煤礦豎井充填砂漿組分試驗(yàn)研究與優(yōu)化

侯永平，馮 巍

(山西平舒煤業(yè)有限公司， 山西 陽泉市 045000)

煤礦豎井充填砂漿組分試驗(yàn)研究與優(yōu)化

侯永平，馮 巍

(山西平舒煤業(yè)有限公司， 山西 陽泉市 045000)

平舒礦2#豎井施工采用壁后充填，充填質(zhì)量將直接影響豎井的穩(wěn)定性和安全性。為此，對壁后充填施工工藝與方案、砂漿組分及作用進(jìn)行了充分研究，在此基礎(chǔ)上，分別對水灰比、砂石細(xì)度、礦物摻和料、減水劑等對砂漿綜合性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)性研究，最終得出了該工程所需的最佳砂漿組分比例為水∶水泥∶砂石∶粉煤灰∶減水劑=309∶684∶1026∶135∶11.7，現(xiàn)場使用效果良好。

煤礦豎井；壁后充填；砂漿組分

0 引 言

煤礦豎井是井下與地面的重要聯(lián)通通道，具有煤炭轉(zhuǎn)運(yùn)、人員進(jìn)出、物料運(yùn)輸和排水通風(fēng)等作用。隨著煤炭開采量和開采深度的增加，豎井的建設(shè)量和施工難度也增大。煤礦豎井施工設(shè)備發(fā)展至今，已基本實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、機(jī)械化，生產(chǎn)效率較高。由于不同豎井對應(yīng)的巖層、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、深度等差異較大，具體豎井施工工藝也需要針對性地研究和制定。

豎井施工流程一般包括：機(jī)械鉆井、井壁預(yù)制、井壁下沉安放、壁后充填。其中，壁后充填是豎井施工的最后一道工序，而充填質(zhì)量將直接影響豎井的穩(wěn)定性和后期使用安全性。本文將結(jié)合平舒礦2#豎井施工的實(shí)際需求，對充填砂漿組分進(jìn)行試驗(yàn)研究及優(yōu)化。

1 壁后充填施工工藝與方案

壁后充填主要是將一定配比的砂漿通過注漿設(shè)備注入到井壁外側(cè)與巖幫之間，高比重的砂漿將泥漿置換出巖壁間隙，然后通過一定時(shí)間的砂漿凝結(jié)，使各井壁牢固地與周圍巖體結(jié)合，保證在井壁下方開拓時(shí)，井壁不發(fā)生下沉。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，填充層需滿足以下工藝要求：

(1) 填充層以一定速率凝固后，井壁與圍巖結(jié)為一體，達(dá)到井壁固定的主要目的，因此要求填充層具有一定強(qiáng)度；

(2) 填充層在使用過程中要有效隔斷含水層與其它地層之間的溝通，防止豎井底部發(fā)生涌水事故，因此要求填充層具有良好的抗?jié)B性；

(3) 為防止井壁在周邊地層沉降時(shí)承受過大的豎直方向載荷，應(yīng)保證在地層沉降量較大時(shí)，填充層可相對井壁滑動(dòng)，因此要求填充層具有一定的伸縮性；

(4) 為保證填充質(zhì)量，降低孔隙率，提高抗壓強(qiáng)度，要求填充材料在施工過程中具有良好的流動(dòng)性。

當(dāng)前廣泛采用的豎井壁后填充施工已完全實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，基本的設(shè)備布置和注漿方式如圖1所示。

圖1 煤礦豎井壁后充填基本施工設(shè)備

2 砂漿組分及作用

如圖2所示，砂漿主要由水、水泥、砂石、礦物摻和劑(粉煤灰)、減水劑5部分組成，在設(shè)備中自動(dòng)按預(yù)設(shè)比例進(jìn)行均混，然后再泵送至井壁與圍巖間隙內(nèi)。砂漿各組成的作用如下：

(1) 水。水與水泥混合后形成水泥漿，可包裹砂石等顆粒，同時(shí)填充空隙，潤滑利于流通；

(2) 水泥。水泥為粉末狀的無機(jī)凝膠材料，與水混合后形成漿體，不同標(biāo)號的水泥以一定的凝結(jié)速率在空氣或水中發(fā)生硬化，若與砂石混合后，則可將其緊實(shí)地膠結(jié)其中。本次施工采用普通硅酸鹽水泥，比表面積350 mm2/kg，抗壓強(qiáng)度48.7 MPa；

(3) 砂石。砂石在砂漿中作為受力骨架，可增強(qiáng)水泥凝固體的強(qiáng)度。砂石根據(jù)泥漿功能不同而在顆粒度的配制上呈現(xiàn)較大差異。粗砂比細(xì)砂的總表面積小，因此與水泥的接觸面積也小，不利于強(qiáng)度發(fā)揮；而砂石作為主要的混合料，粗砂比例增大可明顯減少水泥的使用量，降低施工成本。所以良好的砂石配比可在一定的成本范圍內(nèi)，最大程度發(fā)揮砂漿的強(qiáng)度；

(4) 礦物摻和料。本次施工選用粉煤灰作為礦物摻和料。其主要成分為鋁硅酸鹽，可替代部分水泥，降低成本；同時(shí)，其顆粒狀態(tài)還可改善砂漿的性能；

(5) 減水劑。對于煤礦深井的壁后充填原料，因砂漿運(yùn)送距離較大，因此運(yùn)輸時(shí)間較長。減水劑可在增加用水量的前提下提高砂漿的和易性，延長凝結(jié)時(shí)間，同時(shí)改善砂漿的其它性能。

圖2 砂漿組分

3 砂漿組分試驗(yàn)研究與改進(jìn)

反映砂漿性能的評估參數(shù)包括擴(kuò)展度、流出時(shí)間、抗壓強(qiáng)度等，本文將通過改變各組分比例來研究最佳的砂漿組分配比。

3.1 水灰比對砂漿性能影響

水灰比是指砂漿中水與粉灰物(包括水泥、粉煤灰)的比例。設(shè)計(jì)如表1所示的4種砂漿配比進(jìn)行試驗(yàn)，水灰比分別為0.25，0.3，0.35，0.4。試驗(yàn)結(jié)果見表2，可以看出，隨著砂漿中含水量的增加，其擴(kuò)展度增加，流出時(shí)間減小，即砂漿的黏度降低、流動(dòng)性增強(qiáng)。從3 d的初凝強(qiáng)度和30 d后的最終強(qiáng)度數(shù)值可以看出，隨著含水比例增加，抗壓強(qiáng)度逐漸減弱。因此，在選擇水灰比時(shí)，應(yīng)綜合考慮施工工藝對砂漿的流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度的不同要求。結(jié)合平舒礦豎井施工的具體需求，最終選擇表1中第2組水灰比作為后續(xù)對比試驗(yàn)的基礎(chǔ)。

表1 試驗(yàn)砂漿各組分比例(比重)

表2 水灰比試驗(yàn)結(jié)果

3.2 砂石細(xì)度對砂漿性能影響

在第2組水灰比基礎(chǔ)上，保持各對比組的水泥/砂石比例、減水劑比例不變，而改變砂石細(xì)度，4組對應(yīng)砂石細(xì)度模數(shù)分別為1.5，2，2.5，3。試驗(yàn)結(jié)果見表3，可以看出，隨著砂石細(xì)度模數(shù)增加，砂漿流動(dòng)性變差，且抗壓強(qiáng)度規(guī)律性降低。綜合考慮，適宜的砂石細(xì)度應(yīng)在1.5～2之間。

表3 砂石細(xì)度試驗(yàn)結(jié)果

3.3 礦物摻和料對砂漿性能影響

礦物摻和料選擇粉煤灰，粉煤灰在灰分中比例分別為0,0.1,0.2,0.3，試驗(yàn)結(jié)果見表4，可以看出，由于灰狀顆粒物的潤滑作用，隨著粉煤灰比例的增加，砂漿流動(dòng)性增強(qiáng)，初始抗壓強(qiáng)度逐漸降低，但最終強(qiáng)度數(shù)值在0.2時(shí)達(dá)到最大，因此，考慮砂漿綜合性能，粉煤灰比例選擇0.2。

表4 粉煤灰比例試驗(yàn)結(jié)果

3.4 減水劑對砂漿性能影響

使用同樣試驗(yàn)方法，由結(jié)果可知，減水劑與細(xì)砂比例為1.1%時(shí)，砂漿整體性能較好。

3.5 砂漿最佳配比

結(jié)合以上試驗(yàn)，得出本次施工用砂漿的最佳配比為水∶水泥∶砂石∶粉煤灰∶減水劑=309∶684∶1026∶135∶11.7，經(jīng)過試驗(yàn)，其各項(xiàng)性能參數(shù)如表5所示。

表5 本次施工用砂漿性能參數(shù)

4 砂漿現(xiàn)場使用

按以上配比制作的砂漿可將比重為僅1.2的泥漿較好地置換完全，施工總耗時(shí)12 h，使用水泥1178t，檢查干孔率達(dá)到95% 。井壁外觀光滑，厚度達(dá)標(biāo)，且未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重蜂窩現(xiàn)象，完全滿足該礦豎井的設(shè)計(jì)和使用要求。

5 結(jié) 論

結(jié)合平舒礦豎井實(shí)際施工需要，在對壁后充填施工工藝與方案、砂漿組分及作用進(jìn)行深入研究基礎(chǔ)上，分別對水灰比、砂石細(xì)度、礦物摻和料、減水劑等對砂漿綜合性能的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，最終得出了該工程所需的最佳砂漿組分比例，實(shí)際施工效果良好。

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2017￣01￣23)

侯永平(1974-)，男，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)人，助理工程師，主要從事煤礦開采方面的管理工作，Email：592652621@qq.com。