煤矿顶板探查治理工程注浆材料简易选型与研究_解保磊.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.011煤矿顶板探查治理工程注浆材料简易选型与研究解保磊（江苏煤炭地质勘探二队，江苏 徐州 221006）摘要 针对煤矿开采煤层顶板探查治理工程，选择水泥浆、粉煤灰水泥浆、水泥粘土浆开展常压、高压状态下的性能研究，分析其流动性、可注性；选择抗渗性能和浆液固结体柔性合适的注浆材料和配比，使注浆改造区域在一定程度上可以减轻或抑制工作面回采过程中因顶板岩层移动破坏造成的前期注浆区域过度弯曲扰动影响，满足煤层顶板治理工程的需求。关键词 煤层顶板；注浆材料；性能研究；配比中图分类号TD265.4文献标识码B文章编号1672-9943（2023）01-0033-040引言煤矿顶板探查治理工程治理技术在研究、实践、验证中逐渐走向成熟，各类专家学者及技术人员开展了大量的研究工作。为了满足探查治理工程的需求，展开了注浆材料简易选型与研究。本工程治理层位为基岩风氧化带底部至开采煤层顶板防水保护带上部一定位置，治理层位、地质、构造、水文地质特征具有一定的特殊性。水平定向孔主要布置在风氧化带底部至开采煤层顶板防水保护带上部区域，对可能存在垂向隐伏导水通道和电法异常区进行探查验证；采用高压注浆泵对其进行高压注浆，封堵垂向隐伏导水通道及裂隙，加固风氧化带附近岩层，起到隔水作用，达到区域治理改造的效果。拟注浆治理区域基岩风化带底部在工作面回采的过程中覆岩移动破坏形成的导水裂隙带可能对注浆改造的层位产生采动影响，出现次生裂隙，降低注浆加固的效果。因此，需要开展注浆材料选型及研究，在注浆改造时需要选取抗渗性能和浆液固结体柔性合适的注浆材料和配比，使注浆改造区域在一定程度上可以减轻或抑制工作面回采过程中因顶板岩层移动破坏造成的前期注浆区域过度弯曲扰动，仍具有一定的柔性及阻水效果，满足治理工程的需求。1顶板岩性特征风氧化带内岩石风氧化后基本与泥岩相似，抗压强度、黏聚力及内摩擦角比泥岩更低，更为松散，抗剪强度低，抗压能力大幅度衰减；风氧化带内泥类岩性占比较大，风化后抗渗性能大大降低。风氧化带底部至开采煤层顶板防水保护带上部区域岩性多以弱风氧化正常状态泥岩为主，砂岩较少，岩性特征变化明显，强度低、抗渗性差。2拟定的注浆材料前期经过大量调研及专家论证，工作面顶板风氧化带底部的注浆材料拟选择范围为水泥单液浆、粉煤灰-水泥浆、水泥-粘土浆。本次试验测试所使用的水泥、粘土、粉煤灰原材料，本着试验和实际应用一致性的原则，就地取材。实验样品采集来源：普通水泥：甲方指定的项目所在地鸟巢牌 32.5 普通硅酸盐散装水泥；粘土：项目甲方确定的土样采样场，在地表 1.5 m以下的粘土层，试验时采用 0.15 mm、0.074 mm 的筛网进行筛分，剔除大颗粒与其他杂质；粉煤灰：项目所在地甲方指定的电厂。3注浆材料实验参数实验内容主要分为常压、高压固结 2 个状态的性能研究。（1）常压下选取不同配比进行测试12。因以往工程实践积累了大量水泥浆性能参数资料，本次主要测试粉煤灰-水泥浆、水泥-粘土浆的性能。粉煤灰-水泥浆 8 种配比为水固质量比为 21 和11，水泥和粉煤灰质量比分别为 11、32、73、41；水泥-粘土浆 8 种配比为水固质量比为21 和 11，水泥和粘土质量比分别为 14、23、73、11。选择测试浆液密度、粘度、初凝时间、终凝时间、析水率，结石的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内摩擦角、凝聚力、渗透系数，塑性强度等参数，对注浆材料的充填能力、扩散距离、阻水能力能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1332023 年 2 月Feb.,2023和抗采动影响情况进行研究。（2）高压固结下选取不同配比进行测试。因为时间、压力因素考量，综合以往施工经验，只优选了6 种配比进行性能测试，水泥单液浆 1 种（水固质量比 31）、水泥-粉煤灰浆 2 种（水固质量比 11，水泥和粉煤灰质量比为 37 或 28）、水泥-粘土浆 3 种配比方案。水泥-粘土浆配比方案选择用 912 kg 水和 238 kg 粘土调制成初始密度为1.15 g/cm3的粘土浆，再添加 150 kg水泥后密度变为1.24 g/cm3的水泥-粘土浆；用 882 kg 水和 318 kg黏土调制成初始密度为 1.20 g/cm3的粘土浆，再添加 200 kg 水泥后密度变为 1.315 g/cm3的水泥-粘土浆；用 882 kg 水和 318 kg 黏土调制成初始密度为 1.20 g/cm3的粘土浆，再添加 200 kg 水泥和8.1 kg水玻璃。4注浆浆液性能选择原则注浆材料性能的选择，主要看其流动性、可注性，是否具有较高的结石率、较好的阻水性及柔性，是否起到堵塞垂向和侧向导水通道的作用。因此需要重点测试分析浆液的粘度、析水率、凝结时间、抗拉强度、塑性强度、渗透系数等参数，综合评判其可注性、充填能力、扩散能力、阻水能力及采动破坏后的性能。（1）浆液粘度大小直接影响浆液的扩散半径3。要求浆液具有一定的粘度，但不能过高，粘度一般在 1835 s。在注浆过程中满足工程项目扩散范围的要求，还需要考虑地下水对浆液的影响，防止过度稀释。（2）浆液的析水率（结石率），要求具有较高的结石率，能充填堵塞垂向和侧向导水通道。（3）浆液的初凝、凝结时间，能保证注浆施工工艺要求，满足流动性、扩散半径，能及时形成固结体，堵塞导水通道。（4）注浆浆液的塑性强度要达到浆液凝结体抵抗变形（抗剪切破碎）的目的，减小弯曲下沉扰动影响。（5）本工程工作面顶板导水裂隙安全保护带上部注浆加固后，要求具有一定的抗拉强度，满足弯曲下沉扰动等影响，不发生脆性破坏。（6）抗渗性能主要通过渗透系数指标来表征。浆液结石体渗透系数应小于 10-5cm/s，才可以达到较好的抗渗性。（7）注浆材料应便宜、实用、方便运输和保存，满足工程实际需要。5测试结果分析5.1常压状态结果分析5.1.1粘度和析水性粉煤灰-水泥浆的水固质量比 21 时，粘度为 26.0027.43 s，24 h 析水率为 56.00%59.00%；11 时，粘度为 28.9731.09 s，24 h 析水率为28.00%30.00%，水固质量比不变，粉煤灰用量的减少，粘度降低46。水固质量比和粘度为负相关关系，24 h 析水率正相关性，即水固质量比降，粘度增，24 h 析水率降，对比水泥浆的流动性和扩散性要差，但是 24 h 析水率差别不大，充填效果粉煤灰-水泥浆比单液水泥浆稍好一点。水泥-黏土浆的水固质量比 21 时，粘度为 27.4328.00 s，24 h析水率为 25.50%43.00%；11 时，粘度为 31.1834.41 s，24 h 析水率为 2.00%16.50%，对比水泥浆、粉煤灰-水泥浆的流动性和扩散性要差，但是差别不太大，注浆压力需要适当提高，24 h 析水率变化明显，充填效果水泥-粘土浆比单液水泥浆、粉煤灰-水泥浆要好。需要注意的是，水泥-粘土浆注浆时，实验室试验材料是筛分后的纯粘土配置的，现场实际生产时提供的粘土原材料纯度越高，性能越好，注浆工艺也越简单；反之工艺复杂，质量把控要求高。5.1.2抗压强度和抗拉强度粉煤灰-水泥浆的水固质量比 21 时，7 d 抗压强度为 1.783.84 MPa，14 d 抗压强度为 1.915.55 MPa；11 时，7 d 抗压强度为 2.395.99 MPa，14 d 抗压强度为 3.188.92 MPa7。水固质量比由21 变为 11 时，抗压强度增加了 1.5 倍左右。水泥-粘土浆的水固质量比 21 时，7 d 抗压强度为0.060.82 MPa8，14 d 抗压强度为 0.081.81 MPa；11 时，7 d 抗压强度为 0.160.79 MPa，14 d 抗压强度为 0.221.35 MPa。水固质量比由 21 变成11 时，抗压强度增加不明显。粉煤灰-水泥浆的水固质量比 21 时，7 d 抗拉强度为 0.170.32 MPa，14 d 抗拉强度为 0.230.46 MPa；11 时，7 d 抗拉强度为 0.310.49 MPa，14 d 抗拉强度为 0.400.59 MPa。水固质量比由21 变成 11 时，抗拉强度有所增加。水泥-粘土浆的水固质量比 21 时，7 d 抗拉强度为 0.010.07 MPa，14 d 抗拉强度为 0.030.12 MPa；11时，7 d 抗拉强度为 00.09 MPa，14 d 抗拉强度为解保磊煤矿顶板探查治理工程注浆材料简易选型与研究342023 年 2 月Feb.,20230.040.11 MPa。水固质量比由 21 变成 11 时，抗拉强度增长不大。结合以往经验数据，通过单一的强度指标分析，单液水泥浆抗拉和抗压强度大于粉煤灰-水泥浆，粉煤灰-水泥浆大于水泥-粘土浆。单液水泥浆的强度与粉煤灰、粘土的添加量呈负相关性，粘土的加入使强度降幅明显，相差一个数量级。水泥-粘土浆结石体具有一定的韧性和柔性，在受拉受压未超过承受极限时，能在一定程度上保证连续性，具有缓变性趋势，不会发生脆性破坏。5.1.3塑性强度粉煤灰-水泥浆的水固质量比 21 时，12 h塑性强度为 1.365.65 kPa，24 h 塑性强度为 26.91130.26 kPa，48 h 塑性强度为 130.26814.15 kPa；11 时，12 h 塑性强度为 2.8216.62 kPa，24 h 塑性强度为 203.54814.15 kPa，48 h 塑性强度为 361.853 256.62 kPa。水固质量比由 21 变成 11 时，塑性强度逐渐增长。水泥-粘土浆的水固质量比 21时，12 h 塑性强度为 3.187.38 kPa，24 h 塑性强度为6.1640.21 kPa，48 h 塑性强度为 19.27203.54 kPa；11 时，12 h 塑性强度为 8.1426.91 kPa，24 h 塑性强度为 40.21130.26 kPa，48 h 塑性强度为 203.54814.15 kPa。对比数据分析，粉煤灰-水泥浆 12 h塑性强度不如水泥-粘土浆，24 h、48 h 塑性强度比水泥-粘土浆大 1 个数量级，这与他们的凝固时间有一定的关系。粉煤灰-水泥浆凝固时间相对较短，塑性强度增加的快；水泥-粘土浆凝结时间较长，塑性强度增加的慢，容易发生塑性变形。5.1.4凝结时间粉煤灰-水泥浆的水固质量比 21 时，初凝时间为 1 0901 510 min，终凝时间为 1 1901 580 min；水固质量比 11 时，初凝时间为 690932 min，终凝时间为 7501 017 min。粉煤灰掺加量的降低，凝结时间逐渐变短。水泥-粘土浆的水固质量比21 时，初凝时间为 2 0909 060 min，终凝时间为2 14010 930 min，水泥掺加量 20%30%时，凝结时间过长，不利于注浆；水固质量比 11 时，初凝时间为 1 2801 390 min，终凝时间为 1 6302 130 min。水固质量比由 21 变为 11 时，随着水泥掺加量的增加，凝结时间逐渐变短。由此可以看出，初凝和终凝的时长，水泥起首要的作用，而添加粉煤灰或粘土后，又可进一步延长浆液的初凝和终凝时长9。添加粘土的浆液的凝固时间比添加粉煤灰浆液的凝固时间长。5.1.5浆液密度因粉煤灰-水泥浆、水泥-粘土浆浆液粘度较大，可注性、流动性、扩散性不如单液水泥浆，就注浆工艺（高压）来说，建议浆液水固质量比范围在（31）（1.51）之间，浆液浓度不超过 1.35 g/cm3。5.1.6渗透系数测试结果及分析经过常规测试，16 个浆液凝固体（凝固 7 d 后）的渗透系数范围为 5.8210-81.3110-4cm/s。其中 2 个凝固体渗透系数为 1.2510-41.3110-4cm/s；1 个凝固体渗透系数为 4.7510-5cm/s；6 个凝固体渗透系数为 1.7410-66.0710-6cm/s；7 个凝固体渗透系数为 5.8210-86.5310-7cm/s。浆液凝固体的渗透系数小，渗透性好，浆液凝结后隔水较好。5.2高压状态结果分析高压固结试验是在围压为 3 MPa、注浆压力为5 MPa 的实验条件下获得的数据资料。项目进行了6 种不同浆液和不同配比条件下的高压注浆试验，如表 1 所示，并将注浆固结体在岩石三轴多场耦合实验系统内进行了试样单轴压缩实验，加载速率设定为 0.5 MPa/s。表 16 种浆液的实验测试条件与测试成果序号浆液与配比条件1水泥单液浆水灰质量比 31，养护 3 d23.382469.730.13646.5542水泥-粉煤灰浆在水固质量比 11，水泥和粉煤灰质量比为 3717.7015810.470.15518.7263水泥-粉煤灰浆在水固质量比 11，水泥和粉煤灰质量比为 2816.151165.650.18225.4524水泥-粘土浆基浆密度 1.15 g/cm3，每方基浆添加 150 kg水泥12.09925.130.1808.26015水泥-粘土浆基浆密度 1.20 g/cm3，每方基浆添加 200 kg水泥11.6979.425.870.18617.5166水泥-粘土浆基浆密度 1.20 g/cm3，每方基浆添加 200 kg水泥和 8.1 kg水玻璃8.1665.010.1926.5855测试结果抗压强度/MPa弹性模量/MPa残余强度/MPa峰值应变应变软化指数 Ds6 种不同浆液类型和不同配比的浆液固结体的单轴抗压应力-应变规律如图 1 所示。依据表 1试验结果，采用单轴抗压强度 UCS 对比剖析结果为：UCS1UCS2UCS3UCS4UCS5UCS6；峰值应变对比为：653421；峰残强度比 A 的对比为：A3A1A4A5A2A6；应能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1352023 年 2 月Feb.,2023变软化指数 Ds来评测其柔性变形能力，计算的成果显示：Ds1Ds3Ds2Ds5Ds4Ds6。从单轴抗压强度 UCS、峰值应变、峰残强度比、应变软化指数对比，优选注浆浆液采用 912 kg 水和粘土 238 kg配置基浆，再添加 150 kg 水泥后的水泥-粘土浆（水固质量比 2.351）。图 1不同配比浆液应力-应变规律对于浆液固结体的柔性变形能力进行评估，目前的规范文件和文献资料中并没有可以套用的指标体系。本次采用的峰残强度比 A 与应变软化指数Ds的概念也是借鉴了岩石力学中对岩土材料峰值应力后变形能力的评测指标。因此认为峰残强度比A 与应变软化指数 Ds可以在一定程度上反映出浆液固结体柔性变形的能力。整体分析来看，水泥-粘土浆的性能最优，粉煤灰-水泥浆液的性能波动较大，使用时需要严格控制其配比。6现场验证根据现场实际注浆施工情况，水泥添加后，发生反应，水泥粘土浆稠度大，实际注浆量较少，压力起升较快。经多次论证，注浆采用先稀后稠的方法，浆液水固质量比范围在（2.351）（1.51）之间，浆液浓度不超过 1.35 g/cm3。7结论通过上述浆液的密度、粘度、析水率（结石率）、凝结时间、抗压强度、抗拉强度、塑性强度、渗透系数、高压固结试验等参数，综合评判其可注性、充填能力、扩散能力、阻水能力及采动破坏后的性能。依据探查治理注浆工艺及施工工艺情况，优选浆液水固质量比范围在（2.351）（1.51）之间、浆液密度不超过 1.35 g/cm3、粘度在 1835 s、结石率控制在 50%（因为现场施工是高压注浆，实际结石率要大的多）以上、凝结时间适中，抗渗性能满足阻水能力的要求。常压状态的测试结果表明，水泥-粘土浆液的充填能力明显优于其他 2 种浆液；扩散能力水泥-粘土浆比其他 2 种浆液扩散能力稍差；阻水能力水泥-粘土浆早期塑性好、抗渗性能优于其他 2 种浆液；对于抗采动破坏能力，虽然水泥-粘土浆在抗拉能力上明显低于其他 2 种浆液，但在能够反映采动对岩层破坏程度的弹性模量及弹强比上具有明显优势。可知水泥-粘土浆液是本次实验中更能达到工程目标的注浆选型。根据高压状态各类参数，综合考虑到浆液固结体的应变软化系数 Ds、峰值单轴抗压强度 UCS、峰值应变 和峰残强度比 A，同时兼顾分析浆液的充填能力、扩散能力、阻水能力以及抗采动破坏能力，优选水泥-粘土浆液。根据常压、高压状态下实验成果，本探查治理工程可优先选用水泥-粘土浆液。为保障注浆现场施工的易操作性和浆液的可注性，水泥-粘土浆液在给定幅值内可以有轻微波动。同时，因注浆工程属于地下工程，其浆液扩散距离具有较大的不确定性，在注浆工程实践中，需要根据不同的地质条件和注浆过程的表现，动态调整和优化浆液的选择和配比。参考文献1景兵.龙泉矿高承压底板岩层中粘土水泥浆扩散特性与注浆改性技术研究 D.徐州：中国矿业大学，2021.2霍利杰，马冰，高晓耕.粉煤灰水泥充填注浆材料性能研究 J.建井技术，2008（6）：21-22.3夏小亮.注浆材料优化配比与注浆试验研究 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