基于李村煤礦破碎頂板注漿支護(hù)材料的改性試驗(yàn)

王海鵬

(潞安集團(tuán) 李村煤礦,山西 長治 046600)

潞安集團(tuán)李村煤礦為高瓦斯深埋礦井,現(xiàn)開采3號煤層采高為6 m,采煤方法為一次采全高。由于煤層埋深較大,工作面煤壁與頂?shù)装逅軕?yīng)力較大,煤壁片幫、冒頂現(xiàn)象較為突出。為確保工作面安全開采,該礦井對頂板圍巖進(jìn)行單排眼挑頂注漿加固;對頂部大面積片幫區(qū)采用均勻注漿粘接固化加固;對破碎煤幫采用整體錨注進(jìn)行注漿加固。因此,在該礦井推進(jìn)過程中注漿工程所占比例較大,合理選取具有高效性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性的注漿漿材是提高礦井經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的重要組成部分[1]。

1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)材料主要有P.O42.5普通硅酸鹽水泥、鋼渣微粉、速凝劑與羥乙基纖維素(HEC)。選用水泥為骨料是由于水泥在混合漿液中可以起到一定的緩凝作用,可以在礦井注漿時間不確定的情況下,適當(dāng)?shù)鼐徑鉂{液的固結(jié)時間,并且水泥中的硅酸二鈣與硅酸三鈣都能夠與漿液中的各組分搭建晶鏈結(jié)構(gòu),起到增大結(jié)石體強(qiáng)度的效果[2-4];選用鋼渣微分是介于其來源廣泛,可以滿足礦井注漿工程的經(jīng)濟(jì)性,并且具備較高的強(qiáng)度,可以通過改變其組分比例滿足礦井的充填固結(jié)需求;速凝劑選用無機(jī)復(fù)合材料(AF726)作為添加劑,能夠提高漿液固結(jié)后的早期強(qiáng)度,能夠滿足礦井注漿支護(hù)的及時性;羥乙基纖維素(HEC)可以提高漿液混合后的流動度,使各組分能夠在漿液中以膠狀體狀態(tài)均勻分布[5-6]。

2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)所選取因素為水固比s(水與固體組分的質(zhì)量比)、膠固比m1(凝膠材料HEC與水泥和鋼渣微粉的總質(zhì)量之比)、鋼渣微粉占固體混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)m2、速凝劑與漿液體積比V'。通過設(shè)計(jì)四因素(如表1所示)、四水平正交試驗(yàn),對不同水平下每組編號的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表如表2所示。

表1 正交試驗(yàn)因素表Table 1 Orthogonal factor table

表2 正交試驗(yàn)表Table 2 Orthogonal test table

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

對每組試驗(yàn)進(jìn)行特性分析,分別對漿液凝結(jié)時間t(初凝與終凝)、泌水率h、10分鐘時的流動度d與結(jié)石體28d抗壓強(qiáng)度P四個方面進(jìn)行測試,通過多次試驗(yàn),除去失效數(shù)據(jù)將所得數(shù)據(jù)均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如表3所示。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 3 Testing data table

根據(jù)上表數(shù)據(jù)可以得出水固比越大,結(jié)石體的28d強(qiáng)度值越大,但由于相同水固比下水泥與鋼渣微分的組分含量不同,當(dāng)鋼渣微粉的含量超過50%之后,由于多余的鋼渣微粉不僅不能夠增大結(jié)石體強(qiáng)度,反而會由于水泥含量較少,無法充分將漿液中各組分構(gòu)建晶鏈搭接結(jié)構(gòu),因此隨著鋼渣微粉質(zhì)量比的繼續(xù)增大而減小[7];當(dāng)鋼渣微粉含量超過50%之后,未進(jìn)行晶鏈搭接的部分鋼渣微粉會以游離狀存在于漿液中,影響了漿液的固結(jié)速度;速凝劑對凝結(jié)時間的影響較大,增大速凝劑的含量可以縮短漿液的凝結(jié)時間,當(dāng)凝結(jié)時間到達(dá)一定程度時呈現(xiàn)略微上升的趨勢,并且在試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn),添加適量速凝劑可以提高結(jié)石體的3d抗壓強(qiáng)度;羥乙基纖維素(HEC)含量越大,則漿液膠固比越大,流動度越小;鋼渣微粉含量越大,還可以增大材料穩(wěn)定性,減小其泌水率,但膠固比較小時,作用效果并不明顯,當(dāng)含量增大至1:1時,其穩(wěn)定性得到明顯改善,且泌水明顯減少,但繼續(xù)增大至2:1時,其流動性又立即下降,此時漿液泌水率最小,凝結(jié)時間最大。

在礦井注漿工程中,漿液需要滿足確保在足夠的注漿時間下確保漿液的流動度;固結(jié)之后要具備較高的結(jié)石體強(qiáng)度,以確保注漿支護(hù)具備足夠的可靠性[8];漿液在流動過程中泌水率不能過大,否則會出現(xiàn)漿液分層現(xiàn)象,導(dǎo)致漿液擴(kuò)散邊界處結(jié)石體強(qiáng)度不夠,影響擴(kuò)散半徑,并導(dǎo)致注漿孔間距失效。因此,根據(jù)上述要求可以得出編號S3與S8滿足礦井注漿需求的28d抗壓強(qiáng)度為12.43 MPa,S8的28d抗壓強(qiáng)度為5.46 MPa,礦井支護(hù)強(qiáng)度過大反而會影響工作面的正常放頂與割煤,因此選取S3配比進(jìn)行新型注漿漿液的配制最佳。

4 結(jié)論

通過分析不同水平的水固比s、膠固比m1、鋼渣微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)m2、速凝劑與漿液體積比V'四因素的試驗(yàn),可以得到以下結(jié)論:

1)采用鋼渣微粉替代部分部分水泥可以得到注漿材料的經(jīng)濟(jì)性,鋼渣微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時,漿液具備合理的凝結(jié)時間,能夠滿足礦井注漿需求,并且固結(jié)后強(qiáng)度可以達(dá)到5 MPa以上,滿足支護(hù)與割煤需求。

2)添加速凝劑可以在鋼渣微粉含量控制之外對凝結(jié)時間起主要調(diào)控作用。

3)泌水率對于漿液的固結(jié)效果很重要,泌水率太大會造成漿液分層,影響漿液的真是擴(kuò)散半徑,因此應(yīng)當(dāng)盡可能減小漿液的泌水率。

4)漿液在合理的初凝時間下,應(yīng)當(dāng)盡可能縮短初凝與終凝時間的間隔,減少工作面不必要的等待時間,并且漿液需要在初凝時間內(nèi)保持良好的流動度,具備足夠的可泵性。

通過對比各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出,新型礦井注漿改性材料的配比為:水固比0.6:1,膠固比1:2,鋼渣微分質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%,速凝劑與漿液體積比0.5:1的比例配置硅酸鹽水泥、鋼渣微粉、速凝劑與羥乙基纖維素混合漿液。

[1] 任昂,馮國瑞,郭育霞,等.粉煤灰對煤礦充填膏體性能的影響[J].煤炭學(xué)報,2014(12):2374-2380.

REN Ang,FENG Guorui,GUO Yuxia,etal.Influence on Performance of Coal Mine Filling Paste with Fly Ash[J]. Journal of China Coal Society,2014(12):2374-2380.

[2] 蘇張妍.高滲透性灌漿材料的研制及其改性研究[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2008.

[3] 趙洪梅,李磊等.裂隙巖體加固漿材的試驗(yàn)研究[J].長江學(xué)院院報,2012,29(7):77-81.

[4] 李春暉.復(fù)摻礦物摻合料混凝土碳化性能研究[M].西安:西安建筑科技大學(xué)出版社,2009.

[5] 鄭蕾董.復(fù)摻礦物摻合料混凝土性能及其抗壓強(qiáng)度預(yù)測模型研究[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2012.

[6] 李芳.L型鉆孔地面預(yù)注漿單液水泥基復(fù)合注漿材料研究[J].煤礦安全,2015,46(10):32-39.

LI Fang.Research on Ground Pre-grouting Single Liquid Cement Base Composite Grouting Material for L-borehole[J].Safety in Coal Mines,2015,46(10):32-39.

[7] 李利平,李術(shù)才,張慶松,等.一種新型高分子注漿材料的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2010,29(S1):3150-3156.

LI Liping,LI Shucai,ZHANG Qingsong,etal.Experimental Study of a New Polymer Grouting Material[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(S1):3150-3156.

[8] 劉長武,陸士良.水泥注漿加固對工程巖體的作用與影響[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000,29(5):454-458.

LIU Changwu,LU Shiliang.Reinforcement Effect of Cement Grouting on Engineering Rock Mass [J].Journal of China University of Mining & Technology,2000,29(5):454-458.