不同注漿材料與煤水、煤巖泥漿液性能試驗(yàn)與分析

張玉萌 倪振強(qiáng)

(聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院)

0 引言

由于礦井巖體周?chē)鷼怏w環(huán)境的復(fù)雜性和密閉性，對(duì)注漿材料在進(jìn)行巖體裂隙與孔洞灌漿的過(guò)程中反應(yīng)劇烈程度、放出熱量多少等缺少科實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，注漿材料使用大多是通過(guò)以往的工程處理經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人為判斷。在最近幾年，全國(guó)各地出現(xiàn)了許多因使用注漿材料不當(dāng)導(dǎo)致火災(zāi)事故的產(chǎn)生，如山西焦煤集團(tuán)霍州煤電三交河煤礦因化學(xué)注漿溫度過(guò)高引發(fā)煤自然發(fā)火事故。因此，需要對(duì)不同注漿材料性能做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，為注漿材料的使用提供科學(xué)的依據(jù)[1-3]。

以往的研究中，對(duì)單獨(dú)分析固邦特、馬麗散、水泥注漿材料在圍巖頂板、軟巖加固、巖體裂隙與孔隙等應(yīng)用和單獨(dú)注漿材料的漿液強(qiáng)度分析的文獻(xiàn)較多，但是將固邦特、馬麗散、水泥注漿材料與煤水、煤巖泥形成的漿液的性能對(duì)比試驗(yàn)的研究較少。本文在礦井巷道及地面進(jìn)行了不同注漿材料漿液性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，從而得出性能最好的4 分鐘初凝固邦特注漿材料漿液，具有較高的工程價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

注漿材料性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為-780m 南翼膠帶機(jī)巷迎頭附近。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，實(shí)驗(yàn)用一次性紙杯容量為210ml；實(shí)驗(yàn)進(jìn)行當(dāng)日巷道內(nèi)空氣溫度為31.5℃，相對(duì)濕度為90%，本次實(shí)驗(yàn)為無(wú)壓實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)煤巖泥取自迎頭鉆場(chǎng)；實(shí)驗(yàn)用煤水取自迎頭管棚鉆孔，水溫現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定為39℃。

1.2 原材料

參與本次實(shí)驗(yàn)的注漿材料有4 種，分別為：2 分鐘初凝固邦特（普通型）、8 分鐘初凝固邦特（普通型）、固瑞特、馬麗散。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

⑴實(shí)驗(yàn)分兩組進(jìn)行，第一組4 種注漿材料和煤巖泥混合固結(jié)實(shí)驗(yàn)，第二組4 種注漿材料和煤水混合固結(jié)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前首先測(cè)定巷道環(huán)境溫度、水溫度、相對(duì)濕度。

⑵首先將煤巖泥和煤水分別放入各自的實(shí)驗(yàn)杯中；新型注漿材料A 料和B 料按比例混合后倒入實(shí)驗(yàn)杯中；普通水泥和快硬水泥藥卷配好后倒入實(shí)驗(yàn)杯中，并攪拌均勻。

⑶每種實(shí)驗(yàn)材料與煤巖泥配比2 杯，與煤水配比1杯。

⑷由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件限制較大，實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)指壓法、感觀認(rèn)識(shí)、相機(jī)記錄等方式來(lái)宏觀、定性的進(jìn)行注漿材料性能對(duì)比。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注漿材料宏觀性能對(duì)比分析具體結(jié)果見(jiàn)本文第3部分：實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比差異。其中代碼表示注漿材料的漢語(yǔ)拼音首字母。如：2GBT(PT)-S 代表2 分鐘初凝固邦特（普通型）與煤水反應(yīng)；2GBT(PT)-M 代表2 分鐘初凝固邦特（普通型）與煤巖泥反應(yīng)；GRT-S 代表固瑞特與煤水反應(yīng)；GRT-M 代表固瑞特與煤巖泥反應(yīng)。

2.2 地面二次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)在井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，基本上可以從宏觀角度定性地了解各種注漿材料的性能。鑒于8 分鐘初凝固邦特（普通型）與煤巖泥混合后初凝時(shí)間、終凝時(shí)間、強(qiáng)度均和理論值差距較大的情況，在地面進(jìn)行了該樣品的二次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)配比情況相同，但實(shí)驗(yàn)用水經(jīng)過(guò)加熱后使用，以滿(mǎn)足此注漿材料充分反應(yīng)所需的溫度。地面二次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：8 分鐘初凝固邦特（普通型）在實(shí)驗(yàn)2 小時(shí)內(nèi)仍然未充分初凝，初凝時(shí)間較井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)略有縮短，但依然和理論值差距較大，強(qiáng)度增加幅度依然較慢。

2.3 地面三次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、地面二次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)可知，8 分鐘固邦特（普通型）與煤巖泥混合后，初凝時(shí)間在8 小時(shí)左右甚至更長(zhǎng)，強(qiáng)度很低。為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)此種材料的固結(jié)特性，將8 分鐘固邦特（普通型）初凝時(shí)間調(diào)至4 分鐘，再一次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)材料配比比例不變。地面三次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得出：4 分鐘固邦特（普通型）A、B 料混合后初凝時(shí)間為3 分20 秒，終凝后強(qiáng)度很高。與煤巖泥混合后初凝時(shí)間為8min 左右，終凝強(qiáng)度很高。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比差異

3.1 注漿材料與煤水反應(yīng)性能對(duì)比分析

3.1.1 2GBT(PT)-S 與8GBT(PT)-S 性能對(duì)比差異

2GBT(PT)-S：與煤水?dāng)嚢韬笞{材料和煤水分層；終凝時(shí)間約為7 分鐘，初凝時(shí)實(shí)驗(yàn)杯下部強(qiáng)度適中，終凝后感觀判斷強(qiáng)度很高；反應(yīng)過(guò)程中伴生放熱現(xiàn)象，溫度較高，實(shí)驗(yàn)杯底鼓起，說(shuō)明有氣體產(chǎn)生或者因放熱所致。

8GBT(PT)-S；與煤水?dāng)嚢韬蠓謱?，注漿材料在下，水離析在上；有熱量伴生，溫度較高；反應(yīng)平緩，初凝時(shí)間約為41 分鐘，終凝后感觀判斷強(qiáng)度較高。

3.1.2 MLS-S 與GRT-S 性能對(duì)比差異

MLS-S：A、B 料混合輕微攪拌即開(kāi)始發(fā)泡；倒入實(shí)驗(yàn)杯后基本沒(méi)有攪拌時(shí)間便迅速發(fā)泡，發(fā)泡時(shí)間約持續(xù)1～2 分鐘，并有大量熱量放出；反應(yīng)結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)杯中水依然存在；發(fā)泡倍數(shù)小于GBT(FB)-S。

GRT-S：與煤水?dāng)嚢韬蠓謱?，固瑞特在下，水離析在上；反應(yīng)過(guò)程中少量發(fā)泡，溫度上升快；終凝時(shí)間約為24 分鐘，終凝后強(qiáng)度很高；實(shí)驗(yàn)杯中上部煤水由液態(tài)逐漸變?yōu)槟z體狀，但強(qiáng)度低。

3.2 注漿材料與煤巖泥反應(yīng)性能對(duì)比分析

3.2.1 2GBT(PT)-M 與8GBT(PT)-M 性能對(duì)比差異

2GBT(PT)-M：終凝時(shí)間約為7 分鐘，初凝強(qiáng)度適中，反應(yīng)中伴有熱量產(chǎn)生，終凝后感觀判斷強(qiáng)度較高。

8GBT(PT)-M：①與煤巖泥攪拌后反應(yīng)遲緩，基本不散熱，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間（2 小時(shí)）內(nèi)沒(méi)有初凝。②將實(shí)驗(yàn)樣品帶至地面后，下午5 時(shí)基本初凝，但效果不佳，基本無(wú)強(qiáng)度。③第二天下午強(qiáng)度較高。④本樣品初凝時(shí)間長(zhǎng)，終凝標(biāo)志不明顯，強(qiáng)度緩慢增加。

表1 2GBT(PT)-M與8GBT(PT)-M實(shí)驗(yàn)結(jié)果性能對(duì)比

3.2.2 MLS-M 與GRT-M 性能對(duì)比差異

MLS-M：①A、B 料混合輕微攪拌即開(kāi)始發(fā)泡。②倒入實(shí)驗(yàn)杯后基本沒(méi)有攪拌時(shí)間便迅速發(fā)泡，發(fā)泡時(shí)間約為1～2 分鐘，并有大量熱量放出。③終凝后發(fā)泡量總體小于固邦特（發(fā)泡型）的發(fā)泡量。

GRT-M：①攪拌后反應(yīng)較快。②反應(yīng)過(guò)程中感官判斷強(qiáng)度提升快，有熱量放出。③終凝時(shí)間約為18 分鐘，終凝后強(qiáng)度很高。

4 結(jié)論

⑴不同注漿材料在圍巖裂隙、空洞的填充效果和軟巖等加固效果有所差異。兩分鐘固邦特與煤水、煤巖泥反應(yīng)過(guò)程中都會(huì)放出大量的熱量，所以在使用時(shí)應(yīng)注意溫度升高對(duì)圍巖裂縫的影響。

⑵從8 分鐘固邦特（普通型）與煤水、煤巖泥反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)、地面二次實(shí)驗(yàn)、地面三次實(shí)驗(yàn)中得出：8 分鐘固邦特（普通型）初凝時(shí)間在8 小時(shí)左右甚至更長(zhǎng)，強(qiáng)度很低，沒(méi)有一個(gè)明確的分界線來(lái)判斷自身的固結(jié)性能程度。但是調(diào)整8 分鐘固邦特（普通型）初凝時(shí)間至4 分鐘，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)得出，4 分鐘固邦特（普通型）A、B 料混合后初凝時(shí)間為3 分20 秒，終凝后強(qiáng)度很高。與煤巖泥混合后初凝時(shí)間為8min 左右，終凝強(qiáng)度很高。4 分鐘固邦特（普通型）的各項(xiàng)性能滿(mǎn)足注漿材料的基本標(biāo)準(zhǔn)，可以作為井下備用注漿材料，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。