风积沙工程特性及其在采空区治理中的应用研究_陈益民.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.023风积沙工程特性及其在采空区治理中的应用研究陈益民（徐州中矿岩土技术股份有限公司，江苏 徐州 221100）摘要 以陕西省神木市孙家岔镇燕家塔工业园区某项目场地内的风积沙为研究对象，通过室内试验研究和理论分析，研究了风积沙的物理特性、力学特性；通过风积沙轻型击实试验，研究了风积沙的击实特性和击实机理；通过水泥、粉煤灰、风积沙的配比试验，研究了风积沙试块的强度。研究表明，风积沙是满足采空区治理使用要求的一种良好的填充材料，可以降低采空区治理成本。同时也指出了使用风积沙这一采空区治理填充材料应该注意的问题。关键词 采空区治理；风积沙；矿物组成；试块抗压强度中图分类号TU441.4文献标识码B文章编号1672-9943（2023）01-0074-040引言近年来，国内对采空区治理的方法主要是以注浆充填为主，而注浆材料又以水泥粉煤灰浆液为主。随着社会经济建设的发展，粉煤灰得到了广泛地应用，从曾经的固体废弃物变成了经济价值较高的可利用物资，其价格不断上涨；同时低标号的水泥不断被禁止使用，水泥的价格也不断提高，使用这 2 种材料作为主要充填材料的采空区治理成本也不断提高。如何找到成本低廉且能满足治理效果的掺和料，成为大体积采空区治理工程亟待解决的问题。目前，榆林地区煤矿采空区治理施工中风积沙作为填充材料得到了广泛地应用。榆林神木地区分布大量风积沙，利用风积沙作为充填材料可以大幅度地降低采空区治理成本，减少对环境的破坏。1风积沙的基本特性试验1.1风积沙粒度成分对取自神木市孙家岔镇燕家塔工业园区某项目场地内的风积沙沙样进行了筛分试验1，试验结果如图 1、2 及表 1 所示。图 11 号土样颗粒级配曲线图 22 号土样颗粒级配曲线表 1颗粒组成百分比粒径/mm20.50.50.250.250.0750.0750.0500.0500.0100.0100.0050.0050.0020.0021 号土样含量/%0.8039.2057.300.200.000.001.401.002 号土样含量/%1.2040.5055.600.500.000.001.301.10小于某粒径百分数/%1009080706050403020100小于某粒径百分数/%1009080706050403020100粒径/mm200100 60 402010520.50.10.050.01 0.0050.001粒径/mm200100 60 402010520.50.10.050.01 0.0050.001能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1742023 年 2 月Feb.,2023陈益民风积沙工程特性及其在采空区治理中的应用研究由图 1、2 及表 1 可以看出，风积沙的颗粒组成主要分布在 0.0750.5 mm 的范围内，占 96%左右。由此说明风积沙的组成颗粒很细，表面积很大。根据下式可计算沙样不均匀系数（Cu）和曲率系数（Cc）：Cu=d60/d10；Cc=d302/（d10d60）式中 d10、d30、d60分别表示沙样中小于该粒径的颗粒质量为 10%、30%、60%的粒径，mm。由此可求得 2 种沙样的不均匀系数（Cu）和曲率系数（Cc）。计算结果如表 2 所示。表 2风积沙 Cu、Cc计算结果颗粒级配的定量评价目前尚没有很好的理论，一般认为不均匀系数 Cu5 时属于级配不良。根据表 2 计算结果，不均匀系数（Cu）在 2.83.0 之间，表明风积沙属于级配不良的均匀细沙。由筛分结果可知，所取沙样的粘粒含量（粒径小于 0.075 mm）在2.6%2.9%之间。1.2风积沙颗粒形状特征风是一种比水更有效的磨圆介质，风积沙颗粒的磨圆度较高被认为是其颗粒形态的重要特征，风积沙颗粒的磨圆度较其他成因的沙要稍好些。对取自神木市孙家岔镇燕家塔工业园区某项目场地内的风积沙沙样进行放大观察，风积沙颗粒形状以次圆状至次棱状为主。1.3风积沙矿物成分风积沙的矿物成分分析利用体视镜、粉末 X 衍射分析并按照标准分析方法进行对照分析。1.3.1放大观察对取自神木市孙家岔镇燕家塔工业园区某项目场地内的风积沙沙样进行研磨后，在体视镜下观察，可以看到 4 种类型的碎屑：第 1 类为石英类，包括单晶石英、石英岩、硅质岩，大部分石英碎屑表面呈浅土黄色。第 2 类为炭屑，黑色 深黑色，反光下可见较明亮的光泽，比重轻，质软，个别呈长条状，大颗粒者可污手。第 3 类为半透明柱状矿物，浅灰色，为长石类矿物。第 4 类为金属矿物，反射光下呈金属光泽，浅铜黄色，为黄铁矿。1.3.2X衍射测试结果对风积沙沙样进行 X衍射测试试验，测试结果表明：1 号土样主要组成矿物为石英、镁铬氧化物、钠长石、斜长石；2 号土样主要组成矿物为石英、斜长石、镁铬氧化物、钠长石、有机质、磷酸盐矿物。综合放大观察和 X衍射测试，沙样中的矿物组成成分主要为石英、斜长石、镁铬氧化物及钠长石等。1.4风积沙比重土粒比重是土的基本物理指标之一，是计算孔隙比和评价土类的主要指标。本文采用比重瓶法测定风积沙土粒比重2，试验结果如表 3 所示。表 3风积沙土粒比重试验结果参考其他文献该地区的风积沙资料，可推算出该地区的风积沙比重一般在 2.52.7 之间。2风积沙力学特性试验研究2.1风积沙的轻型击实试验对 2 个风积沙土样进行了轻型击实试验3-4，测定了土样的密度、含水率、孔隙比等指标。轻型击实试验所用的击筒内径为 152 mm，击筒高度为113 mm；击锤直径为 50 mm，锤重 4.5 kg，落高450 mm；试验分 5 层击实，每层击数为 56 次。每个土样制备 5 个不同含水率的一组试样，相邻 2 个试样含水率的差值为 2%，本次试验土样的含水率为7%、9%、11%、13%、15%。完成击实后，用推土器从击实筒内推出试样，从试样中心处取 2 个一定量的土料，平行测定土样的湿密度，并计算干密度。轻型击实试验结果统计如表 4 所示。沙样编号CuCc1 号2.850.802 号2.930.80试样编号试样参数第 1 组试样第 2 组试样第 3 组试样第 4 组试样第 5 组试样1 号样湿密度/（g/cm3）1.741.801.821.811.81干密度/（g/cm3）1.631.651.641.601.57含水量/%791113152 号样湿密度/（g/cm3）1.681.781.841.861.86干密度/（g/cm3）1.571.631.661.651.62含水量/%79111315表 4风积沙轻型击实试验数据统计沙样编号土粒比重最小最大1 号2.532.572 号2.622.65752023 年 2 月Feb.,2023轻型击实试验得出的风积沙最大干密度一般在 1.631.66 g/cm3之间，而最小干密度一般在1.591.62 g/cm3之间。2.2水泥-粉煤灰-风积沙混合浆液试块抗压强度试验2.2.1试验材料水泥：通用硅酸盐水泥，等级为 PO42.5 级水泥。粉煤灰：电厂生产的三级灰，达到了 GB/T1596用于水泥和混凝土中的粉煤灰 规定的治理要求。风积沙：陕西省神木市孙家岔镇燕家塔工业园区某项目场地内的风积沙。2.2.2确定水泥-粉煤灰-风积沙浆液的配合比水泥-粉煤灰-风积沙浆液的各组成材料配合比如表 5 所示。表 5试验配合比及抗压强度统计注：表中材料配比均为质量比。2.2.3试块的制作与养护根据试验配合比确定的各组试块，按抗压强度试验要求，每次确定的强度值取 6 个数据的平均值，故每组制作试块 6 个，总计 48 个试块。制作试块采用 7.07 mm7.07 mm7.07 mm标准试模。根据 GB 51180-2016 煤矿采空区建（构）筑物地基处理技术规范 的规定要求，将试块放在水中养护，水温保持在（205），与煤矿采空区中的环境基本一致，一直养护至要求的龄期再进行相应的试验。2.2.4抗压强度试验当试块达到设计的 28 d 养护龄期后，从养护箱中取出，将试块擦拭干净，通过测量尺寸、检查外观等方法，确定试验试块是否合格。使用液压式强度试验机，将加荷速度控制在 0.10.2 MPa/s 范围内，测定各组试块的抗压强度值。各组试块抗压强度值如表 5 所示。2.2.5风积沙不同掺量抗压强度试验结果从表 5 中可以看出，随着风积沙掺量的增加，试块的抗压强度也有所增加。GB51180-2016 煤矿采空区建（构）筑物地基处理技术规范 要求，采空区充填结石体抗压强度“甲、乙类地基不应小于2.0 MPa，丙类地基不应小于 0.6 MPa”，依据本次配合比试验结果，掺加风积沙后的试块抗压强度均高于 2.0 MPa。因此，根据试验可以得出，风积沙可以作为采空区治理充填材料。3风积沙在神木市孙家岔镇燕家塔工业园区某项目采空区治理中的应用情况在该项目煤矿采空区治理施工中，采用了水泥-粉煤灰浆液与风积沙拌合灌注和风积沙孔口投砂灌注 2 种方式进行5。采用风积沙浆液拌合方式进行投砂时，水泥-粉煤灰浆液的水固比采用 10.8，水泥粉煤灰采用 28，风积沙掺量控制在水泥+粉煤灰总量的 30%；采用孔口投砂方式进行投砂时，水泥-粉煤灰浆液的水固比采用（11）（11.1），水泥粉煤灰采用 28，风积沙掺量控制在水泥+粉煤灰总量的 20%30%。实际施工时，最高投砂率可达到 45.0%，最低投砂率约为 10.0%，平均投砂率约在 26%左右。本项目的采空区注浆充填治理效果检测情况：共施工检测孔 65 个，检测过程中未出现掉钻现象，注浆治理段取芯可见采空区注浆充填的结石体，充填效果良好；测井、钻孔电视、声波测试等各项指标均良好，浆液结石体的单轴抗压强度在 2.234.9 MPa，平均为 3.28 MPa，满足要求。经工后质量检测，该项目采空区得到了有效治理，达到了设计标准和规范要求，工程质量合格。4结论通过试验、理论分析和工程实践，对风积沙的工程特性和应用研究得到以下几点结论。（1）风积沙的主要矿物成分为石英、斜长石、镁铬氧化物及钠长石等，具有颗粒组成细小、沙粒均匀、级配不良、渗透系数大、粘聚力小、松散性强、保水性差但水稳性好的特性。（2）通过榆林市某项目的采空区治理实践，采用拌合投沙、孔口投沙等施工工艺，平均投沙率约为 26%左右，证明利用风积沙作为采空区充填材料，在采空区治理施工中是可行的。（3）通过室内试验和煤矿采空区治理施工的实践表明，风积沙是可以作为填充材料用于采空区治序号编号水泥粉煤灰水灰比风积沙占水泥-粉煤灰质量比例/%28 d 抗压强度/MPa方案12811202.08522811302.09132811402.20142811502.275方案53711203.53863711303.68373711404.02183711503.555能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1762023 年 2 月Feb.,2023（上接第 67 页）变化，应变感应范围为 3237 m，如表 1 所示。表 1采动矿压“超前”“滞后”感应距数据汇总3.4底板采动破坏深度综合分析由于采动过程中矿山压力具有水平分区特征，对拉工作面底板变形形式和扰动程度在水平方向上具有明显差异，据此可以将矿山压力影响范围分为弹性影响区和剧烈扰动区 2 个部分。其中剧烈扰动包括采前聚压扰动和采后卸压扰动 2 种不同的力学机制。对拉工作面底板采动变形破坏在垂直方向具有明显的分带特征。综合底板不同深度应变传感器变化幅度及附加应力变化特点，底板采动扰动范围由浅及深可以大致分为采动破坏带和塑性扰动带6。根据底板不同深度测点应变传感器变化幅度对比，结合附加应力测试结果，可以确定 21105工作面二2煤层底板采动破坏带深度约 27 m。4结论通过对煤层底板不同深度应力应变传感器的测试，研究发现煤矿对拉工作面底板采动破坏浅部剧烈，以塑性破坏为主，深部以弹性变形为主。综合传感器应变幅度、附加应力变化特征，判断 21105对拉工作面底板破坏深度约为 27 m。参考文献1武强，赵苏启，李竞生，等.煤矿防治水规定 编制背景与要点 J.煤炭学报，2011，36（1）：70-74.2 朱术云，鞠远江，赵振中，等.超化煤矿“三软”煤层采动底板变形破坏的实测研究 J.岩土工程学报，2009，31（4）：639-642.3 周杨.大采高超长工作面底板破坏深度数值模拟分析 J.煤矿安全，2019，50（6）：245-250.4 施龙青，徐东晶，邱梅，等.采场底板破坏深度计算公式的改进 J.煤炭学报，2013，38（增刊 2）：299-303.5 朱术云，曹丁涛，岳尊彩，等.特厚煤层综放采动底板变形破坏规律的综合实测 J.岩土工程学报，2012，34（10）：1931-1938.6 张蕊，姜振泉，于宗仁，等.煤层底板采动破坏特征综合测试及数值模拟研究 J.采矿与安全工程学报，2013，30（4）：531-537.作者简介李准（1986-），男，工程师，毕业于中国矿业大学水文与水资源工程专业，主要从事矿井防治水与物探工作。收稿日期：2022-07-06测点编号底板垂深/m采动底板应变感应特征超前距/m滞后距/m感应范围/m测点 51847-测点 42242-测点 327383775测点 132373269理的。工后质量检测结实体强度较高，满足国家规范和设计要求，充填效果良好。使用风积沙可以显著地降低采空区治理成本，经济效益显著，同时可以减少对环境的破坏。5进一步研究的建议通过以上试验和理论分析可知，在采空区治理中使用风积沙作为充填材料不仅是可行的，而且具有很好的经济效益和社会效益。今后可以从以下几个方面进一步研究。（1）对风积沙在采空区治理中的施工方法（充填方法）需要进一步研究，对水泥-粉煤灰浆液的配比、风积沙的掺入量与掺入方式等仍需进行研究，以找到更好的施工工艺。（2）对风积沙在采空区治理项目中的使用进行跟踪观察和研究，分析风积沙在采空区治理中的使用效果。（3）本文主要是针对神木市某项目场地内风积沙工程特性进行的研究，对于风积沙在采空区治理中的应用还需要不断地进行探索。参考文献1李志农，金昌宇，陈杰，等.风积沙工程特性及工程实践研究 M .上海：上海科学技术出版社，2018.2化建新，郑建国，王笃礼，等.工程地质手册：第 5 版 M .北京：中国建筑工业出版社，2018.3任仓钰.风积砂工程地质特征 J.岩土工程技术，2002（3）：156-157.4宋焱勋，彭建兵，王治军，等.毛乌素沙漠风积砂力学特性室内试验研究 J.工程地质学报，2010，18（6）：894-899.5中煤科工集团西安研究院有限公司.陕西煤业化工集团孙家岔龙华矿业有限公司 301 盘区采空区充填注浆治理工程工后质量检测报告 R.西安：中煤科工集团西安研究院有限公司，2021.作者简介陈益民（1969-），男，高级工程师，毕业于中国矿业大学水文地质和工程地质专业，长期从事岩土工程勘察以及地质灾害勘查、设计和治理工作。收稿日期：2022-08-16能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.177