覆巖隔離注漿充填漿體泌水特性試驗研究

張 亮 許家林 軒大洋

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院， 江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221116)

★ 節(jié)能與環(huán)保 ★

覆巖隔離注漿充填漿體泌水特性試驗研究

張 亮1,2許家林1,2軒大洋2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院， 江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221116)

覆巖隔離注漿充填開采是建筑物下壓煤開采的有效方法，充填過程中漿體在壓力作用下將出現(xiàn)泌水，泌出水過多時不僅容易導(dǎo)致充填效率低，同時沁水有可能沿斷層等結(jié)構(gòu)面溢出，對井下安全生產(chǎn)造成一定影響。為了確定覆巖注漿層位內(nèi)充填漿體的泌出水量，掌握充填粉煤灰漿體泌水特性與注漿壓力之間的關(guān)系，采用電液伺服萬能試驗機和自行設(shè)計的粉煤灰漿體壓縮儀開展試驗研究。試驗結(jié)果表明，在壓力作用下，粉煤灰漿體會持續(xù)泌水，泌出速率逐漸降低，直至漿體被壓實后停止；粉煤灰固水率隨著壓力的增加而減小，二者近似呈對數(shù)關(guān)系。基于試驗結(jié)果，建立了充填漿體泌水量與注漿充填壓力及充填層位深度的關(guān)系式。

隔離注漿充填 泌水特性 粉煤灰漿體 固水率

AbstractGrouting filling mining with isolated overburden was an effective method for coal mining under buildings, slurry would bleed under pressure in the course of filling, and excessive bleeding water not only caused low filling efficiency, but also would overflow along the fault planes, which had influence on the safety mining. In order to determine bleeding water yield of slurry in grouting section of the overburden, and grasp the relationship between coal ash slurry bleeding properties and grouting pressure, the electro-hydraulic servo universal tester and self-designed coal ash slurry compression apparatus were used in the experimental research. The results showed that under the pressure effect, the coal ash slurry had a continuous bleeding, the bleeding rate decreased gradually and stopped until the slurry was packed down; fixed moisture rate of coal ash decreased with the increase of pressure, and the relationship between the fixed moisture rate and the pressure was found to be logarithmic. Based on the experimental results, the relation among the bleeding water yield of slurry, grouting filling pressure and the filling section depth was established.

Keywordsisolated grouting filling, bleeding properties, coal ash slurry, fixed moisture rate

覆巖隔離注漿充填技術(shù)充分利用了關(guān)鍵層的承載特性，通過合理確定工作面的采寬與隔離煤柱寬度，經(jīng)地面鉆孔對覆巖離層進行高壓注漿充填，在工作面中部形成壓實支撐區(qū)，通過隔離煤柱與壓實區(qū)聯(lián)合控制地表下沉。覆巖注漿充填過程中，充填漿體中的小部分水被粉煤灰顆粒束縛成為結(jié)合水，其他大多數(shù)成為自由水，在流動中運載粉煤灰顆粒。在覆巖應(yīng)力的擠壓作用下，灰體被壓實后充填離層，從而控制地表沉陷，而自由水則在注漿過程中不斷濾失。自由水泌出過多不僅導(dǎo)致充填效率低，還有可能沿斷層等結(jié)構(gòu)面溢出，對煤礦安全生產(chǎn)造成一定的影響，阻礙覆巖隔離注漿充填的連續(xù)實施，對粉煤灰漿體泌水量的獲得可以指導(dǎo)覆巖合理注漿充填開采工作面。

充填漿體的泌水顯然與其所受壓力存在著密切的關(guān)系，而其所受壓力又受到了鉆孔深度和覆巖自重影響。若能得到漿體泌水特性與壓力的關(guān)系式，即可確定特定地質(zhì)條件和注漿充填工況時的漿體泌水量。有專家對離層注漿減沉中泌出水的滲流規(guī)律進行了探究，認(rèn)為大部分泌出水最終會進入到周圍巖體中；另有專家探究了離層中漿體的流動規(guī)律，得出了水量泌出和漿體顆粒沉淀的機理。但有關(guān)注入到離層中粉煤灰漿體性質(zhì)的研究較少，尤其是在壓力作用下漿體泌水量變化規(guī)律的研究更是鮮有報道。本文利用自行設(shè)計的粉煤灰漿體壓縮儀，在實驗室開展了粉煤灰漿體的泌水特性研究，形成了泌水量的計算方法。

1 試驗方法與方案

1.1 試驗原理與方法

類比粉煤灰漿體在覆巖離層中所處的封閉環(huán)境，設(shè)計了粉煤灰漿體壓縮儀如圖1所示，用以模擬巖層中充填漿體的受力與泌水特征。

由圖1可以看出，用于盛裝粉煤灰漿體的主體漿桶設(shè)計為圓筒狀，內(nèi)徑為130 mm，外徑為140 mm；桶上方為加壓用的活塞及立桿，壓力機通過這2個裝置來使?jié){體壓縮，模擬實際注漿充填層位上方的覆巖應(yīng)力；桶下方為數(shù)層極密的濾網(wǎng)和篩板，在壓力作用下僅有水能穿過，而粉灰顆粒則被阻擋，用以模擬可以滲水的覆巖離層上下界面；所濾出的水能夠通過排水閥放出至量杯內(nèi)。

圖1 粉煤灰漿體壓縮儀

試驗所用壓力機為最大壓力達1000 kN 的MTS C64.106電液伺服萬能試驗機。試驗中，將按照比例配置好的粉煤灰漿體放入漿桶，蓋上頂蓋，用壓力機壓縮立桿，同時保持排水閥開啟，壓力機將自動記錄不同時間的壓力，人工記錄泌水量。

1.2 試驗方案

試驗用粉煤灰樣品取自淮北臨渙煤礦覆巖隔離注漿充填工程所用的臨渙中利電廠粉煤灰，根據(jù)工程實踐得出按水灰質(zhì)量比1.1∶1配成的漿體較為適用于試驗，粉煤灰樣品如圖2所示。

圖2 粉煤灰樣品

在泌水特性試驗中，若壓力達到設(shè)定的閾值后即刻停止加載，此時壓實體中的固留水量并不是最終的固留水量，因此，應(yīng)維持該閾值壓力直至水量趨于定值，即為最終固留水量。這與實際注漿充填工程中漿體受到上覆巖層持續(xù)壓力作用的力學(xué)條件一致。

根據(jù)以上分析，確定本試驗的加載方式為恒速加載與恒壓加載。試驗機初始加載速度為0.05 mm/s，達到所設(shè)定的閾值壓力后，保持壓力恒定繼續(xù)加載，直至漿體不再泌水，可認(rèn)為此時壓實體中水量為最終固留水量。在不同區(qū)域開展覆巖隔離注漿充填工程時，注漿層位深度以及上方覆巖容重各有不同，導(dǎo)致充填粉煤灰漿體所受壓力不同，故本試驗選取了7個具有代表性的閾值壓力，閾值壓力分別選取4 MPa 、6 MPa 、8 MPa、10 MPa、12 MPa 、14 MPa 和16 MPa進行試驗，分別對應(yīng)于注漿層位深度為160 m、240 m、320 m、400 m、480 m、560 m和640 m(以覆巖容重為2500 kg/m3計)。為測試萬能試驗機能否按照設(shè)計執(zhí)行試驗方案，故將試驗最大閾值壓力16 MPa的試驗進行7次，其它閾值壓力各進行1次。試驗壓力隨時間的變化如圖3所示。

圖3 試驗壓力隨時間的變化

由圖3可以看出，在恒速加載階段，試驗壓力隨著時間增加而逐漸升高，由于活塞與漿桶之間存在摩擦力，前期壓力出現(xiàn)些許不平穩(wěn)，但摩擦力遠小于閾值壓力，所以并不影響試驗結(jié)果。當(dāng)試驗壓力達到閾值壓力后即進入恒壓加載階段，壓力基本不隨時間變化，但是因為試驗機的原因，試驗壓力會在閾值壓力周圍輕微震蕩。

2 試驗結(jié)果分析

本試驗僅涉及粉煤灰漿體泌水量的計算，不考慮實際地層中巖體對泌出水的容納能力。由于實際注漿充填工程中漿體濃度不同，即使注入相同質(zhì)量的干灰，漿體在同一壓力下的泌水量也會發(fā)生變化，但在同一載荷下，壓實灰體中固留水質(zhì)量與干灰質(zhì)量之比為定值，本文將其定義為固水率?？梢?，只要確定固水率與壓力的關(guān)系后，即可計算出特定工況下漿體的泌水量。

2.1 固水率變化規(guī)律

各閾值壓力下粉煤灰固水率與壓力的變化趨勢一致，故以閾值16 MPa作用下的1次典型試驗曲線進行分析，典型粉煤灰固水率隨壓力變化曲線如圖4所示。

圖4 典型粉煤灰固水率隨壓力變化曲線

由圖4可以看出，在恒速加載階段，隨著壓力的增大，粉煤灰固水率減小，且減小速率逐漸降低；當(dāng)壓力達到閾值時，曲線仍有下降空間，即未達固水率極限值；進入恒壓加載階段，受到萬能試驗機特性的限制，在加載方式切換時瞬時壓力會減小1 MPa左右，其持續(xù)時間僅為4 s，之后恢復(fù)到閾值壓力，因此不影響試驗結(jié)果。在此階段，粉煤灰固水率繼續(xù)減小，但相比恒速加載階段，減小速率已大幅降低，最終漿體停止泌水。因此可以預(yù)見，在覆巖隔離注漿充填工程實踐中，受到覆巖應(yīng)力作用，粉煤灰漿體中的水大量泌出，漿體最終被壓實，這也得到了鉆孔探測的證實。

2.2 固水率的擬合公式

在實際覆巖隔離注漿充填工程中，因為地質(zhì)條件和采煤方法等因素各異，所以不同工作面的注漿充填層位并不相同，注入離層后漿體所受覆巖應(yīng)力也有差異。為了建立粉煤灰固水率與灰體承受載荷的對應(yīng)關(guān)系，進行了粉煤灰固水率與壓力的擬合關(guān)系曲線如圖5所示。

由此可發(fā)現(xiàn)二者近似呈如下對數(shù)關(guān)系見式(1)：

η=-0.075ln(P)+ 0.6355

(1)

式中：η——粉煤灰固水率，%；

P——灰體承受載荷，MPa。

雖然試驗中使用漿體的水灰質(zhì)量比為1.1∶1，但是式(1)與漿體的水灰質(zhì)量比無關(guān)，因為任一壓力在恒壓加載過程中，漿體中的水終會泌出，所以水灰比不會影響壓實漿體的固留水量。需要指出，式(1)與試驗用的粉煤灰種類密切相關(guān)，因而，本試驗結(jié)果僅適合于淮北市臨渙中利電廠粉煤灰，后續(xù)還需研究其他灰樣固水率的變化規(guī)律。

圖5 粉煤灰固水率與壓力的擬合關(guān)系曲線

泌水量計算公式的推導(dǎo)與應(yīng)用粉煤灰固水率變化規(guī)律的重要應(yīng)用是對粉煤灰漿體泌水量的計算。根據(jù)定義，泌水量表示見式(2)：

mbl=mw-mg

(2)

式中：mbl——漿體泌出水質(zhì)量，g；

mw——注入離層前粉煤灰漿體中水的質(zhì)量，g；

mg——粉煤灰壓實體的含水質(zhì)量，g。

注漿充填過程中粉煤灰漿體中水量由水灰質(zhì)量比控制見式(3)：

(3)

式中：α——水灰質(zhì)量比；

md——干粉煤灰質(zhì)量，g。

粉煤灰固水率η表示見式(4)：

(4)

將式(1)代入式(4)，可得出固留水量的計算公式見式(5)：

mg=[-0.075ln(P)+0.6355]md

(5)

將式(3)與式(5)代入式(2)，可得出在一定壓力下粉煤灰漿體的泌水量見式(6)：

mbl=αmd-[-0.075ln(P)+0.6355]md

(6)

式(6)中充填灰體承受載荷P主要由覆巖巖性(即容重γ)與主注漿充填層位埋深hd決定，可以表示見式(7)：

P=γhd

(7)

式中：γ——容重，kg/m3；

hd——主注漿充填層位埋深，m。

將式 (7)代入式(6)，可得特定注漿層位條件下粉煤灰漿體的泌水量見式(8)：

Vbl=mbl=αmd-[-0.075ln(γhd)+0.6355]md

(8)

式中：Vbl——泌出水體積，cm3。

由此可得出，影響漿體泌水量的因素有水灰質(zhì)量比、注入干粉煤灰質(zhì)量和粉煤灰固水率。其中，水灰質(zhì)量比和干粉煤灰質(zhì)量的增大必然導(dǎo)致泌水量的增大，粉煤灰固水率隨壓力的增大而減小，泌水量隨之增大。

臨渙煤礦實施覆巖隔離注漿充填工程，可根據(jù)式(8)設(shè)計排水量。開采工作面埋深510 m，注漿充填層位在煤層頂板上方130 m，根據(jù)注漿充填層位深度，可以計算出充填灰體所受覆巖壓力為9.4 MPa。充填漿體水灰質(zhì)量比為1.8∶1，日注干灰500 t，考慮最危險狀態(tài)，若泌出水皆流到工作面，則利用式(8)可確定排水系統(tǒng)的能力需在原有基礎(chǔ)上增加27.8 m3/h。

4 結(jié)論

(1)研究確定了覆巖隔離注漿充填漿體的泌水特征。在覆巖應(yīng)力作用下，注入離層的粉煤灰漿體會持續(xù)向外泌水，泌出速率逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定，直至漿體被壓實后泌水停止。

(2)提出了粉煤灰固水率的概念，設(shè)計了粉煤灰固水率的測量方法。得出了粉煤灰固水率與壓力近似呈對數(shù)關(guān)系，據(jù)此推導(dǎo)出公式來計算不同深度條件下漿體的泌水量，指導(dǎo)實施覆巖隔離注漿充填的工作面有計劃地進行排水。

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(責(zé)任編輯 王雅琴)

Experimentalresearchonslurrybleedingpropertiesofisolatedgroutingfillingforoverburden

Zhang Liang1,2, Xu Jialin1,2, Xuan Dayang2

(1. School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China; 2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China)

TD823.7

A

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(51604258)，江蘇省青年科技基金(BK20150194)

張亮，許家林，軒大洋. 覆巖隔離注漿充填漿體泌水特性實驗研究[J].中國煤炭，2017，43(9)：121-124，129. Zhang Liang，Xu Jialin，Xuan Dayang. Experimental research on slurry bleeding properties of isolated grouting filling for overburden [J].China Coal，2017，43(9)：121-124，129.

張亮(1992-)，男，河北灤南人，在讀碩士研究生，主要研究方向為力學(xué)開采。