采空區(qū)防堵防漏風輕質水泥泡沫注漿材料的性能研究

武海平

(晉中市煤炭規(guī)劃設計研究院,山西 晉中 030600)

跨落式開采法在井下形成了大量的采空區(qū),而采空區(qū)中的破碎矸石在一段時間之后會在裂隙之間積聚大量瓦斯與積水。若只對采空區(qū)進行簡單打密閉封堵,會使得內部瓦斯?jié)舛葒乐爻?產生采空區(qū)自燃的威脅,并且如果采空區(qū)封堵不完善,則有可能造成廢氣與廢水的泄漏。因此對采空區(qū)破碎體進行有效封堵是確保礦井安全生產的一項重要指標,選取經(jīng)濟、有效的泡沫注漿材料是實現(xiàn)礦井安全生產的必要條件[1]。

1 試驗材料與特性

本次試驗選取材料有水泥、發(fā)泡劑與穩(wěn)泡劑。

水泥采用PC42.5硅酸鹽水泥,由于水泥固結之后具有較高的強度,且能夠與采空區(qū)散碎體形成穩(wěn)固的褡褳結構,可以起到良好地加固作用[2]。并且水泥在漿液灌注過程中凝結時間較長,具有較強的緩凝作用,采用水泥配置漿液可以保證有足夠的灌注時間。

發(fā)泡劑從十二烷基硫酸鈉、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉與GS-1復合型發(fā)泡劑三種不同的發(fā)泡劑中選取。此類型發(fā)泡劑與水混合之后,能夠發(fā)生劇烈的化學反應,形成大量氣泡,氣泡在上升過程中會受到巨大的液膜強度,從而在氣-液表面形成致密的單分子層,當液膜達到平衡狀態(tài)時,泡沫達到穩(wěn)定狀態(tài),即完成了泡沫的形成過程[3-5]。

穩(wěn)泡劑由從聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素鈉、黃原膠三種不同的穩(wěn)泡劑中選取。為了確保泡沫能夠長期穩(wěn)定地存在,可以通過注入以上有機添加物改善氣泡表征特性。特性改善之后的氣泡能夠提高液膜粘彈性,最大限度地減小氣泡的透氣性;同時可以提高液相粘度,盡可能地降低泡沫的排液速率[6-7]。

2 試驗過程與數(shù)據(jù)分析

試驗過程共進行兩輪正交試驗,第一輪試驗在確定水固比為1:1的前提下,對不同發(fā)泡劑與穩(wěn)泡劑性能進行分析,實現(xiàn)采空區(qū)有效注漿封堵;第二輪試驗在注漿經(jīng)濟的前提下,盡可能地減少材料用量,實現(xiàn)采空區(qū)經(jīng)濟注漿封堵。其中發(fā)泡劑種類分別為十二烷基硫酸鈉、GS-1復合型發(fā)泡劑、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉分別標號為A、B、C,濃度水平分別為3 g/L、4 g/L、5 g/L;穩(wěn)泡劑種類分別為聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素鈉、黃原膠標號為D、E、F,濃度水平分別為1.5 g/L、2.0 g/L、2.5 g/L。

在試驗之前需要對漿液加氣量進行簡單確定。選取水灰比為1:1,十二烷基硫酸鈉濃度3 g/L,聚丙烯酰胺2 g/L標準配置,試驗過程為先將15 g發(fā)泡劑與500 mL清水進行混合,將10 g穩(wěn)泡劑與4.5 L清水進行混合,待二者完全混合之后,開始攪拌穩(wěn)泡劑溶液,并緩慢加入5 g水泥并攪拌均勻,此時向攪拌好的溶液中通入氣體并緩慢添加穩(wěn)泡劑溶液,觀察實驗數(shù)據(jù)變化情況如表1所示。

表1 漿液加氣量實驗數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data of air filling capacity in slurry

通過表1可知選取加氣量10 L/min最佳,增大至25 L/min時,漿液比重只增大了0.03,密度也只增大了0.02 g/cm3,效果并不是很明顯,但是結石率卻減小了6.3%。因此,無論從效果還是經(jīng)濟方面選取10 L/min效果最佳。

表2 第一輪正交試驗因素水平表Table 2 The first round orthogonal factor level table

由表2和表3可知,試驗中的粘度值都處于10 cP～42 cP之間,滿足礦井輕質水泥注漿的需求;同類型發(fā)泡劑條件下,析水率越小,結實率則呈現(xiàn)出增大的趨勢;結石體密度隨著水泥漿比重的增長呈現(xiàn)出增長的趨勢。在影響注漿效果的各因素的分析過程中,結石率與結石體密度的影響程度最大,因此需要對這兩個因素進行極差分析,具體分析如表4所示。

表4 極差分析表(ρ代表結石體密度,β代表結石率)Table 4 Range analysis table (ρ: density of grouting-reinforced stone, β: rate of grouting-reinforced stone)

由表6數(shù)據(jù)分析可知:影響結石體密度ρ的順序為Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ,且最優(yōu)配比為Ⅰ2Ⅱ1Ⅲ2Ⅳ2;影響結石率β的順序為Ⅰ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅳ,且最優(yōu)配比為Ⅰ2Ⅱ1Ⅲ3Ⅳ2。通過對比兩種情形下的最優(yōu)配比,在考慮穩(wěn)泡劑E與F價格的前提下,選?、?Ⅱ1Ⅲ2Ⅳ2作為最優(yōu)配比,即發(fā)泡劑B濃度3 g/L,穩(wěn)泡劑E濃度2 g/L。

為了能夠在第一輪試驗結果基礎上,節(jié)約注漿成本,設計第二輪正交試驗(表5),盡可能地增大水灰比,并減小發(fā)泡劑與穩(wěn)泡劑的用量,試驗二水灰比(Ⅴ)為1:1,1.5:1。發(fā)泡劑濃度(Ⅱ)為3 g/L 、2.5 g/L,穩(wěn)泡劑濃度(Ⅳ)為2 g/L 、1.5 g/L。

表5 第二輪正交試驗因素水平表Table 5 The second round orthogonal factor level table

表6 第二輪正交試驗數(shù)據(jù)表Table 6 The second round orthogonal test data table

對上表結石體密度與結實率兩個特性指標進行極差分析,得到表7。由表7數(shù)據(jù)分析可知:影響結石體密度ρ的順序為Ⅴ>Ⅱ>Ⅳ,且最優(yōu)配比為Ⅱ1Ⅳ2Ⅴ2;影響結石率β的順序為Ⅴ>Ⅳ>Ⅱ,且最優(yōu)配比為Ⅱ2Ⅳ2Ⅴ1。通過對比兩種情形下的最優(yōu)配比,可知在兩種指標中,結石率更為重要,因此應當優(yōu)先選取水灰比1:1,而KⅡ1=0.47,KⅡ2=0.51,二者相差不大,考慮注漿經(jīng)濟性因素,應當選取Ⅱ2Ⅳ2Ⅴ1作為最優(yōu)配比,即發(fā)泡劑2.5 g/L,穩(wěn)泡劑1.5 g/L,水灰比1:1。

將優(yōu)化之后的試驗配比進行重新測試之后,數(shù)據(jù)詳情如表8所示。

3 結論

通過兩次正交分析可以得到最佳的輕質發(fā)泡水泥配比為:選取濃度為2.5 g/L的GS-1復合型發(fā)泡劑作為發(fā)泡劑,選取濃度為1.5 g/L的梭甲基纖維素納作為穩(wěn)泡劑、水灰比取1:1,加氣量10 L/min。此配比能夠滿足礦井采空區(qū)經(jīng)濟注漿,更能夠實現(xiàn)采空區(qū)防漏風、漏水的有效封堵。

表7 第二輪極差分析表Table 7 The second round range analysis table

表8 最優(yōu)配比數(shù)據(jù)測試表Table 8 Testing data of optimal ratio

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