基于李村煤礦破碎頂板注漿支護材料的改性試驗

王海鵬

(潞安集團 李村煤礦,山西 長治 046600)

潞安集團李村煤礦為高瓦斯深埋礦井,現開采3號煤層采高為6 m,采煤方法為一次采全高。由于煤層埋深較大,工作面煤壁與頂底板所受應力較大,煤壁片幫、冒頂現象較為突出。為確保工作面安全開采,該礦井對頂板圍巖進行單排眼挑頂注漿加固;對頂部大面積片幫區采用均勻注漿粘接固化加固;對破碎煤幫采用整體錨注進行注漿加固。因此,在該礦井推進過程中注漿工程所占比例較大,合理選取具有高效性、穩定性、經濟性的注漿漿材是提高礦井經濟生產的重要組成部分[1]。

1 試驗材料

本次試驗材料主要有P.O42.5普通硅酸鹽水泥、鋼渣微粉、速凝劑與羥乙基纖維素(HEC)。選用水泥為骨料是由于水泥在混合漿液中可以起到一定的緩凝作用,可以在礦井注漿時間不確定的情況下,適當地緩解漿液的固結時間,并且水泥中的硅酸二鈣與硅酸三鈣都能夠與漿液中的各組分搭建晶鏈結構,起到增大結石體強度的效果[2-4];選用鋼渣微分是介于其來源廣泛,可以滿足礦井注漿工程的經濟性,并且具備較高的強度,可以通過改變其組分比例滿足礦井的充填固結需求;速凝劑選用無機復合材料(AF726)作為添加劑,能夠提高漿液固結后的早期強度,能夠滿足礦井注漿支護的及時性;羥乙基纖維素(HEC)可以提高漿液混合后的流動度,使各組分能夠在漿液中以膠狀體狀態均勻分布[5-6]。

2 試驗方案

本次試驗所選取因素為水固比s(水與固體組分的質量比)、膠固比m1(凝膠材料HEC與水泥和鋼渣微粉的總質量之比)、鋼渣微粉占固體混合物的質量分數m2、速凝劑與漿液體積比V'。通過設計四因素(如表1所示)、四水平正交試驗,對不同水平下每組編號的試驗結果進行分析,正交試驗設計表如表2所示。

表1 正交試驗因素表Table 1 Orthogonal factor table

表2 正交試驗表Table 2 Orthogonal test table

3 試驗數據與分析

對每組試驗進行特性分析,分別對漿液凝結時間t(初凝與終凝)、泌水率h、10分鐘時的流動度d與結石體28d抗壓強度P四個方面進行測試,通過多次試驗,除去失效數據將所得數據均值進行統計,如表3所示。

表3 試驗數據表Table 3 Testing data table

根據上表數據可以得出水固比越大,結石體的28d強度值越大,但由于相同水固比下水泥與鋼渣微分的組分含量不同,當鋼渣微粉的含量超過50%之后,由于多余的鋼渣微粉不僅不能夠增大結石體強度,反而會由于水泥含量較少,無法充分將漿液中各組分構建晶鏈搭接結構,因此隨著鋼渣微粉質量比的繼續增大而減小[7];當鋼渣微粉含量超過50%之后,未進行晶鏈搭接的部分鋼渣微粉會以游離狀存在于漿液中,影響了漿液的固結速度;速凝劑對凝結時間的影響較大,增大速凝劑的含量可以縮短漿液的凝結時間,當凝結時間到達一定程度時呈現略微上升的趨勢,并且在試驗中可以發現,添加適量速凝劑可以提高結石體的3d抗壓強度;羥乙基纖維素(HEC)含量越大,則漿液膠固比越大,流動度越小;鋼渣微粉含量越大,還可以增大材料穩定性,減小其泌水率,但膠固比較小時,作用效果并不明顯,當含量增大至1:1時,其穩定性得到明顯改善,且泌水明顯減少,但繼續增大至2:1時,其流動性又立即下降,此時漿液泌水率最小,凝結時間最大。

在礦井注漿工程中,漿液需要滿足確保在足夠的注漿時間下確保漿液的流動度;固結之后要具備較高的結石體強度,以確保注漿支護具備足夠的可靠性[8];漿液在流動過程中泌水率不能過大,否則會出現漿液分層現象,導致漿液擴散邊界處結石體強度不夠,影響擴散半徑,并導致注漿孔間距失效。因此,根據上述要求可以得出編號S3與S8滿足礦井注漿需求的28d抗壓強度為12.43 MPa,S8的28d抗壓強度為5.46 MPa,礦井支護強度過大反而會影響工作面的正常放頂與割煤,因此選取S3配比進行新型注漿漿液的配制最佳。

4 結論

通過分析不同水平的水固比s、膠固比m1、鋼渣微粉質量分數m2、速凝劑與漿液體積比V'四因素的試驗,可以得到以下結論:

1)采用鋼渣微粉替代部分部分水泥可以得到注漿材料的經濟性,鋼渣微粉質量分數為50%時,漿液具備合理的凝結時間,能夠滿足礦井注漿需求,并且固結后強度可以達到5 MPa以上,滿足支護與割煤需求。

2)添加速凝劑可以在鋼渣微粉含量控制之外對凝結時間起主要調控作用。

3)泌水率對于漿液的固結效果很重要,泌水率太大會造成漿液分層,影響漿液的真是擴散半徑,因此應當盡可能減小漿液的泌水率。

4)漿液在合理的初凝時間下,應當盡可能縮短初凝與終凝時間的間隔,減少工作面不必要的等待時間,并且漿液需要在初凝時間內保持良好的流動度,具備足夠的可泵性。

通過對比各組試驗數據可以得出,新型礦井注漿改性材料的配比為:水固比0.6:1,膠固比1:2,鋼渣微分質量分數50%,速凝劑與漿液體積比0.5:1的比例配置硅酸鹽水泥、鋼渣微粉、速凝劑與羥乙基纖維素混合漿液。

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