采空區防堵防漏風輕質水泥泡沫注漿材料的性能研究

武海平

(晉中市煤炭規劃設計研究院,山西 晉中 030600)

跨落式開采法在井下形成了大量的采空區,而采空區中的破碎矸石在一段時間之后會在裂隙之間積聚大量瓦斯與積水。若只對采空區進行簡單打密閉封堵,會使得內部瓦斯濃度嚴重超高,產生采空區自燃的威脅,并且如果采空區封堵不完善,則有可能造成廢氣與廢水的泄漏。因此對采空區破碎體進行有效封堵是確保礦井安全生產的一項重要指標,選取經濟、有效的泡沫注漿材料是實現礦井安全生產的必要條件[1]。

1 試驗材料與特性

本次試驗選取材料有水泥、發泡劑與穩泡劑。

水泥采用PC42.5硅酸鹽水泥,由于水泥固結之后具有較高的強度,且能夠與采空區散碎體形成穩固的褡褳結構,可以起到良好地加固作用[2]。并且水泥在漿液灌注過程中凝結時間較長,具有較強的緩凝作用,采用水泥配置漿液可以保證有足夠的灌注時間。

發泡劑從十二烷基硫酸鈉、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉與GS-1復合型發泡劑三種不同的發泡劑中選取。此類型發泡劑與水混合之后,能夠發生劇烈的化學反應,形成大量氣泡,氣泡在上升過程中會受到巨大的液膜強度,從而在氣-液表面形成致密的單分子層,當液膜達到平衡狀態時,泡沫達到穩定狀態,即完成了泡沫的形成過程[3-5]。

穩泡劑由從聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素鈉、黃原膠三種不同的穩泡劑中選取。為了確保泡沫能夠長期穩定地存在,可以通過注入以上有機添加物改善氣泡表征特性。特性改善之后的氣泡能夠提高液膜粘彈性,最大限度地減小氣泡的透氣性;同時可以提高液相粘度,盡可能地降低泡沫的排液速率[6-7]。

2 試驗過程與數據分析

試驗過程共進行兩輪正交試驗,第一輪試驗在確定水固比為1:1的前提下,對不同發泡劑與穩泡劑性能進行分析,實現采空區有效注漿封堵;第二輪試驗在注漿經濟的前提下,盡可能地減少材料用量,實現采空區經濟注漿封堵。其中發泡劑種類分別為十二烷基硫酸鈉、GS-1復合型發泡劑、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉分別標號為A、B、C,濃度水平分別為3 g/L、4 g/L、5 g/L;穩泡劑種類分別為聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素鈉、黃原膠標號為D、E、F,濃度水平分別為1.5 g/L、2.0 g/L、2.5 g/L。

在試驗之前需要對漿液加氣量進行簡單確定。選取水灰比為1:1,十二烷基硫酸鈉濃度3 g/L,聚丙烯酰胺2 g/L標準配置,試驗過程為先將15 g發泡劑與500 mL清水進行混合,將10 g穩泡劑與4.5 L清水進行混合,待二者完全混合之后,開始攪拌穩泡劑溶液,并緩慢加入5 g水泥并攪拌均勻,此時向攪拌好的溶液中通入氣體并緩慢添加穩泡劑溶液,觀察實驗數據變化情況如表1所示。

表1 漿液加氣量實驗數據Table 1 Experimental data of air filling capacity in slurry

通過表1可知選取加氣量10 L/min最佳,增大至25 L/min時,漿液比重只增大了0.03,密度也只增大了0.02 g/cm3,效果并不是很明顯,但是結石率卻減小了6.3%。因此,無論從效果還是經濟方面選取10 L/min效果最佳。

表2 第一輪正交試驗因素水平表Table 2 The first round orthogonal factor level table

由表2和表3可知,試驗中的粘度值都處于10 cP～42 cP之間,滿足礦井輕質水泥注漿的需求;同類型發泡劑條件下,析水率越小,結實率則呈現出增大的趨勢;結石體密度隨著水泥漿比重的增長呈現出增長的趨勢。在影響注漿效果的各因素的分析過程中,結石率與結石體密度的影響程度最大,因此需要對這兩個因素進行極差分析,具體分析如表4所示。

表4 極差分析表(ρ代表結石體密度,β代表結石率)Table 4 Range analysis table (ρ: density of grouting-reinforced stone, β: rate of grouting-reinforced stone)

由表6數據分析可知:影響結石體密度ρ的順序為Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ,且最優配比為Ⅰ2Ⅱ1Ⅲ2Ⅳ2;影響結石率β的順序為Ⅰ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅳ,且最優配比為Ⅰ2Ⅱ1Ⅲ3Ⅳ2。通過對比兩種情形下的最優配比,在考慮穩泡劑E與F價格的前提下,選?、?Ⅱ1Ⅲ2Ⅳ2作為最優配比,即發泡劑B濃度3 g/L,穩泡劑E濃度2 g/L。

為了能夠在第一輪試驗結果基礎上,節約注漿成本,設計第二輪正交試驗(表5),盡可能地增大水灰比,并減小發泡劑與穩泡劑的用量,試驗二水灰比(Ⅴ)為1:1,1.5:1。發泡劑濃度(Ⅱ)為3 g/L 、2.5 g/L,穩泡劑濃度(Ⅳ)為2 g/L 、1.5 g/L。

表5 第二輪正交試驗因素水平表Table 5 The second round orthogonal factor level table

表6 第二輪正交試驗數據表Table 6 The second round orthogonal test data table

對上表結石體密度與結實率兩個特性指標進行極差分析,得到表7。由表7數據分析可知:影響結石體密度ρ的順序為Ⅴ>Ⅱ>Ⅳ,且最優配比為Ⅱ1Ⅳ2Ⅴ2;影響結石率β的順序為Ⅴ>Ⅳ>Ⅱ,且最優配比為Ⅱ2Ⅳ2Ⅴ1。通過對比兩種情形下的最優配比,可知在兩種指標中,結石率更為重要,因此應當優先選取水灰比1:1,而KⅡ1=0.47,KⅡ2=0.51,二者相差不大,考慮注漿經濟性因素,應當選?、?Ⅳ2Ⅴ1作為最優配比,即發泡劑2.5 g/L,穩泡劑1.5 g/L,水灰比1:1。

將優化之后的試驗配比進行重新測試之后,數據詳情如表8所示。

3 結論

通過兩次正交分析可以得到最佳的輕質發泡水泥配比為:選取濃度為2.5 g/L的GS-1復合型發泡劑作為發泡劑,選取濃度為1.5 g/L的梭甲基纖維素納作為穩泡劑、水灰比取1:1,加氣量10 L/min。此配比能夠滿足礦井采空區經濟注漿,更能夠實現采空區防漏風、漏水的有效封堵。

表7 第二輪極差分析表Table 7 The second round range analysis table

表8 最優配比數據測試表Table 8 Testing data of optimal ratio

參考文獻：

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