煤基固廢制備采空區地表裂縫封堵材料的配比試驗

李緒萍,王 潔,張金山,董紅娟

(內蒙古科技大學 礦業與煤炭學院,內蒙古 包頭 014017)

0 引言

地裂縫填充工藝是將煤基固廢和其他資源進行有機結合,運送到地裂縫區域進行填充。這種方法不僅能夠有效降低礦產資源的浪費,避免礦產廢料對礦井周邊生態環境的破壞,也能夠通過礦井回填的方式充填采空區,有效緩解了土壤地表下陷現象。充填工藝能有效填充采空區,填充階段完成后給變形圍巖的下降帶來有力的支撐點。該工藝既可大大避免施工的變形,又可釋放部分積累的內部應力,使重分布應力達到新的平衡狀態。采用注漿充填法處理采空區具有對工作面開采效率影響小、經濟效益高、工藝簡單、安全可靠等優點,有助于實現安全高效開采[1]。

1 工程背景及研究對象

內蒙古某礦在開采過程中由于頂板垮落出現了采空區地面塌陷,產生了大量地表裂縫,其中已發現的較大地裂縫78條,均由地下采煤引起。單縫最長2 000 m,最大寬度2 m,可見深度15 m,群縫最大影響面積0.75 km2。這些裂縫已經嚴重威脅到周圍居民的正常生活,地表裂縫的存在使得周圍農民、牧民生活區域受限、出行受阻,從而產生牧民與礦山單位的糾紛,因此對于該區域內的裂縫充填工作迫在眉睫。

國內外針對地表裂縫封堵材料的研究及封堵方案也較為豐富。許剛剛等[2]采用風積砂作為充填骨料,并利用室內試驗設備進行對高濃度膠結材料進行物理力學和流變特性測試,以優選出最符合結構強度和輸送條件的物料配比。龐建勇等[3]采用了正交試驗的新技術,通過檢測高摻量超細粉煤灰狀態下水泥粉煤灰的各種物理力學性能,最后得出水固比對漿材各項性能的影響最為顯著,固相比其次,水玻璃摻量最小。朱世彬等[4]以水泥和粉煤灰為膠結材料,以風積砂作骨材。張欣等[5]利用泡沫混凝土充填煤礦采空區,制備低水泥用量、含粗顆粒煤矸石的泡沫混凝土,研制出了高泡沫穩定性的發泡劑。王曉東[6]則利用濕陷的黃土生產膠結性填充物質,從而減少了填充成本。王青峰[7]采用黃河淤泥生產煤礦填充材料。

2 煤礦地表裂縫成因分析

2.1 地表裂縫成因研究

地表裂縫形成的根源所在是上覆地層的內部關鍵層的破斷,上覆巖地質構造較軟、松散層又較厚[8],內部應力在傳遞過程中遭到抑制,會減少臺階裂縫形成的機會;黃土層抗拉性較差,地表會產生密集分布、無臺階發展的裂縫現象[9]。采空區范圍內土壤地表裂縫的發展水平及其范圍、寬窄、深淺有關,幾何性質主要根據采空區范圍的深度、范圍、地形、巖性和開采條件等決定[10]。

在平原區和小起伏區,沉降盆地邊緣的地面裂縫以采空區為對稱中心均勻發育。由于地形的影響,地面裂縫往往不對稱。例如,在坡腳開采中,地面裂縫通常只在山坡上發育,而平原下部地面裂縫很少。在黃土地溝壑區和風沙灘區采面土壤的裂縫類型主要包括邊界裂縫和平行裂縫。其中,平行裂縫風沙灘區有較明顯的土壤充填彌合現象,而黃土溝壑區的彌合現象較不明顯[11]。

巖性對地面裂縫發育有影響,脆性巖石形成明顯的地面裂縫,如碳酸鹽巖、砂頁巖等在地表裂縫暴露區容易發現。在松散巖石覆蓋區域,裂縫易被充填,不易被識別,從而形成隱伏的地面裂縫。對于較大的塑性粘土,當表面拉伸變形超過6～10 mm/m時,一般會出現裂縫。對于小型塑性砂粘土、粘土砂或巖石,當表面拉伸變形達到2～3 mm/m時,就會出現裂縫。

2.2 研究區地表裂縫成因分析

礦點地處桌子山煤田東南部,地形一般呈南高北低,主要礦點為高原侵蝕性丘陵地形,多數地方為低平丘陵,主要由向北西—向南東的許多梁、凹構成。在新生界廣泛分布,基巖零散出現,屬沙漠—半沙漠地帶,植物資源荒涼。含煤層主要在石炭系地層上統太原組和二疊系下統山西組內。在苛素烏的背斜北側,主要是一向朝SWW方向歪斜的單斜構造。巖層內部的傾角率比較均勻,通常傾角率在5°～10°之間,但由于受到斷裂牽引力的作用,且僅在斷裂破碎帶附近左右,傾角率就相應上升了。并且還由于受到桌子山煤田等大地構造的作用,在勘探線內仍存在著二個斷裂,一組為近南北向,另一組則為近東北向,但通常前者被后者所截斷,因此前者規模較大,而后者面積較小。

該礦可采煤層頂板多為泥巖、碳質泥巖,局部出現中、細粒砂巖,多屬于半堅硬層狀砂質巖類,穩定性較差,煤層頂板抗壓強度較低。由于淺層煤層長期開采,形成了采空區,采空區內地層和結構的穩定性主要靠洞壁和支撐柱來維持。但因為自然應力對巖體內部空洞結構的穩定影響,造成局部殘余應力較為集中,采空區范圍變化很大。如果巷道圍巖抗拉強度不能抵消上覆巖體的壓力影響,采空區的頂板巖體中的拉應力將會超過巖石的抗拉強度極限,并形成向下彎曲的移動力,從而造成煤層的頂板損傷,采空區地面沉降,土壤地表產生裂紋。

3 充填材料配比試驗

3.1 充填材料選取

結合上述分析研究區的地形地貌特點以及地表裂縫的形成原因,地表裂縫所處位置均在丘陵和小山之中,治理過程中所采用的機械設備難以到達現場,利用周邊草地的沙土進行填埋,會破壞植被,若采用沙土充填的辦法治理具有取土困難、費用高的缺點。

因此可以使用煤基固廢制備注漿材料用于充填采空區裂縫,這樣不僅可以做到以廢治廢,變廢為寶,具有實際的經濟價值和長遠的環境、社會效益;還能夠很好的解決采空區地面裂縫的問題,為環境的保護及人民的生命財產安全提供重要保障。利用研究區周邊某電廠的粉煤灰和脫硫石膏以及42.5硅酸鹽水泥,根據影響充填體強度的主要因素、耐久性試驗觀察到的料漿情況,設計粉煤灰和脫硫石膏摻入量為10∶0、9∶1、8∶2這3組,水灰比分別為1、1.25、1.5這3組,水泥摻入量為5%,共計9組不同材料配比試驗。每組試驗進行7 d、28 d這2個齡期的強度測試,每個齡期澆注9個試塊,共計54個試塊。試驗采用邊長為70 mm×70 mm×70 mm的立方體塑料三聯試模模型,終凝后拆模,將試塊輕輕放入養護池進行保濕養護,整個過程嚴格按試驗操作規程進行試驗。

3.2 充填材料性能要求

充填料漿流動性主要考慮漿液能夠在地縫里面流動不堵的情況下,流動度越小越好。充填體具有良好的強度,28 d抗壓強度不小于2 MPa,且要具有一定的耐久性能,20個凍融循環抗壓強度損失不大于30%。充填料漿制備成本需較低,用粉煤灰作為主要原料降低了生產成本,減少了水泥的用量,且滿足強度要求。

3.3 充填料漿流動度測定試驗

采用水泥砂漿流動度測試儀對充填料漿流動度進行檢測,流動度在流量計中以充填料漿的平均直徑(CM)表示,試驗過程如圖1所示。平均直徑越大,代表水泥砂漿的流動度越高,穩定性也越好。充填料漿流動性試驗結果見表1。

圖1 充填料漿流動度測定Fig.1 Fluidity measurement of filling materials

表1 充填料漿流動性試驗結果

從表1可看出,隨著粉煤灰添加量的提高,漿液的流動性隨之提高。這是因為粉煤灰粒子成球狀,表面緊密細膩,有助于提高穩定性。流動性直接影響了注漿的難易和注漿效率。注漿的材料需要具有良好的流動性,但如果流動性太小,就會引起通道阻塞。另外,在一定孔的情況下,裂隙區和采空區空洞無法較好填充,降低了采空區面積填充作用。當流動性太大時,漿液產生了顆粒沉淀、分選、水溶等過程,很容易導致漿液損失過大[12-13]。

3.4 充填體強度配比試驗

對每組9個試驗塊進行單軸抗壓強度測試,取其平均值作為一組試驗結果,精確到0.01 MPa。在試驗中,當單個試驗塊抗壓過大或過小(±20%)時,應將其去除,并計算平均剩余塊數,試驗過程如圖2所示。

圖2 充填體單軸抗壓強度測定Fig.2 Uniaxial compressive strength measurement of filling materials

粉煤灰和脫硫石膏摻入量對充填體基本力學性質的影響、水灰比對充填體基本力學性質的影響變化規律如圖3所示。

圖3 不同配比充填體的28 d單軸抗壓強度Fig.3 28 d uniaxial compressive strength of filling materials with different ratios

由圖3可以發現,當粉煤灰和脫硫石膏配比為10∶0時充填體的單軸抗壓強度最大,增加粉煤灰的摻入量可以提高充填體的抗壓強度。因此為確保漿液固化后具有更佳的強度效果,可以確定在制備注漿漿液時,使粉煤灰在注漿材料中占據較大比例。隨著水灰比的增加,充填體的28 d單軸抗壓強度降低,因此可以適量的減小水灰比,選定水灰比為1。

3.5 充填體耐久性能配比試驗

對充填體進行耐久性能測試要先將自然養護28 d的試塊放入自來水中浸泡24 h后取出,擦干試塊表面的水分,再放入冷凍試驗機(溫度為-18 ℃)冷凍8 h,然后取出放在水中融化8 h,即完成了一次凍融循環。重復上述操作20次,即完成20個凍融循環后,再進行單軸抗壓強度測試,計算每個配方試塊的強度損失率,強度損失率小于30%為合格。

粉煤灰和脫硫石膏摻入量、水灰比對充填體耐久性能影響變化規律見表2。

表2 充填體耐久性能試驗結果

20個凍融循環后強度損失率越小說明充填體的耐久性能越好,試驗性能要求20個凍融循環抗壓強度損失不大于30%。由表2可以發現,隨著脫硫石膏摻入量的增加,強度損失率增加,因此為了提高充填體的耐久性能,應適量減小脫硫石膏的摻入量。同時考慮到現場施工配料的方便,確定充填材料的最佳配方為粉煤灰：水泥為10∶0.5。

4 結論

(1)粉煤灰摻入量的增加可以提高充填體的抗壓強度。因此為確保漿液固化后具有更佳的強度效果,可以在制備注漿漿液時,使粉煤灰在注漿材料中占據較大比例。

(2)水灰比對漿液流動性影響大,水灰比過大,漿液穩定性下降。

(3)脫硫石膏的加入會使充填體的耐久性能降低,因此應該盡可能的減少其摻入量。

(4)本次試驗利用固體廢棄物粉煤灰結合水泥制備復合充填材料,該材料不但實現了固體廢物循環利用,而且對后期充填材料在不同工業領域上的應用具有一定的理論指導意義,具有較高的環境與社會效益。

綜合分析,得出最佳配比,即粉煤灰∶水泥為10∶0.5,水灰比為1。養護方式采用自然養護即可。