礦層底板含水層改造中注漿材料優選及配比試驗研究

孫江浩

（華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050000）

近些年來，隨著煤炭原料用量的不斷增加，煤礦開采的深度也逐漸加深[1]，煤炭開采受地質條件的影響較大，地下煤巖體的力學特性尤為復雜，安全事故頻發，給礦井生產帶來了巨大的損失，嚴重影響煤礦開采的安全[2]。隨著開采深度的增加，礦層底板含水層變形破壞嚴重，表現出非常大的軟巖特征，安全控制較難[3]。

基于此，本文進行底板含水層改造中注漿材料優選及配比試驗研究，從材料的選擇入手，考慮應用性能、成本投入等問題，選擇尾砂和聚氨酯作為主要混合材料，通過正交試驗的方式最終提出了一種能夠滿足煤礦的安全需要，同時降低注漿材料成本是注漿方案，以便更好的應用于實際工程中。

1 注漿材料分析

1.1 尾砂性質分析

本次試驗所用的尾砂樣品均來自山西某礦山，采用李氏瓶法及定容法對尾砂試樣進行測試，結果如表1所示，利用光譜分析法對其化學組成進行分析，結果如圖1所示。

表1 尾砂試樣基本物理參數測定結果

圖1 尾砂化學元素光譜分析結果

測試數據表明：該礦產的尾砂中含有的可回收的金屬較少；同時有害物質的含量極少，此外，具有較高含量的Ca、Mg、Al元素都對注漿體的膠結性能具有正向作用，S含量僅為0.479%，其負面影響可以忽略，因此將其作為注漿骨料。

1.2 聚氨酯材料分析

聚氨酯材料作為一種新型高分子加固材料，它有著固結體強度大，抗滲性能好，黏結力強的特點，遇水產生氣體促進漿液發泡膨脹，能夠起到很好的填充和黏結作用[4]。作為注漿材料，聚氨酯的優點主要有以下幾點[5]：

（1）黏結加固時間快，與煤巖體有很好的黏結力，可實現在較短的時間內固化，產生加固作用。

（2）固結體塑性好，地層運動產生的動壓力以及開采擾動壓力可以使它發生塑性變形而不被破壞。

（3）流動性好，在高壓注漿時，聚氨酯材料能夠更好的滲入小縫隙中，達到更好的加固作用。

其基本物理特性如表2所示。

表2 聚氨酯基本物理特性

2 注漿材料配比試驗

為測試不同注漿材料配比對其指標性能的影響，采用正交試驗的方式對其進行測試。其中試驗儀器包括TWA-200型號液壓萬能試驗機，秒表，溫度計。

2.1 水泥配比

本試驗是以水灰比、泥聚比（水泥漿和聚氨酯體積比）為試驗的主要因素，設計正交試驗。根據正交試驗結果確定注漿材料達到最佳效果的各因素的水平，以材料抗壓強度、凝膠時間、最高固化溫度來考察。為了能夠更加清晰的了解各種材料對水泥聚氨酯復合注漿材料的影響，詳細試驗方案及試驗結果如表3所示。

表3 正交試驗測試結果

通過分析表3指標數據結果，最終確定最佳工藝參數為水灰比為0.6：1，泥聚比為2：3，抗壓強度為50.342MPa，凝膠時間為338s，最高固化溫度為81℃。

2.2 注漿材料配比

在上述最佳水泥工藝參數條件下，采用正交試驗方法分別為尾砂添加量、灰砂比2因素進行試驗分析，以注漿材料沉降度、泌水率、沉縮率和抗壓強度作為評價指標開展正交試驗。設計的正交試驗方案及結果如表4所示。

表4 各實驗指標測試結果

通過分析表中數據可知，試驗2因素對注漿體不同指標的影響結果為：

（1）28d抗壓強度：灰砂比＞尾砂添加量。注漿體強度與灰砂比成正比的關系，但與尾砂添加量呈現出先正比后反比的趨勢。

（2）沉降度：灰砂比＞尾砂添加量，注漿材料沉降度與灰砂比整體呈現正比關系，與尾砂添加量關系較小。

（3）泌水率：灰砂比＞尾砂添加量。注漿材料泌水率與灰砂比和尾砂添加量整體上均呈現反比關系，但變化極小。

（4）沉縮率：灰砂比＞尾砂添加量，整體變化趨勢與灰砂比和尾砂添加量均呈現反比關系。

因此綜合上述分析結果，選擇最優水平組合為尾砂添加量18%，灰砂比1：10。

3 結語

為提高礦層底板含水層的安全性，并降低成本投入，本文對礦層底板含水層改造中注漿材料優選及配比進行試驗研究。

以聚氨酯、礦山尾砂為材料變量，水灰比和灰砂比為數據變量，對注漿材料指標變化情況進行對比分析，最終得出最佳配比組合水平，以期降低由于煤礦底板含水層引起的安全隱患，提高煤礦安全生產的可靠性。