥-紅黏土漿液的注漿特性，并在大水露天礦山開展現(xiàn)場注漿工業(yè)試驗(yàn)對(duì)堵水效果進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1）水固比范圍在0.6～0.8之間時(shí)，漿液析水率較低，結(jié)石率較高。在水固比一定時(shí)，隨著紅黏土摻量的增加，漿液析水率降低，結(jié)石率提高，即穩(wěn)定性能逐漸增強(qiáng)。

2）紅黏土的摻入會(huì)減弱漿液的流動(dòng)度。水固比范圍在0.6～1之間一定，且紅黏土摻量在10%～50%時(shí)，漿液黏度與紅黏土摻量呈正相關(guān)。

3）在水固比一定時(shí)，漿液凝結(jié)時(shí)間與紅黏土摻量呈負(fù)相關(guān)，紅黏土的摻入能夠有效降低漿液凝結(jié)時(shí)間，有利于在動(dòng)水條件下的沉積留存，提高裂隙封堵效果。

4）通過不同配比試驗(yàn)得出，水泥-紅黏土漿液中紅黏土摻量為50%，水固比為0.8時(shí)，效果較優(yōu)，流動(dòng)度強(qiáng)，初始黏度低，凝結(jié)時(shí)間較短，結(jié)石率可達(dá)95%以上。在工程應(yīng)用中，單孔每米注漿約減少213 kg水泥用量，大大減小水泥用量，降低成本，并且防滲封堵效果好，能夠滿足礦山注漿堵水需求。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）

Abstract： In order to solve the problems of high cost， low stone rate and long setting time of pure cement slurry grouting， the cement-red clay grouting materials were studied. The effects of water solid ratio and red clay content on water extraction rate， fluidity， viscosity， setting time and stone rate of grout were analyzed. In order to solve the problems of high cost， low fluidity and long setting time of pure cement slurry grouting， the cement-red clay grouting materials were studied. Through laboratory tests， the effects of water solid ratio and red clay content on water extraction rate， fluidity， viscosity， setting time and stone rate of grout were also analyzed. The results show that when the ratio of water to solid is constant， the content of red clay in the slurry is negatively correlated with the water extraction rate， but positively correlated with the stone rate. When red clay is added into pure cement grout， the fluidity is weakened. The addition of red clay can effectively reduce the setting time of grout， which is negatively correlated with the content of red clay. When the slurry water-solid ratio is 0.8 and the red clay content is 50%， the effect is better， the initial viscosity is low， the mobility is close to the pure cement slurry， and the setting and curing time is lower than that of the traditional cement slurry， with a lower water extraction rate， and a higher stone rate being above 95%. Through the field industrial test， the grouting of single hole per meter can save about 213 kg of cement， greatly reducing the cement consumption and the cost of grouting. The permeability of check hole detection after injection is 3.52 Lu， achieving a good anti-seepage plugging effect and aneffective interception of groundwater， ensuring the safe and sustainable mining in the future.

Key words： cement; cement-red clay; grouting material; reduce costs; seepage water plugging

基金項(xiàng)目：云南省科技廳面上資助項(xiàng)目（KKS0202121020）

作者簡介：王新振（1996—），男，在讀碩士，研究方向：巖土工程與注漿材料，E-mail：w915855733@sina.cn.

*通訊作者：侯克鵬，E-mail：2764403681@qq.com.