不同注漿材料與煤水、煤巖泥漿液性能試驗與分析

張玉萌 倪振強

(聊城大學建筑工程學院)

0 引言

由于礦井巖體周圍氣體環境的復雜性和密閉性，對注漿材料在進行巖體裂隙與孔洞灌漿的過程中反應劇烈程度、放出熱量多少等缺少科實驗驗證，注漿材料使用大多是通過以往的工程處理經驗進行人為判斷。在最近幾年，全國各地出現了許多因使用注漿材料不當導致火災事故的產生，如山西焦煤集團霍州煤電三交河煤礦因化學注漿溫度過高引發煤自然發火事故。因此，需要對不同注漿材料性能做對比實驗，為注漿材料的使用提供科學的依據[1-3]。

以往的研究中，對單獨分析固邦特、馬麗散、水泥注漿材料在圍巖頂板、軟巖加固、巖體裂隙與孔隙等應用和單獨注漿材料的漿液強度分析的文獻較多，但是將固邦特、馬麗散、水泥注漿材料與煤水、煤巖泥形成的漿液的性能對比試驗的研究較少。本文在礦井巷道及地面進行了不同注漿材料漿液性能對比實驗，從而得出性能最好的4 分鐘初凝固邦特注漿材料漿液，具有較高的工程價值。

1 實驗

1.1 實驗環境

注漿材料性能對比實驗地點為-780m 南翼膠帶機巷迎頭附近。經現場測定，實驗用一次性紙杯容量為210ml；實驗進行當日巷道內空氣溫度為31.5℃，相對濕度為90%，本次實驗為無壓實驗。實驗煤巖泥取自迎頭鉆場；實驗用煤水取自迎頭管棚鉆孔，水溫現場測定為39℃。

1.2 原材料

參與本次實驗的注漿材料有4 種，分別為：2 分鐘初凝固邦特（普通型）、8 分鐘初凝固邦特（普通型）、固瑞特、馬麗散。

1.3 實驗方法

⑴實驗分兩組進行，第一組4 種注漿材料和煤巖泥混合固結實驗，第二組4 種注漿材料和煤水混合固結實驗。實驗開始前首先測定巷道環境溫度、水溫度、相對濕度。

⑵首先將煤巖泥和煤水分別放入各自的實驗杯中；新型注漿材料A 料和B 料按比例混合后倒入實驗杯中；普通水泥和快硬水泥藥卷配好后倒入實驗杯中，并攪拌均勻。

⑶每種實驗材料與煤巖泥配比2 杯，與煤水配比1杯。

⑷由于現場實驗條件限制較大，實驗主要通過指壓法、感觀認識、相機記錄等方式來宏觀、定性的進行注漿材料性能對比。

2 現場實驗結果

2.1 井下現場實驗結果

注漿材料宏觀性能對比分析具體結果見本文第3部分：實驗結果對比差異。其中代碼表示注漿材料的漢語拼音首字母。如：2GBT(PT)-S 代表2 分鐘初凝固邦特（普通型）與煤水反應；2GBT(PT)-M 代表2 分鐘初凝固邦特（普通型）與煤巖泥反應；GRT-S 代表固瑞特與煤水反應；GRT-M 代表固瑞特與煤巖泥反應。

2.2 地面二次驗證實驗結果

通過在井下現場實驗，基本上可以從宏觀角度定性地了解各種注漿材料的性能。鑒于8 分鐘初凝固邦特（普通型）與煤巖泥混合后初凝時間、終凝時間、強度均和理論值差距較大的情況，在地面進行了該樣品的二次驗證實驗，實驗配比情況相同，但實驗用水經過加熱后使用，以滿足此注漿材料充分反應所需的溫度。地面二次驗證實驗中發現：8 分鐘初凝固邦特（普通型）在實驗2 小時內仍然未充分初凝，初凝時間較井下現場實驗略有縮短，但依然和理論值差距較大，強度增加幅度依然較慢。

2.3 地面三次驗證實驗結果

通過井下現場實驗、地面二次驗證實驗可知，8 分鐘固邦特（普通型）與煤巖泥混合后，初凝時間在8 小時左右甚至更長，強度很低。為了進一步認識此種材料的固結特性，將8 分鐘固邦特（普通型）初凝時間調至4 分鐘，再一次進行實驗驗證，實驗材料配比比例不變。地面三次驗證實驗得出：4 分鐘固邦特（普通型）A、B 料混合后初凝時間為3 分20 秒，終凝后強度很高。與煤巖泥混合后初凝時間為8min 左右，終凝強度很高。

3 實驗結果對比差異

3.1 注漿材料與煤水反應性能對比分析

3.1.1 2GBT(PT)-S 與8GBT(PT)-S 性能對比差異

2GBT(PT)-S：與煤水攪拌后注漿材料和煤水分層；終凝時間約為7 分鐘，初凝時實驗杯下部強度適中，終凝后感觀判斷強度很高；反應過程中伴生放熱現象，溫度較高，實驗杯底鼓起，說明有氣體產生或者因放熱所致。

8GBT(PT)-S；與煤水攪拌后分層，注漿材料在下，水離析在上；有熱量伴生，溫度較高；反應平緩，初凝時間約為41 分鐘，終凝后感觀判斷強度較高。

3.1.2 MLS-S 與GRT-S 性能對比差異

MLS-S：A、B 料混合輕微攪拌即開始發泡；倒入實驗杯后基本沒有攪拌時間便迅速發泡，發泡時間約持續1～2 分鐘，并有大量熱量放出；反應結束后，實驗杯中水依然存在；發泡倍數小于GBT(FB)-S。

GRT-S：與煤水攪拌后分層，固瑞特在下，水離析在上；反應過程中少量發泡，溫度上升快；終凝時間約為24 分鐘，終凝后強度很高；實驗杯中上部煤水由液態逐漸變為膠體狀，但強度低。

3.2 注漿材料與煤巖泥反應性能對比分析

3.2.1 2GBT(PT)-M 與8GBT(PT)-M 性能對比差異

2GBT(PT)-M：終凝時間約為7 分鐘，初凝強度適中，反應中伴有熱量產生，終凝后感觀判斷強度較高。

8GBT(PT)-M：①與煤巖泥攪拌后反應遲緩，基本不散熱，在實驗時間（2 小時）內沒有初凝。②將實驗樣品帶至地面后，下午5 時基本初凝，但效果不佳，基本無強度。③第二天下午強度較高。④本樣品初凝時間長，終凝標志不明顯，強度緩慢增加。

表1 2GBT(PT)-M與8GBT(PT)-M實驗結果性能對比

3.2.2 MLS-M 與GRT-M 性能對比差異

MLS-M：①A、B 料混合輕微攪拌即開始發泡。②倒入實驗杯后基本沒有攪拌時間便迅速發泡，發泡時間約為1～2 分鐘，并有大量熱量放出。③終凝后發泡量總體小于固邦特（發泡型）的發泡量。

GRT-M：①攪拌后反應較快。②反應過程中感官判斷強度提升快，有熱量放出。③終凝時間約為18 分鐘，終凝后強度很高。

4 結論

⑴不同注漿材料在圍巖裂隙、空洞的填充效果和軟巖等加固效果有所差異。兩分鐘固邦特與煤水、煤巖泥反應過程中都會放出大量的熱量，所以在使用時應注意溫度升高對圍巖裂縫的影響。

⑵從8 分鐘固邦特（普通型）與煤水、煤巖泥反應的實驗、地面二次實驗、地面三次實驗中得出：8 分鐘固邦特（普通型）初凝時間在8 小時左右甚至更長，強度很低，沒有一個明確的分界線來判斷自身的固結性能程度。但是調整8 分鐘固邦特（普通型）初凝時間至4 分鐘，進一步實驗得出，4 分鐘固邦特（普通型）A、B 料混合后初凝時間為3 分20 秒，終凝后強度很高。與煤巖泥混合后初凝時間為8min 左右，終凝強度很高。4 分鐘固邦特（普通型）的各項性能滿足注漿材料的基本標準，可以作為井下備用注漿材料，具有較高的工程應用價值。