矿井在极近煤层开采中, 结束上覆煤层回采后, 再去开采下部煤层, 一般都会导致下部煤层顶板严重破碎, 致使破碎顶板超前漏冒, 煤壁片帮, 采场围岩控制也十分困难, 这都大大制约了采掘工作面的推进度, 严重影响生产, 甚至被迫停产, 自然难以实现安全、高效的煤矿开采。非人为情况下也存在天然破碎顶板, 支护困难。故制备一种顶板破碎注浆加固材料, 加固顶板, 提高顶板的整体稳定性, 进而形成良好的承载结构, 防止漏顶、冒顶等事故的发生。破碎顶板注浆, 可使破碎顶板形成一个整体, 改善力学结构, 有效控制顶板, 以保证工矿企业的安全生产和经济效益。
浆液与介质能形成固结体胶结, 增大了裂隙岩体的整体凝聚强度, 固结体形成了基本的坚固的骨架结构, 增强了整个顶板的承载能力, 有效防止了采煤面的片帮、冒落等类似事故, 大大降低支护成本, 节约经济成本支出, 避免不必要浪费。
试验研究目的:制备出一种水泥基复合破碎顶板注浆加固材料。该材料具有以下特点: (1) 速凝, 终凝时间小于3小时; (2) 早强, 1d单轴抗压强度大于10MPa, 3天单轴抗压强度大于20MPa; (3) 流动性好, 按最佳水灰比加水搅拌, 20min内的净浆流动度大于28cm; (4) 它无毒无污染, 凝固后收缩变化极小。
该研究的关键是保证该类材料的抗压强度、抗剪切强度、凝固时间、流动性能等性能完全达标, 留出了足够的料灌浆操作时间, 同时能较快凝固, 初期就具有一定抗压强度, 以防达到应有效果, 而且材料制造成本较低。所以, 选择低价、普通硅酸盐水泥作为主料, 配一定量高铝水泥熟料, 再加入石灰、石膏等配料, 并添加多种外加剂, 配制出一种早强、抗折、速凝、流动性好的灌浆加固材料, 并在对其物理力学性能进行一系列实验室测定, 做出最终可运用、可实施的建设性结论。
(1) 水泥:PC32.5级普通硅酸盐水泥, 采用六盘水豪龙水泥厂生产。
(2) 高铝水泥熟料, 论文中所有使用的高铝水泥熟料均为“硫铝酸钙水泥熟料”, 郑州建文特材科技公司生产。
实验材料选用三组配比方法, 通过实验选取最佳配比, 这三组配比方法分别是:
(1) 配方一:PC32.5级普通硅酸盐水泥 (该组为对照组) 。
(2) 配方二:PC32.5级普通硅酸盐水泥与高铝水泥熟料以30:70的比例混合。
(3) 配方三:PC32.5级普通硅酸盐水泥、石膏、石灰与高铝水泥熟料以74:6:5:15的比例混合。
三组均选用0.5的水灰比, 同时均加入干粉净0.2%的减水剂, 浆液的制备采用IVJ-160型水泥净浆搅拌机搅拌, 搅拌时间为3-5min, 并进行如下实验检测。
(1) 单轴抗压强度的测定。将上述材料按照规定的水灰比, 搅拌均匀成可用浆液, 注入70.70 mm×70.70mm×70.70mm的试模中, 用刮片将超出试模的材料刮掉。将试块置于湿度为96%、温度为21°C的养护箱中养护24小时后, 脱模并继续养护, 使用微机压力实验机测其1天、3天、8天、29天、70天的单轴抗压强度。
(2) 抗折强度的测定。将上述材料按照规定的水灰比, 搅拌均匀成可用浆液, 注入50mm×50mm×50 mm的试模中, 用刮片把超出试模的材料刮去。将试块置于湿度为96%、温度为21°C的养护箱中养护24小时后, 脱模并继续养护, 使用微机控制压力机测其1天、3天、8天、29天、70天的抗折强度。
(3) 凝固时间的测定。使用维卡仪, 测定测试水泥浆液的凝结时间。具体试验要参照GB/T1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》。
(4) 流动度的测定。将上述材料按照规定的水灰比, 搅拌均匀成可用浆液, 将浆液注入置于水平玻璃板上高度60.00 mm、下口直径60.00mm、上口直径36.00mm的截锥圆模中, 用刮片将超出试模的材料刮去后, 将截锥圆模垂直提起, 浆液呈圆形扩散30s后, 测量其直径。
影响材料抗压强度的主要因素为高铝水泥熟料的掺量。对比如下图1所示, 高铝水泥熟料掺量越高, 抗压强度越高, 配方二的高铝水泥熟料掺量最高, 明显比其他两个配方的抗压强度高。
图1 高铝水泥熟料掺量对材料抗压强度的影响
水灰比与材料的抗压强度存在极大的关系, 假设水灰比越低, 那么材料的抗压强度就会越高, 尤其是加入了减水剂后, 水灰比越低, 材料的抗压强度增加更加明显, 配方二的高铝水泥熟料为30.12%, 减水剂掺量为0.21%, 在水灰比为0.51的材料配比情况下, 1天的单轴抗压强度可达到15.24MPa, 8天可达40.50 MPa。
影响材料抗剪切强度的主要因素为高铝水泥熟料的掺量。对比如下图2所示, 高铝水泥熟料掺量越高, 抗剪切强度越高, 配方二的高铝水泥熟料掺量最高, 明显比其他两个配方的抗剪切强度高。
图2 高铝水泥熟料掺量对材料抗剪切强度的影响
水灰比与材料的抗剪切强度也存在着极大的联系, 假设水灰比越低, 那么材料的抗剪切强度就会越高, 并且当加入减水剂后水灰比更低, 材料的抗剪切强度增加更加明显。
影响材料凝固时间 (终凝) 的主要因素是高铝水泥熟料的掺量, 具体表现为:假设高铝水泥熟料的掺量越大时, 那么凝固时间就会越短, 相同掺量的材料水灰比越小则凝固时间越短。如表1所示为三种配方配制的材料在水灰比为0.5时的凝固时间测试值。
表1 三种配方的凝固时间测值 (单位:min)
影响材料流动度的主要因素为高铝水泥熟料和水泥比例、减水剂参量和温度, 高铝水泥熟料的掺量越小流动性能越好, 配方二与配方三不同的高铝水泥熟料掺量的材料在水灰比为0.5时测量的直径分别为30.00cm、33.50cm与28.00cm。
温度越高则流动度越差, 一般情况下自制材料浆液呈圆形扩散30s后直径在28cm左右, 温度在20摄氏度时为24cm, 温度为10摄氏度时可增加至35cm。在井下注浆后, 材料能快速在破碎顶板周围扩散填充封堵裂隙。
减水剂掺量对材料的流动度也有较明显的影响, 减水剂参量越低则材料的流动度越差, 加入了减水剂之后流动性能更好。
注浆加固实验多是在小型注浆模具中进行, 仅用水泥浆液制备的复合材料在测试下能得到早强、抗折、速凝、流动性好的灌浆加固材料, 但测试后的强度只能作为水泥浆液的性能特征, 实际上要比注浆加固后的破碎岩体真实的强度要高很多, 作为岩体注浆加固性能指标直接运用还需要进行性能测试。
测试方法:使用矿井顶板的灰岩试块, 打磨灰岩, 将灰岩打磨成50mm×50mm×50 mm的立体试块, 通过岩石试块修复前后的数据对比, 以此得出实验配方对破碎顶板的修复能力。
表2 修复前岩石试块的力学性能测值 (单位:MPa)
利用配方二对破坏后的岩石试块进行修复, 修复后的岩石试块的抗压强度和抗剪切强度如下表3所示:
表3 修复后岩石试块的力学性能测值 (单位:MPa)
利用配方二修复的岩石试块与修复前岩石试块的抗压强度对比图3如下所示:
图3 修复前后岩石的抗压强度对比图
由上图可知, 利用配方二修复后的岩石试块具有较强的抗压能力。
利用配方二修复的岩石试块与修复前岩石试块的抗剪切强度对比图4如下所示:
图4 修复前后岩石试块抗剪切强度对比图
由上图可知, 配方二修复破碎岩石后, 抗剪切强度很高, 甚至修复后的抗剪切强度能达到修复之前的抗剪切强度。
由此可以得出, 配方二可以修复破碎顶板, 抗压强度与抗剪切强度较修复前相差不大, 能运用于井下工作环境。
本文针对复杂地质条件下煤层开采过程中常见的顶板破碎灾害问题, 采用理论分析, 室内试验等技术手段, 研究了破碎顶板注浆加固材料的配置及性能测试。重点探讨了该材料的抗压强度、抗剪切强度、凝固时间和流动度等特性。
(1) 使用配方二所制备的复合材料具有较强的抗压能力, 抗剪切强度虽略小于配方一, 但其流动性强, 凝固时间短适宜推广于煤矿井下施工现场, 且无毒无公害;
(2) 配方一为普通硅酸盐水泥材料, 抗剪切强度较好, 根据实际生产情况需求可适量在配方二的基础上增加普通硅酸盐的比例;
(3) 通过模拟实验可得, 配方二可作为破碎顶板注浆加固材料投入井下使用。材料按照0.5的水灰比加减水剂搅拌, 迅速凝胶, 材料固化后产生的多种水化物间发生反应, 生成钙矾石, 这是材料早期拥有较高强度的主要原因。
