頂板破碎注漿加固材料的配置及性能測試

張學穩 陳艦 劉漢忠 夏運兵 張畫 楊付領

摘 要：本文介紹了一種以普通硅酸鹽水泥、高鋁水泥熟料、石膏、石灰為主體的頂板破碎注漿加固材料，并測定了該材料的抗壓強度、抗折強度、凝固時間和流動度等特性。研究表明，所研制的頂板破碎注漿加固材料流動度好，速凝早強，能滿足頂板破碎注漿加固的要求。使其既具有水泥材料的高致密性，且價格低廉。

關鍵詞：注漿加固;頂板破碎;復合材料;流動度;凝固時間;抗壓強度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.066

0 引言

礦井在極近煤層開采中，結束上覆煤層回采后，再去開采下部煤層，一般都會導致下部煤層頂板嚴重破碎，致使破碎頂板超前漏冒，煤壁片幫，采場圍巖控制也十分困難，這都大大制約了采掘工作面的推進度，嚴重影響生產，甚至被迫停產，自然難以實現安全、高效的煤礦開采。非人為情況下也存在天然破碎頂板，支護困難。故制備一種頂板破碎注漿加固材料，加固頂板，提高頂板的整體穩定性，進而形成良好的承載結構，防止漏頂、冒頂等事故的發生。破碎頂板注漿，可使破碎頂板形成一個整體，改善力學結構，有效控制頂板，以保證工礦企業的安全生產和經濟效益。

漿液與介質能形成固結體膠結，增大了裂隙巖體的整體凝聚強度，固結體形成了基本的堅固的骨架結構，增強了整個頂板的承載能力，有效防止了采煤面的片幫、冒落等類似事故，大大降低支護成本，節約經濟成本支出，避免不必要浪費。

1 試驗研究的技術路線

1.1 試驗目的

試驗研究目的：制備出一種水泥基復合破碎頂板注漿加固材料。該材料具有以下特點：（1）速凝，終凝時間小于3小時;（2）早強，1d單軸抗壓強度大于10MPa，3天單軸抗壓強度大于20MPa;（3）流動性好，按最佳水灰比加水攪拌，20min內的凈漿流動度大于28cm;（4）它無毒無污染，凝固后收縮變化極小。

1.2 技術措施

該研究的關鍵是保證該類材料的抗壓強度、抗剪切強度、凝固時間、流動性能等性能完全達標，留出了足夠的料灌漿操作時間，同時能較快凝固，初期就具有一定抗壓強度，以防達到應有效果，而且材料制造成本較低。所以，選擇低價、普通硅酸鹽水泥作為主料，配一定量高鋁水泥熟料，再加入石灰、石膏等配料，并添加多種外加劑，配制出一種早強、抗折、速凝、流動性好的灌漿加固材料，并在對其物理力學性能進行一系列實驗室測定，做出最終可運用、可實施的建設性結論。

2 試驗的原材料、實驗方法及配比實驗

2.1 原材料及配方

試驗的材料為：

（1）水泥：PC32.5級普通硅酸鹽水泥，采用六盤水豪龍水泥廠生產。

（2）高鋁水泥熟料，論文中所有使用的高鋁水泥熟料均為“硫鋁酸鈣水泥熟料”，鄭州建文特材科技公司生產。

（3）石膏：源于正常石粉廠生產。

（4）石灰：源于正常石灰廠生產。

（5）外加劑：減水劑采用聚羧酸減水劑等。

實驗材料選用三組配比方法，通過實驗選取最佳配比，這三組配比方法分別是 ：

（1）配方一：PC32.5級普通硅酸鹽水泥（該組為對照組）。

（2）配方二：PC32.5級普通硅酸鹽水泥與高鋁水泥熟料以30：70的比例混合。

（3）配方三：PC32.5級普通硅酸鹽水泥、石膏、石灰與高鋁水泥熟料以74：6 ： 5 ：15的比例混合。

2.2 試驗方法

三組均選用0.5的水灰比，同時均加入干粉凈 0.2%的減水劑，漿液的制備采用IVJ-160型水泥凈漿攪拌機攪拌，攪拌時間為3-5min，并進行如下實驗檢測。

（1）單軸抗壓強度的測定。將上述材料按照規定的水灰比，攪拌均勻成可用漿液，注入70.70 mm×70.70mm ×70.70mm的試模中，用刮片將超出試模的材料刮掉。將試塊置于濕度為96%、溫度為21°C的養護箱中養護24小時后，脫模并繼續養護，使用微機壓力實驗機測其1天、3天、8天、29天、70天的單軸抗壓強度。

（2）抗折強度的測定。將上述材料按照規定的水灰比，攪拌均勻成可用漿液，注入50mm×50mm ×50 mm的試模中，用刮片把超出試模的材料刮去。將試塊置于濕度為96%、溫度為21°C的養護箱中養護24小時后，脫模并繼續養護，使用微機控制壓力機測其1天、3天、8天、29天、70天的抗折強度。

（3）凝固時間的測定。使用維卡儀，測定測試水泥漿液的凝結時間。具體試驗要參照GB/T1346-2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》。

（4）流動度的測定。將上述材料按照規定的水灰比，攪拌均勻成可用漿液，將漿液注入置于水平玻璃板上高度60.00 mm、下口直徑60.00mm、上口直徑36.00mm的截錐圓模中，用刮片將超出試模的材料刮去后，將截錐圓模垂直提起，漿液呈圓形擴散30s后，測量其直徑。

3 試驗結果及分析

3.1 復合材料的抗壓強度

影響材料抗壓強度的主要因素為高鋁水泥熟料的摻量。對比如下圖1所示，高鋁水泥熟料摻量越高，抗壓強度越高，配方二的高鋁水泥熟料摻量最高，明顯比其他兩個配方的抗壓強度高。

水灰比與材料的抗壓強度存在極大的關系，假設水灰比越低，那么材料的抗壓強度就會越高，尤其是加入了減水劑后，水灰比越低，材料的抗壓強度增加更加明顯，配方二的高鋁水泥熟料為30.12%，減水劑摻量為0.21%，在水灰比為0.51的材料配比情況下，1天的單軸抗壓強度可達到15.24MPa，8天可達40.50 MPa。

3.2 復合材料的抗剪切強度

影響材料抗剪切強度的主要因素為高鋁水泥熟料的摻量。對比如下圖2所示，高鋁水泥熟料摻量越高，抗剪切強度越高，配方二的高鋁水泥熟料摻量最高，明顯比其他兩個配方的抗剪切強度高。

水灰比與材料的抗剪切強度也存在著極大的聯系，假設水灰比越低，那么材料的抗剪切強度就會越高，并且當加入減水劑后水灰比更低，材料的抗剪切強度增加更加明顯。

3.3 復合材料的凝固時間

影響材料凝固時間（終凝）的主要因素是高鋁水泥熟料的摻量，具體表現為：假設高鋁水泥熟料的摻量越大時，那么凝固時間就會越短，相同摻量的材料水灰比越小則凝固時間越短。如表1所示為三種配方配制的材料在水灰比為0.5時的凝固時間測試值。

3.4 復合材料的流動度

影響材料流動度的主要因素為高鋁水泥熟料和水泥比例、減水劑參量和溫度，高鋁水泥熟料的摻量越小流動性能越好，配方二與配方三不同的高鋁水泥熟料摻量的材料在水灰比為0.5時測量的直徑分別為30.00cm、33.50cm與28.00cm。

溫度越高則流動度越差，一般情況下自制材料漿液呈圓形擴散30s后直徑在28cm左右，溫度在20攝氏度時為24cm，溫度為10攝氏度時可增加至35cm。在井下注漿后，材料能快速在破碎頂板周圍擴散填充封堵裂隙。

減水劑摻量對材料的流動度也有較明顯的影響，減水劑參量越低則材料的流動度越差，加入了減水劑之后流動性能更好。

4 實驗室充填性能檢測

4.1 性能測試方法

注漿加固實驗多是在小型注漿模具中進行，僅用水泥漿液制備的復合材料在測試下能得到早強、抗折、速凝、流動性好的灌漿加固材料，但測試后的強度只能作為水泥漿液的性能特征，實際上要比注漿加固后的破碎巖體真實的強度要高很多，作為巖體注漿加固性能指標直接運用還需要進行性能測試。

測試方法：使用礦井頂板的灰巖試塊，打磨灰巖，將灰巖打磨成50mm×50mm ×50 mm的立體試塊，通過巖石試塊修復前后的數據對比，以此得出實驗配方對破碎頂板的修復能力。

4.2 實驗材料的抗壓強度和抗剪強度

巖石試塊的抗壓強度和抗剪切強度分別如下表2所示：

利用配方二對破壞后的巖石試塊進行修復，修復后的巖石試塊的抗壓強度和抗剪切強度如下表3所示：

4.3 實驗材料修復前后抗壓及抗剪強度對比

利用配方二修復的巖石試塊與修復前巖石試塊的抗壓強度對比圖3如下所示：

由上圖可知，利用配方二修復后的巖石試塊具有較強的抗壓能力。

利用配方二修復的巖石試塊與修復前巖石試塊的抗剪切強度對比圖4如下所示：

由上圖可知，配方二修復破碎巖石后，抗剪切強度很高，甚至修復后的抗剪切強度能達到修復之前的抗剪切強度。

由此可以得出，配方二可以修復破碎頂板，抗壓強度與抗剪切強度較修復前相差不大，能運用于井下工作環境。

5 結論

本文針對復雜地質條件下煤層開采過程中常見的頂板破碎災害問題，采用理論分析，室內試驗等技術手段，研究了破碎頂板注漿加固材料的配置及性能測試。重點探討了該材料的抗壓強度、抗剪切強度、凝固時間和流動度等特性。

通過實驗對比可得出結論：

（1）使用配方二所制備的復合材料具有較強的抗壓能力，抗剪切強度雖略小于配方一，但其流動性強，凝固時間短適宜推廣于煤礦井下施工現場，且無毒無公害;

（2）配方一為普通硅酸鹽水泥材料，抗剪切強度較好，根據實際生產情況需求可適量在配方二的基礎上增加普通硅酸鹽的比例;

（3）通過模擬實驗可得，配方二可作為破碎頂板注漿加固材料投入井下使用。材料按照0.5的水灰比加減水劑攪拌，迅速凝膠，材料固化后產生的多種水化物間發生反應，生成鈣礬石，這是材料早期擁有較高強度的主要原因。

參考文獻：

[1]孫文標，李紅行，董新照等.注漿封孔材料的性能及其膨脹機理研究[J].有色金屬，2010，62（06）：73-77.

[2]翟華，孫玉寧，孫小巖.封孔注漿材料的試驗研究[J].煤礦安全，2008（03）：14-17.

[3]勾密峰，管學茂，張愛霞.新型水泥基封孔灌漿料的研制[J].煤炭技術，2007，26（04）：119-121.

[4]余其俊，李北星，周明凱等.高水速凝固化材料的性能及其水化硬化機理研究[J].水泥技術，1995（05）：3-6.

[5]任青山，艾德春，彭斌等.自制膨脹材料在發耳煤礦瓦斯抽放鉆孔密封中的應用[J].煤炭技術，2014，7（33）：261-263.