頂板破碎注漿加固材料的配置及性能測(cè)試

張學(xué)穩(wěn) 陳艦 劉漢忠 夏運(yùn)兵 張畫(huà) 楊付領(lǐng)

摘 要：本文介紹了一種以普通硅酸鹽水泥、高鋁水泥熟料、石膏、石灰為主體的頂板破碎注漿加固材料，并測(cè)定了該材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、凝固時(shí)間和流動(dòng)度等特性。研究表明，所研制的頂板破碎注漿加固材料流動(dòng)度好，速凝早強(qiáng)，能滿足頂板破碎注漿加固的要求。使其既具有水泥材料的高致密性，且價(jià)格低廉。

關(guān)鍵詞：注漿加固;頂板破碎;復(fù)合材料;流動(dòng)度;凝固時(shí)間;抗壓強(qiáng)度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.066

0 引言

礦井在極近煤層開(kāi)采中，結(jié)束上覆煤層回采后，再去開(kāi)采下部煤層，一般都會(huì)導(dǎo)致下部煤層頂板嚴(yán)重破碎，致使破碎頂板超前漏冒，煤壁片幫，采場(chǎng)圍巖控制也十分困難，這都大大制約了采掘工作面的推進(jìn)度，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，甚至被迫停產(chǎn)，自然難以實(shí)現(xiàn)安全、高效的煤礦開(kāi)采。非人為情況下也存在天然破碎頂板，支護(hù)困難。故制備一種頂板破碎注漿加固材料，加固頂板，提高頂板的整體穩(wěn)定性，進(jìn)而形成良好的承載結(jié)構(gòu)，防止漏頂、冒頂?shù)仁鹿实陌l(fā)生。破碎頂板注漿，可使破碎頂板形成一個(gè)整體，改善力學(xué)結(jié)構(gòu)，有效控制頂板，以保證工礦企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。

漿液與介質(zhì)能形成固結(jié)體膠結(jié)，增大了裂隙巖體的整體凝聚強(qiáng)度，固結(jié)體形成了基本的堅(jiān)固的骨架結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了整個(gè)頂板的承載能力，有效防止了采煤面的片幫、冒落等類似事故，大大降低支護(hù)成本，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本支出，避免不必要浪費(fèi)。

1 試驗(yàn)研究的技術(shù)路線

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

試驗(yàn)研究目的：制備出一種水泥基復(fù)合破碎頂板注漿加固材料。該材料具有以下特點(diǎn)：（1）速凝，終凝時(shí)間小于3小時(shí);（2）早強(qiáng)，1d單軸抗壓強(qiáng)度大于10MPa，3天單軸抗壓強(qiáng)度大于20MPa;（3）流動(dòng)性好，按最佳水灰比加水?dāng)嚢瑁?0min內(nèi)的凈漿流動(dòng)度大于28cm;（4）它無(wú)毒無(wú)污染，凝固后收縮變化極小。

1.2 技術(shù)措施

該研究的關(guān)鍵是保證該類材料的抗壓強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度、凝固時(shí)間、流動(dòng)性能等性能完全達(dá)標(biāo)，留出了足夠的料灌漿操作時(shí)間，同時(shí)能較快凝固，初期就具有一定抗壓強(qiáng)度，以防達(dá)到應(yīng)有效果，而且材料制造成本較低。所以，選擇低價(jià)、普通硅酸鹽水泥作為主料，配一定量高鋁水泥熟料，再加入石灰、石膏等配料，并添加多種外加劑，配制出一種早強(qiáng)、抗折、速凝、流動(dòng)性好的灌漿加固材料，并在對(duì)其物理力學(xué)性能進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，做出最終可運(yùn)用、可實(shí)施的建設(shè)性結(jié)論。

2 試驗(yàn)的原材料、實(shí)驗(yàn)方法及配比實(shí)驗(yàn)

2.1 原材料及配方

試驗(yàn)的材料為：

（1）水泥：PC32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，采用六盤(pán)水豪龍水泥廠生產(chǎn)。

（2）高鋁水泥熟料，論文中所有使用的高鋁水泥熟料均為“硫鋁酸鈣水泥熟料”，鄭州建文特材科技公司生產(chǎn)。

（3）石膏：源于正常石粉廠生產(chǎn)。

（4）石灰：源于正常石灰廠生產(chǎn)。

（5）外加劑：減水劑采用聚羧酸減水劑等。

實(shí)驗(yàn)材料選用三組配比方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)選取最佳配比，這三組配比方法分別是 ：

（1）配方一：PC32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥（該組為對(duì)照組）。

（2）配方二：PC32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥與高鋁水泥熟料以30：70的比例混合。

（3）配方三：PC32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥、石膏、石灰與高鋁水泥熟料以74：6 ： 5 ：15的比例混合。

2.2 試驗(yàn)方法

三組均選用0.5的水灰比，同時(shí)均加入干粉凈 0.2%的減水劑，漿液的制備采用IVJ-160型水泥凈漿攪拌機(jī)攪拌，攪拌時(shí)間為3-5min，并進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。

（1）單軸抗壓強(qiáng)度的測(cè)定。將上述材料按照規(guī)定的水灰比，攪拌均勻成可用漿液，注入70.70 mm×70.70mm ×70.70mm的試模中，用刮片將超出試模的材料刮掉。將試塊置于濕度為96%、溫度為21°C的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24小時(shí)后，脫模并繼續(xù)養(yǎng)護(hù)，使用微機(jī)壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)其1天、3天、8天、29天、70天的單軸抗壓強(qiáng)度。

（2）抗折強(qiáng)度的測(cè)定。將上述材料按照規(guī)定的水灰比，攪拌均勻成可用漿液，注入50mm×50mm ×50 mm的試模中，用刮片把超出試模的材料刮去。將試塊置于濕度為96%、溫度為21°C的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24小時(shí)后，脫模并繼續(xù)養(yǎng)護(hù)，使用微機(jī)控制壓力機(jī)測(cè)其1天、3天、8天、29天、70天的抗折強(qiáng)度。

（3）凝固時(shí)間的測(cè)定。使用維卡儀，測(cè)定測(cè)試水泥漿液的凝結(jié)時(shí)間。具體試驗(yàn)要參照GB/T1346-2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》。

（4）流動(dòng)度的測(cè)定。將上述材料按照規(guī)定的水灰比，攪拌均勻成可用漿液，將漿液注入置于水平玻璃板上高度60.00 mm、下口直徑60.00mm、上口直徑36.00mm的截錐圓模中，用刮片將超出試模的材料刮去后，將截錐圓模垂直提起，漿液呈圓形擴(kuò)散30s后，測(cè)量其直徑。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度

影響材料抗壓強(qiáng)度的主要因素為高鋁水泥熟料的摻量。對(duì)比如下圖1所示，高鋁水泥熟料摻量越高，抗壓強(qiáng)度越高，配方二的高鋁水泥熟料摻量最高，明顯比其他兩個(gè)配方的抗壓強(qiáng)度高。

水灰比與材料的抗壓強(qiáng)度存在極大的關(guān)系，假設(shè)水灰比越低，那么材料的抗壓強(qiáng)度就會(huì)越高，尤其是加入了減水劑后，水灰比越低，材料的抗壓強(qiáng)度增加更加明顯，配方二的高鋁水泥熟料為30.12%，減水劑摻量為0.21%，在水灰比為0.51的材料配比情況下，1天的單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)到15.24MPa，8天可達(dá)40.50 MPa。

3.2 復(fù)合材料的抗剪切強(qiáng)度

影響材料抗剪切強(qiáng)度的主要因素為高鋁水泥熟料的摻量。對(duì)比如下圖2所示，高鋁水泥熟料摻量越高，抗剪切強(qiáng)度越高，配方二的高鋁水泥熟料摻量最高，明顯比其他兩個(gè)配方的抗剪切強(qiáng)度高。

水灰比與材料的抗剪切強(qiáng)度也存在著極大的聯(lián)系，假設(shè)水灰比越低，那么材料的抗剪切強(qiáng)度就會(huì)越高，并且當(dāng)加入減水劑后水灰比更低，材料的抗剪切強(qiáng)度增加更加明顯。

3.3 復(fù)合材料的凝固時(shí)間

影響材料凝固時(shí)間（終凝）的主要因素是高鋁水泥熟料的摻量，具體表現(xiàn)為：假設(shè)高鋁水泥熟料的摻量越大時(shí)，那么凝固時(shí)間就會(huì)越短，相同摻量的材料水灰比越小則凝固時(shí)間越短。如表1所示為三種配方配制的材料在水灰比為0.5時(shí)的凝固時(shí)間測(cè)試值。

3.4 復(fù)合材料的流動(dòng)度

影響材料流動(dòng)度的主要因素為高鋁水泥熟料和水泥比例、減水劑參量和溫度，高鋁水泥熟料的摻量越小流動(dòng)性能越好，配方二與配方三不同的高鋁水泥熟料摻量的材料在水灰比為0.5時(shí)測(cè)量的直徑分別為30.00cm、33.50cm與28.00cm。

溫度越高則流動(dòng)度越差，一般情況下自制材料漿液呈圓形擴(kuò)散30s后直徑在28cm左右，溫度在20攝氏度時(shí)為24cm，溫度為10攝氏度時(shí)可增加至35cm。在井下注漿后，材料能快速在破碎頂板周圍擴(kuò)散填充封堵裂隙。

減水劑摻量對(duì)材料的流動(dòng)度也有較明顯的影響，減水劑參量越低則材料的流動(dòng)度越差，加入了減水劑之后流動(dòng)性能更好。

4 實(shí)驗(yàn)室充填性能檢測(cè)

4.1 性能測(cè)試方法

注漿加固實(shí)驗(yàn)多是在小型注漿模具中進(jìn)行，僅用水泥漿液制備的復(fù)合材料在測(cè)試下能得到早強(qiáng)、抗折、速凝、流動(dòng)性好的灌漿加固材料，但測(cè)試后的強(qiáng)度只能作為水泥漿液的性能特征，實(shí)際上要比注漿加固后的破碎巖體真實(shí)的強(qiáng)度要高很多，作為巖體注漿加固性能指標(biāo)直接運(yùn)用還需要進(jìn)行性能測(cè)試。

測(cè)試方法：使用礦井頂板的灰?guī)r試塊，打磨灰?guī)r，將灰?guī)r打磨成50mm×50mm ×50 mm的立體試塊，通過(guò)巖石試塊修復(fù)前后的數(shù)據(jù)對(duì)比，以此得出實(shí)驗(yàn)配方對(duì)破碎頂板的修復(fù)能力。

4.2 實(shí)驗(yàn)材料的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度

巖石試塊的抗壓強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度分別如下表2所示：

利用配方二對(duì)破壞后的巖石試塊進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后的巖石試塊的抗壓強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度如下表3所示：

4.3 實(shí)驗(yàn)材料修復(fù)前后抗壓及抗剪強(qiáng)度對(duì)比

利用配方二修復(fù)的巖石試塊與修復(fù)前巖石試塊的抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖3如下所示：

由上圖可知，利用配方二修復(fù)后的巖石試塊具有較強(qiáng)的抗壓能力。

利用配方二修復(fù)的巖石試塊與修復(fù)前巖石試塊的抗剪切強(qiáng)度對(duì)比圖4如下所示：

由上圖可知，配方二修復(fù)破碎巖石后，抗剪切強(qiáng)度很高，甚至修復(fù)后的抗剪切強(qiáng)度能達(dá)到修復(fù)之前的抗剪切強(qiáng)度。

由此可以得出，配方二可以修復(fù)破碎頂板，抗壓強(qiáng)度與抗剪切強(qiáng)度較修復(fù)前相差不大，能運(yùn)用于井下工作環(huán)境。

5 結(jié)論

本文針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層開(kāi)采過(guò)程中常見(jiàn)的頂板破碎災(zāi)害問(wèn)題，采用理論分析，室內(nèi)試驗(yàn)等技術(shù)手段，研究了破碎頂板注漿加固材料的配置及性能測(cè)試。重點(diǎn)探討了該材料的抗壓強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度、凝固時(shí)間和流動(dòng)度等特性。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比可得出結(jié)論：

（1）使用配方二所制備的復(fù)合材料具有較強(qiáng)的抗壓能力，抗剪切強(qiáng)度雖略小于配方一，但其流動(dòng)性強(qiáng)，凝固時(shí)間短適宜推廣于煤礦井下施工現(xiàn)場(chǎng)，且無(wú)毒無(wú)公害;

（2）配方一為普通硅酸鹽水泥材料，抗剪切強(qiáng)度較好，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況需求可適量在配方二的基礎(chǔ)上增加普通硅酸鹽的比例;

（3）通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)可得，配方二可作為破碎頂板注漿加固材料投入井下使用。材料按照0.5的水灰比加減水劑攪拌，迅速凝膠，材料固化后產(chǎn)生的多種水化物間發(fā)生反應(yīng)，生成鈣礬石，這是材料早期擁有較高強(qiáng)度的主要原因。

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