礦層底板含水層改造中注漿材料優(yōu)選及配比試驗(yàn)研究

孫江浩

（華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050000）

近些年來(lái)，隨著煤炭原料用量的不斷增加，煤礦開(kāi)采的深度也逐漸加深[1]，煤炭開(kāi)采受地質(zhì)條件的影響較大，地下煤巖體的力學(xué)特性尤為復(fù)雜，安全事故頻發(fā)，給礦井生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的損失，嚴(yán)重影響煤礦開(kāi)采的安全[2]。隨著開(kāi)采深度的增加，礦層底板含水層變形破壞嚴(yán)重，表現(xiàn)出非常大的軟巖特征，安全控制較難[3]。

基于此，本文進(jìn)行底板含水層改造中注漿材料優(yōu)選及配比試驗(yàn)研究，從材料的選擇入手，考慮應(yīng)用性能、成本投入等問(wèn)題，選擇尾砂和聚氨酯作為主要混合材料，通過(guò)正交試驗(yàn)的方式最終提出了一種能夠滿(mǎn)足煤礦的安全需要，同時(shí)降低注漿材料成本是注漿方案，以便更好的應(yīng)用于實(shí)際工程中。

1 注漿材料分析

1.1 尾砂性質(zhì)分析

本次試驗(yàn)所用的尾砂樣品均來(lái)自山西某礦山，采用李氏瓶法及定容法對(duì)尾砂試樣進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示，利用光譜分析法對(duì)其化學(xué)組成進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1所示。

表1 尾砂試樣基本物理參數(shù)測(cè)定結(jié)果

圖1 尾砂化學(xué)元素光譜分析結(jié)果

測(cè)試數(shù)據(jù)表明：該礦產(chǎn)的尾砂中含有的可回收的金屬較少；同時(shí)有害物質(zhì)的含量極少，此外，具有較高含量的Ca、Mg、Al元素都對(duì)注漿體的膠結(jié)性能具有正向作用，S含量?jī)H為0.479%，其負(fù)面影響可以忽略，因此將其作為注漿骨料。

1.2 聚氨酯材料分析

聚氨酯材料作為一種新型高分子加固材料，它有著固結(jié)體強(qiáng)度大，抗?jié)B性能好，黏結(jié)力強(qiáng)的特點(diǎn)，遇水產(chǎn)生氣體促進(jìn)漿液發(fā)泡膨脹，能夠起到很好的填充和黏結(jié)作用[4]。作為注漿材料，聚氨酯的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)[5]：

（1）黏結(jié)加固時(shí)間快，與煤巖體有很好的黏結(jié)力，可實(shí)現(xiàn)在較短的時(shí)間內(nèi)固化，產(chǎn)生加固作用。

（2）固結(jié)體塑性好，地層運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)壓力以及開(kāi)采擾動(dòng)壓力可以使它發(fā)生塑性變形而不被破壞。

（3）流動(dòng)性好，在高壓注漿時(shí)，聚氨酯材料能夠更好的滲入小縫隙中，達(dá)到更好的加固作用。

其基本物理特性如表2所示。

表2 聚氨酯基本物理特性

2 注漿材料配比試驗(yàn)

為測(cè)試不同注漿材料配比對(duì)其指標(biāo)性能的影響，采用正交試驗(yàn)的方式對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。其中試驗(yàn)儀器包括TWA-200型號(hào)液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，秒表，溫度計(jì)。

2.1 水泥配比

本試驗(yàn)是以水灰比、泥聚比（水泥漿和聚氨酯體積比）為試驗(yàn)的主要因素，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果確定注漿材料達(dá)到最佳效果的各因素的水平，以材料抗壓強(qiáng)度、凝膠時(shí)間、最高固化溫度來(lái)考察。為了能夠更加清晰的了解各種材料對(duì)水泥聚氨酯復(fù)合注漿材料的影響，詳細(xì)試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)分析表3指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)果，最終確定最佳工藝參數(shù)為水灰比為0.6：1，泥聚比為2：3，抗壓強(qiáng)度為50.342MPa，凝膠時(shí)間為338s，最高固化溫度為81℃。

2.2 注漿材料配比

在上述最佳水泥工藝參數(shù)條件下，采用正交試驗(yàn)方法分別為尾砂添加量、灰砂比2因素進(jìn)行試驗(yàn)分析，以注漿材料沉降度、泌水率、沉縮率和抗壓強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)開(kāi)展正交試驗(yàn)。設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)方案及結(jié)果如表4所示。

表4 各實(shí)驗(yàn)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)分析表中數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)2因素對(duì)注漿體不同指標(biāo)的影響結(jié)果為：

（1）28d抗壓強(qiáng)度：灰砂比＞尾砂添加量。注漿體強(qiáng)度與灰砂比成正比的關(guān)系，但與尾砂添加量呈現(xiàn)出先正比后反比的趨勢(shì)。

（2）沉降度：灰砂比＞尾砂添加量，注漿材料沉降度與灰砂比整體呈現(xiàn)正比關(guān)系，與尾砂添加量關(guān)系較小。

（3）泌水率：灰砂比＞尾砂添加量。注漿材料泌水率與灰砂比和尾砂添加量整體上均呈現(xiàn)反比關(guān)系，但變化極小。

（4）沉縮率：灰砂比＞尾砂添加量，整體變化趨勢(shì)與灰砂比和尾砂添加量均呈現(xiàn)反比關(guān)系。

因此綜合上述分析結(jié)果，選擇最優(yōu)水平組合為尾砂添加量18%，灰砂比1：10。

3 結(jié)語(yǔ)

為提高礦層底板含水層的安全性，并降低成本投入，本文對(duì)礦層底板含水層改造中注漿材料優(yōu)選及配比進(jìn)行試驗(yàn)研究。

以聚氨酯、礦山尾砂為材料變量，水灰比和灰砂比為數(shù)據(jù)變量，對(duì)注漿材料指標(biāo)變化情況進(jìn)行對(duì)比分析，最終得出最佳配比組合水平，以期降低由于煤礦底板含水層引起的安全隱患，提高煤礦安全生產(chǎn)的可靠性。