王慧濤，王曉晨，翟明華，李術(shù)才，劉人太，李召峰，白繼文，張連震，安 潔

(1.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061; 2.山東能源集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014; 3.山東省標(biāo)準(zhǔn)化研究院，山東 濟(jì)南 250014)

矸石基含水層注漿改造新型材料實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用

王慧濤1，王曉晨1，翟明華2，李術(shù)才1，劉人太1，李召峰1，白繼文1，張連震1，安 潔3

(1.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061; 2.山東能源集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014; 3.山東省標(biāo)準(zhǔn)化研究院，山東 濟(jì)南 250014)

高承壓灰?guī)r含水層上煤炭開采，經(jīng)常需要對強(qiáng)含水層進(jìn)行注漿改造，因含水層發(fā)育規(guī)模巨大，注漿材料用量動(dòng)輒數(shù)萬噸。在充分利用地下工程址區(qū)廠礦企業(yè)固體廢棄物煤矸石基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種適用于含水層改造的新型無機(jī)注漿材料。通過組分篩選試驗(yàn)、力學(xué)性質(zhì)測定試驗(yàn)、獲取了材料的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)等宏觀力學(xué)性能;采用SEM微觀分析手段，分析了注漿結(jié)石體的微觀結(jié)構(gòu)性能。綜合力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)因素、環(huán)境效益，對比了新型材料與常規(guī)注漿材料的適用性。結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證了新型注漿材料的效果。研究結(jié)果表明:在水泥含量為35%時(shí)，新型注漿材料的早期強(qiáng)度與后期強(qiáng)度均高于水泥含量為40%時(shí)水泥-黏土漿液的同期強(qiáng)度。材料的最佳配合比為水泥30%，黏土10%，煤矸石60%。該材料體系結(jié)石體28 d抗壓強(qiáng)度3.4 MPa，28 d抗折強(qiáng)度1.7 MPa，滲透系數(shù)1.794×10-7m/s，能夠滿足含水層改造需求，對類似工程具有借鑒作用。

注漿材料研發(fā);力學(xué)性能;微觀分析;含水層改造

隨著我國煤炭產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，煤炭資源的開采深度不斷增加，高承壓水害已成為制約煤炭安全開采的重要問題[1-2]。對高承壓水害的治理，常采用注漿法對含水層進(jìn)行加固與充填改造以確保安全開采。然而，在含水層注漿治理的過程中對注漿材料的需求量十分巨大，大量注漿材料的使用給煤礦開采帶來了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。與此同時(shí)，地下工程建設(shè)址區(qū)各類工礦企業(yè)生產(chǎn)中伴隨著大量的固體廢棄物產(chǎn)出，例如熱電廠產(chǎn)出的粉煤灰、煉鋼企業(yè)產(chǎn)出的鋼渣、煤礦產(chǎn)出的煤矸石、金屬礦產(chǎn)出的選礦尾砂。這些固體廢棄物的產(chǎn)生對環(huán)境造成了極大的污染[3-5]。因此，利用工礦企業(yè)固體廢棄物來研發(fā)適用于大型含水層改造的新型注漿材料，對降低注漿材料成本、提高固體廢物利用率、保護(hù)環(huán)境具有重大意義。

目前，注漿工程中常使用注漿材料有以下幾種:普通水泥[6]、水泥-水玻璃注漿材料[7-9]、聚氨酯類注漿材料[10-11]以及高聚物改性水泥基注漿材料[13-14]，幾種常用注漿材料性能對比見表1。

表1注漿材料性能對比
Table1Performancecomparisonofgroutmaterial

注漿材料類型力學(xué)性能耐久性環(huán)保性成本水泥漿液強(qiáng)度增長較慢、后期強(qiáng)度高好無污染較低水泥-水玻璃漿液凝膠時(shí)間短、前期強(qiáng)度較高較差無污染一般聚氨酯類凝膠時(shí)間可控、強(qiáng)度較高好有一定污染較高高聚物改性水泥基注漿材料動(dòng)水抗沖刷、漿液留存率高、強(qiáng)度較低較差無污染高

以上注漿材料性能各有優(yōu)勢，應(yīng)用于大規(guī)模注漿工程，成本普遍較高。同時(shí)，現(xiàn)有注漿材料性能在大型含水層改造工程中存在一定的浪費(fèi)，如普通水泥28 d強(qiáng)度為42.5 MPa，但作為大型含水層改造應(yīng)用只需要能夠抵抗靜水壓力(埋深千米的地下工程水壓一般<10 MPa)。

在含水層改造注漿材料研究方面，國內(nèi)外學(xué)者也開展了大量研究[12,15-16]，研究主要集中在粉煤灰、黏土、超細(xì)水泥或普通水泥等常規(guī)材料上，關(guān)注不同材料組分配比的抗壓強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間，忽略了對注漿材料漿液結(jié)石體抗?jié)B性能的測試，并且在注漿材料的成本與固體廢棄物利用方面也鮮有考慮。在利用工礦企業(yè)固體廢棄物制備材料方面，大多數(shù)的研究[10-11,17-19]可歸結(jié)為以下3點(diǎn):① 利用粉煤灰、鋼渣等廢棄物制備普通硅酸鹽水泥及雙液注漿材料;② 利用普通水泥、煤矸石、尾砂等制備采空區(qū)充填材料;③ 采用普通水泥和黏土作為注漿材料。但尚未采用固體廢棄物直接制備注漿材料。

針對上述問題，本文依托白莊煤礦奧灰底板含水層治理工程，綜合注漿材料的成本、固體廢棄物的利用率、工程的安全性3方面，就地取材，以采煤洗煤過程中產(chǎn)生的固體廢棄物過火煤矸石為原料，經(jīng)粉磨處理后添加普通硅酸鹽水泥和黏土，研制出一種新型含水層注漿材料。通過組分篩選試驗(yàn)、力學(xué)性質(zhì)測定試驗(yàn)、微觀分析試驗(yàn)研究了材料的物理力學(xué)性質(zhì)。從性能與造價(jià)方面，分析了本材料相對于其他幾種常規(guī)注漿材料優(yōu)勢。結(jié)合白莊煤礦奧灰含水層治理工程，對新型注漿材料進(jìn)行了現(xiàn)場驗(yàn)證，治理效果良好。

1 試驗(yàn)原料與試驗(yàn)方法

1.1 研發(fā)目標(biāo)

對水泥-黏土-煤矸石注漿材料體系進(jìn)行研究設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)鍵在于煤矸石用量和材料性能之中選取平衡點(diǎn)，重點(diǎn)考慮含水層改造對注漿材料性能的要求，即材料的最終抗壓強(qiáng)度大于目標(biāo)改造區(qū)的靜水壓力、材料的抗?jié)B性可避免由煤炭開采過程中由開挖引起的大規(guī)模滲漏水。在滿足新型注漿材料物理力學(xué)性能的基礎(chǔ)之上提高注漿材料體系中的煤矸石含量。

1.2 試驗(yàn)原料

(1)過火煤矸石

所用過火煤矸石為在白莊煤礦矸石山外層隨機(jī)取樣。矸石測試密度1.78 g/cm3，呈土紅色，其化學(xué)組成見表2。

由表2可知，煤矸石的化學(xué)組成具有以下特點(diǎn):

① 硅含量高，SiO2的含量在50%左右，CaO含量較低，說明以石英質(zhì)組分為主，活性較低;② 鋁含量高，Al2O3含量高達(dá)16%以上，說明煤矸石組分較為穩(wěn)定，活性礦物較少;③ 堿度低，煤矸石(CaO+MgO+K2O+Na2O)/(SiO2+ P2O5)比值較低，屬于低堿度礦物。

(2)其他材料

水泥為山水水泥廠生產(chǎn)的PO425水泥，其化學(xué)成分見表3，其礦物組成見表4，水泥(水泥粉磨時(shí)已摻入了5%的天然石膏，其勃氏比表面積為360 m2/kg)。

表2煤矸石化學(xué)組成
Table2Chemicalcompositionofcoalgangue%

SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOTiO2P2O5K2O+Na2OV2O552～6516～362.28～14.630.42～2.320.44～2.410.90～4.000.007～0.2401.45～3.900.008～0.030

表3水泥的化學(xué)組成
Table3Chemicalcompositionofcement%

燒失量SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgO0.5619.454.425.8461.724.38

表4水泥的礦物組成
Table4Mineralcompositionofcement%

礦物f-CaOSO3KHSMC3SC2SC3AC4AF連云熟料1.481.500.880.9353.5315.358.0113.44

試驗(yàn)所用黏土為白莊煤礦提供，密度約為1.70 g/cm3，外觀呈暗紅色，其化學(xué)成分見表5。黏土中大部分為氧化物，以硅氧化物和鋁氧化物為主，其中還含有少量鎂氧化物。

表5黏土的化學(xué)成分
Table5Chemicalcompositionofclay%

CaOSiO2Al2O3Fe3O4MgONa2OK2OSO3P2O5Loss1.0670.4014.76—2.29————4.47

1.3 試樣材料制備

本試驗(yàn)將采集的大塊過火煤矸石原料使用顎式破碎機(jī)進(jìn)行破碎，獲得粒徑較小的煤矸石樣品。采用實(shí)驗(yàn)用球磨機(jī)分別將粒徑較小的煤矸石與黏土粉磨30 min后，取出樣品過200目方孔篩，去除較大顆粒及雜質(zhì)，得到煤矸石粉末與黏土原料,煤矸石粒徑分布如圖1所示。

圖1 粉末30 min后煤矸石粒徑分布Fig.1 Coal powder particle size distribution after 30 min

1.4 試驗(yàn)方法

將普通水泥、煤矸石粉末及黏土按一定比例摻合，使用粉末混合器將其充分混合均勻，制得新型注漿材料，進(jìn)行物理力學(xué)性能、抗?jié)B性及微觀特性測試。

(1)物理力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度測試:首先稱量出定量的水泥與水，將水加入攪拌鍋后再加入水泥，開動(dòng)攪拌鍋低速攪拌60 s后，再將機(jī)器轉(zhuǎn)至高速再拌30 s。漿液制備完，立即用勺子攪拌幾下后，從鍋中將漿液裝入40 mm×40 mm×160 mm的試模內(nèi)，刮去超過試模部分的漿液。將試模水平放在養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)24 h后進(jìn)行脫模，脫模前，用黑色油性中性筆對試件編號，并標(biāo)注強(qiáng)度檢驗(yàn)的時(shí)間，將作標(biāo)記的試件按要求水平放在20±1 ℃恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，水平放置時(shí)刮平面朝上，養(yǎng)護(hù)完成后重新測量試件尺寸，強(qiáng)度測試與計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T 17676—1999進(jìn)行。測試儀器采用無錫中科儀器有限公司生產(chǎn)的YEW-300B壓力試驗(yàn)機(jī)。

(2)抗?jié)B性測試

采用泰安路達(dá)設(shè)備儀器廠生產(chǎn)的HS-40水泥砂漿抗?jié)B儀進(jìn)行注漿固結(jié)體的抗?jié)B性測試。試樣尺寸為上口內(nèi)部直徑70 mm，下口內(nèi)部直徑80 mm，高度30 mm。試驗(yàn)時(shí)記錄滲透水壓力、流量及相應(yīng)時(shí)間。測試標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T 50082—1999進(jìn)行。

(3)材料結(jié)石體微觀測試分析

采用日立公司生產(chǎn)的S-2500型掃描電鏡中觀察試樣斷面形貌，分析各組成物相的微觀形貌特征、晶粒形狀、各物相間結(jié)合狀態(tài)、微細(xì)裂紋、水化程度等狀況。

1.5 材料組分配比設(shè)計(jì)

為使煤矸石利用率達(dá)最大化，減少水泥、黏土等材料的用量，獲得滿足材料經(jīng)濟(jì)型與工程適用性的材料組分最優(yōu)配比。研究煤矸石含量與新型材料體系宏觀力學(xué)性能的關(guān)系時(shí)，煤矸石在新型材料中的摻量比例不低于50%。針對試驗(yàn)設(shè)計(jì)中所選取的影響因素，共設(shè)計(jì)19組材料配比，其中前16組用于獲得水泥與煤矸石含量對材料體系強(qiáng)度的影響關(guān)系，后3組作為對照，比較新型材料注漿材料與傳統(tǒng)水泥-黏土注漿材料的強(qiáng)度差別。不同材料試樣制備漿液水灰比為1∶1。試驗(yàn)材料組分配比見表6。

表6試驗(yàn)材料組分配比
Table6Groupallocationratiooftestmaterial

實(shí)驗(yàn)編號實(shí)驗(yàn)配比/%水泥黏土矸石125075225570325106542515605300706305657301060830155593506510355601135105512351550134006014405551540105016401545173070018406001950500

2 注漿材料物理力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1 不同水泥摻量時(shí)漿液結(jié)石體強(qiáng)度

材料注入含水層凝膠固化后，隨著地下工程施工的進(jìn)行，需要能夠抵抗靜水壓力，這是材料首要滿足的指標(biāo)，在滿足工程安全性的基礎(chǔ)上，盡可能增加煤矸石的用量，減少水泥用量。不同水泥用量、不同煤矸石含量下的抗壓、抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2,3所示。

圖2 新型注漿材料試樣抗壓強(qiáng)度曲線Fig.2 Compressive strength curves of new grouting material

圖3 新型注漿材料試樣抗折強(qiáng)度曲線Fig.3 Flexural strength curves of new grouting material

由圖2可知，新型材料體系漿液結(jié)石體不同齡期的抗壓強(qiáng)度，隨煤矸石含量的增加呈現(xiàn)降低趨勢，但不同配比試樣降低趨勢較為平緩。當(dāng)水泥含量為25%時(shí)，不同煤矸石含量的結(jié)石體試件早期抗壓強(qiáng)度差異不大，隨著材料體系中水泥含量的增加，不同齡期漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度均顯著增大。當(dāng)水泥含量在30%與35%時(shí)，漿液結(jié)石體早期與后期抗壓強(qiáng)度十分接近，后期抗壓強(qiáng)度維持在3.4 MPa左右。煤矸石含量在45%時(shí)，后期抗壓強(qiáng)度達(dá)最大值為4.67 MPa。

由圖3可以看出，在相同水泥含量下，漿液結(jié)石體3和28 d的抗折強(qiáng)度均隨著材料體系中煤矸石含量的增加呈明顯降低趨勢。當(dāng)煤矸石含量為75%時(shí)，漿液結(jié)石體強(qiáng)度達(dá)最小值。隨著水泥含量的增加，漿液結(jié)石體抗折強(qiáng)度顯著增大。當(dāng)水泥含量超過35%時(shí)，不同齡期抗折強(qiáng)度增大幅度尤為明顯，煤矸石含量為45%時(shí)，漿液結(jié)石體28 d抗折強(qiáng)度可達(dá)2.2 MPa。水泥含量在低于35%時(shí)，煤矸石含量對各配比試樣后期抗折強(qiáng)度影響規(guī)律相似。當(dāng)煤矸石含量超過60%時(shí)，煤矸石含量對漿液結(jié)石體強(qiáng)度弱化幅度雖有所下降，但此時(shí)結(jié)石體強(qiáng)度均小于60%時(shí)的強(qiáng)度。

由表7可以發(fā)現(xiàn)，隨著水泥含量的增多，注漿材料結(jié)石體各齡期強(qiáng)度均不斷增強(qiáng)。與水泥含量相同的水泥-黏土-煤矸石試樣相比，其早期強(qiáng)度相差不大，但中后期強(qiáng)度存在較為明顯的差異，由此可知，在材料體系中摻入煤矸石，可以充分發(fā)揮煤矸石含有的潛在活性組分，有效提高材料的后期強(qiáng)度，保證注漿治理效果。

表7水泥-黏土漿液漿液結(jié)石體物理力學(xué)性能
Table7Physicalandmechanicalpropertiesofcementclaygrout

試驗(yàn)編號材料配比/%水泥黏土抗折強(qiáng)度/MPa3d7d28d抗壓強(qiáng)度/MPa3d7d28d1730700.460.570.860.681.162.071840600.530.741.191.071.543.041950500.861.251.681.822.513.46

綜上分析，水泥含量與煤矸石含量在材料組分中的關(guān)系決定著新型注漿材料的強(qiáng)度。過火煤矸石含有SiO2和Al2O3，能與水泥水化后產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)生成凝膠體，水泥含量的增加或煤矸石含量的減少，使凝膠固結(jié)體的生成量相應(yīng)增加，提高了材料黏聚力和強(qiáng)度。材料體系中水泥含量為25%或煤矸石含量高于60%時(shí)，材料體系強(qiáng)度明顯較低，無法滿足工程中抵抗靜水壓力的要求。水泥含量為40%的材料結(jié)石體強(qiáng)度雖高但經(jīng)濟(jì)性相對于低摻量試件不明顯，并且低水泥摻量試件如35%，30%的試件強(qiáng)度雖低于40%摻量的試件，但同樣可以滿足工程需求?？紤]材料經(jīng)濟(jì)性，新型注漿材料中水泥初步優(yōu)選含量為30%左右，煤矸石最優(yōu)含量為60%左右。

2.2 注漿材料水化試樣的SEM分析

圖4,5為煤矸石含量為60%時(shí)，不同水泥含量的SEM測試結(jié)果，由圖4可知，在水化反應(yīng)3 d時(shí)，25%水泥試樣早期針狀的明顯較少，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為松散。25%和30%水泥試樣水化反應(yīng)初期，強(qiáng)度礦物數(shù)量逐漸增加，凝結(jié)礦物開始包裹針狀的Aft礦物，說明水化反應(yīng)并未反應(yīng)完全，宏觀強(qiáng)度仍將處于上升階段。伴隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，由28 d的SEM照片可知，強(qiáng)度礦物數(shù)量與膠凝性礦物將針狀的AFt包裹數(shù)量明顯提高，結(jié)構(gòu)的致密性增強(qiáng)，孔隙率較低，水化反應(yīng)充分。相較于30%水泥試樣，25%水泥試樣結(jié)構(gòu)特性明顯劣于30%水泥試樣，因此，其宏觀性能較差，與強(qiáng)度測試結(jié)果吻合。所以，當(dāng)煤矸石含量一定的情況下，應(yīng)當(dāng)盡量提高水泥含量保證材料結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)的致密性，從而提高材料強(qiáng)度特性。

圖4 漿液結(jié)石體3 d SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of slurry stone body in 3 d

圖5 漿液結(jié)石體28 d SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of slurry stone body in 28 d

2.3 漿液結(jié)石體抗?jié)B性測試

在材料注入含水層后，隨著地下工程開挖會逐步形成臨空面，需要材料具有一定的抗?jié)B性，在避免地下工程滲漏水量過大的同時(shí)也保障了工程安全。為了進(jìn)一步優(yōu)選材料體系中水泥與煤矸石的含量，選取了強(qiáng)度分析中典型配比試樣，分別測試其水化28 d試樣的抗?jié)B特性，結(jié)果見表8。

表8試樣水化28d后抗?jié)B性測試結(jié)果
Table8Impermeabilitytestresultsof28daysafterhydration

試樣編號試樣厚度/mm透水壓力/MPa透水時(shí)間/s透水量/mL滲透系數(shù)/(10-7m·s-1)4220.028306362.4037230.031301281.79411220.033303291.65913210.034305291.52717210.029305342.09918210.032303311.746

分析表8可知，在水泥-黏土-煤矸石體系中，隨著水泥含量的增加，試樣承受的水壓越高，同時(shí)漿液結(jié)石體的滲透系數(shù)不斷減小，這也與前述材料的水化特性相符。當(dāng)水泥含量低于30%時(shí)，漿液結(jié)石體抗?jié)B性隨著水泥含量降低衰減顯著，當(dāng)水泥含量高于30%時(shí)，水泥含量升高對抗?jié)B性提高作用不大。與水泥-黏土-煤矸石體系相比較，水泥-黏土漿液凝結(jié)硬化后抗?jié)B性較差，說明煤矸石的加入，能有效提高結(jié)石體的致密度和抗?jié)B性。

通過以上注漿結(jié)石體物理力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)分析，確定新型無機(jī)注漿材料由水泥、煤矸石、黏土3種組分構(gòu)成，注漿材料的最佳含量配合比水泥30%左右，黏土10%左右，煤矸石60%左右。

3 新型注漿材料適用性分析

從強(qiáng)度、抗?jié)B性、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益4個(gè)方面，對比水泥漿液、水泥-黏土漿液(水泥含量30%)、新型注漿材料，分析材料的適用性。

由表9可知:在水泥-黏土漿液能夠滿足工程需求的前提下，新型復(fù)合注漿材料具備同樣的技術(shù)替代性，且早期和后期強(qiáng)度均高于水泥-黏土漿液;同時(shí)3種材料的抗?jié)B性能較為接近，新型注漿材料略具有優(yōu)勢。新型注漿材料經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于另兩種材料，并且新型注漿材料可以有效消化礦山周圍堆棄的煤矸石，減少對環(huán)境的危害，減輕煤炭企業(yè)對環(huán)境的污染。

表9新型注漿材料適用性分析
Table9Applicabilityanalysisofnewgroutingmaterial

漿液類型水泥漿液水泥-黏土漿液新型注漿材料成本/(元·t-1)4001481393d抗壓強(qiáng)度/MPa2.000.681.267d抗壓強(qiáng)度/MPa2.301.161.9128d抗壓強(qiáng)度/MPa9.002.073.41滲透系數(shù)/(10-7m·s-1)2.2～2.82.11.8

4 工程應(yīng)用

4.1 工程背景

山東肥城礦業(yè)集團(tuán)白莊煤礦8812工作面開采工程中，開挖掘進(jìn)時(shí)直接揭露奧灰底板含水層，導(dǎo)致開采范圍15 m內(nèi)出現(xiàn)大面積涌水，總涌水量為70 m3/h，。通過鉆探與物理探測發(fā)現(xiàn)，8812工作面靠近運(yùn)輸巷一側(cè)下方電阻率較軌道巷下方電阻率低，為主要含水區(qū)域，含水區(qū)域賦存深度30～80 m，富水性強(qiáng)，導(dǎo)水裂隙發(fā)育，節(jié)理裂隙發(fā)育方向大致為類似X型共軛節(jié)理。為保證煤礦安全開采，對富水區(qū)進(jìn)行注漿治理。

4.2 治理方法

針對物探結(jié)果中的工作面及含水區(qū)開展注漿改造，將奧灰含水層注漿工作面鉆孔以扇形均勻布置，相鄰鉆孔間距不大于30 m，重點(diǎn)考慮巷道開切眼、終采位置及構(gòu)造處等關(guān)鍵區(qū)域。工作面注漿鉆孔平面布置，如圖6所示。

圖6 8812工作面注漿鉆孔布置Fig.6 Grouting layout of working face 8812

在鉆探與注漿改造施工中，對鉆場圍巖加固、鉆孔塌孔遇水及封堵充填裂隙采用新型注漿材料。在地面注漿站制備奧灰含水層新型注漿材料漿液后，通過井下注漿管路連接到工作面注漿孔進(jìn)行注漿。注漿過程中，選用組分配比為水泥30%，黏土10%，煤矸石60%的新型注漿材料，其水灰比在區(qū)間0.9～1.1調(diào)整，根據(jù)現(xiàn)場跑漏漿情況，適當(dāng)降低水灰比。注漿時(shí)使用低檔位，根據(jù)壓力大小調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)臋n位，鉆孔注漿壓力達(dá)設(shè)計(jì)壓力時(shí)，注漿結(jié)束的鉆孔用純水泥封孔，注漿設(shè)計(jì)終壓為3 MPa。注漿施工現(xiàn)場如圖7所示。

圖7 注漿施工現(xiàn)場Fig.7 Construction site of grouting

4.3 治理效果分析

治理區(qū)域經(jīng)過4次循環(huán)注漿后，注漿終壓達(dá)到3 MPa。對涌水區(qū)域鉆孔檢測，未發(fā)生涌水。認(rèn)為通過新型材料的注入，對含水層起到了充填加固的作用。如圖8所示，采用新型注漿堵水材料注一序孔過程中，滲壓計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化值較小，二序孔注漿過程中監(jiān)測水壓呈臺階式增長，這是由于二序孔針對特定出水區(qū)域注漿封堵出水點(diǎn)，水壓隨二序注漿孔注漿而增加，說明注漿效果明顯。

圖8 新型注漿材料滲壓計(jì)SY-1監(jiān)測Fig.8 Monitoring data of new grouting material SY-1

5 結(jié) 論

(1)以采煤過程中產(chǎn)生固體廢棄物煤矸石，制備的新型注漿材料其力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)良好，組分最優(yōu)配比為:水泥30%，黏土10%，煤矸石60%。能夠滿足工程防治水需求，具有較高的適用性和經(jīng)濟(jì)性。

(2)新型注漿材料在水泥含量為25%時(shí)早期強(qiáng)度較低，隨著材料養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，煤矸石內(nèi)部潛在的活性礦物充分水化，漿液的結(jié)石體強(qiáng)度顯著提高。在水泥含量為30%時(shí)，其早期強(qiáng)度與后期強(qiáng)度均高于水泥含量為40%時(shí)水泥-黏土漿液的同期強(qiáng)度。

(3)材料微觀分析結(jié)果表明，材料體系中加入煤矸石，可以有效提高試樣水化后的礦物種類及水化程度，并可有效提高材料的后期強(qiáng)度。

(4)在新型注漿材料體系中，隨著水泥含量的增加，結(jié)石體承受水壓的能力增強(qiáng)，當(dāng)水泥含量高于30%時(shí)，水泥含量的增加對結(jié)石體抗?jié)B性的提高作用不顯著。煤矸石原料的加入可有效提高結(jié)石體的致密性和抗?jié)B性。

[1] 趙慶彪，趙兵文，付永剛，等.大采深礦井地面區(qū)域治理奧灰水害關(guān)鍵技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2016,44(8):14-20.

ZHAO Qingbiao,ZHAO Bingwen,FU Yonggang,et al.Research on key technology to control ordovician limestone water disaster on surface region of deep mining depth mine[J].Coal Science and Technology,2016,44(8):14-20.

[2] 趙慶彪，畢超，虎維岳，等.裂隙含水層水平注漿“三時(shí)段”漿液擴(kuò)散機(jī)理研究及應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2016,41(5):1213-1218.

ZHAO Qingbiao,BI Chao,HU Weiyue,et al.Study and application of three-stage seriflux diffusion mechanism in the fissure of aquifer with horizontal injection hole[J].Journal of China Coal Society,2016,41(5):1213-1218.

[3] 袁先樂，徐克創(chuàng).我國金屬礦山固體廢棄物處理與處置技術(shù)進(jìn)展[J].金屬礦山，2004(6):46-49.

YUAN Xianle,XU Kechuang.Advances in solid waste treatment and disposal technology for China’s metal mines[J].Metal Mine,2004(6):46-49.

[4] 郭新偉，徐志勝，王薇，等.小城鎮(zhèn)固體廢棄物處理調(diào)查研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2005，5(4):83-85.

GUO Xinwei,XU Zhisheng,WANG Wei,et al.Investigation and research on solid waste management in townships[J].Journal of Safety and Environment,2005，5(4):83-85.

[5] CHUGH Yoginder P,BEHUM Paul T.Coal waste management practices in the USA:An overview[J].International Journal of Coal Science & Technology,2014,1(2):163-176.

[6] 阮文軍.注漿擴(kuò)散與漿液若干基本性能研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2005,27(1):69-73.

RUAN Wenjun.Research on diffusion of grouting and basic properties of grouts[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2005,27(1):69-73.

[7] 劉人太.水泥基速凝漿液地下工程動(dòng)水注漿擴(kuò)散封堵機(jī)理及應(yīng)用研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2012.

LIU Rentai.Study on diffusion and plugging mechanism of quick setting cement based slurry in underground dynamic water grouting and its application[D].Jinan:Shandong University,2012.

[8] 李術(shù)才，劉人太，張慶松，等.基于黏度時(shí)變性的水泥-玻璃漿液擴(kuò)散機(jī)制研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013,32(12):2415-2421.

LI Shucai，LIU Rentai，ZHANG Qingsong,et al.Research on c-s slurry diffusion mechanism with time-dependent behavior of viscosity[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013,32(12):2415-2421.

[9] 肖尊群，劉寶琛，喬世范，等.碳酸鈣-酸性水玻璃注漿材料對比試驗(yàn)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,41(6):2305-2312.

XIAO Zunqun,LIU Baochen,QIAO Shifan,et al.Calcium carbonic acid-acid water glass grouting material and comparing test[J].Journal of Central South University (Science and Technology),2010,41(6):2305-2312.

[10] 馮志強(qiáng)，康紅普.新型聚氨酯堵水注漿材料的研究及應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào),2010,32(3):375-380.

FENG Zhiqiang,KANG Hongpu.Development and application of new waterproof grouting materials of polyurethane[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2010,32(3):375-380.

[11] 楊紹斌，董偉，周曉謙，等.礦用聚氨酯注漿材料阻燃及加固性能研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2012,22(8):48-53.

YANG Shaobin,DONG Wei,ZHOU Xiaoqian,et al.Study on flame retarding and reinforcement properties of mine polyurethane grouting material[J].China Safety Science Journal,2012,22(8):48-53.

[12] 洪曉東，楊東旭，周瑩.改性脲醛樹脂注漿材料的制備及性能研究[J].材料導(dǎo)報(bào),2013,27(8):117-119.

HONG Xiaodong,YANG Dongxu,ZHOU Ying.Study on preparation and performance of modified urea-formaldehyde resin grouting materials[J].Materials Review,2013,27(8):117-119.

[13] 劉人太，李術(shù)才，張慶松，等.一種新型動(dòng)水注漿材料的試驗(yàn)與應(yīng)用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011,30(7):1454-1459.

LIU Rentai,LI Shucai,ZHANG Qingsong,et al.Experiment and application research on a new type of dynamic water grouting material[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(7):1454-1459.

[14] 李利平，李術(shù)才，張慶松，等.一種新型高分子注漿材料的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(S1):3150-3156.

LI Liping,LI Shucai,ZHANG Qingsong,et al.Experimental study of a new polymer grouting material[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(S1):3150-3156.

[15] 許光泉，嚴(yán)家平，夏小亮.礦井底板突水新型注漿材料配比優(yōu)化試驗(yàn)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38(12):22-24.

XU Guangquan,YAN Jiaping,XIA Xiaoliang.Optimization experiment on mixing ratio of new grouting material to prevent mine in floor water inrush[J].Coal Science and Technology,2010，38(12):22-24.

[16] 李飛.粉煤灰注漿材料在礦井防治水中的運(yùn)用[J].煤炭技術(shù)，2005，24(1):111-112.

LI Fei.Application of fly ash grouting material in mine water prevention and control[J].Coal Technology,2005，24(1):111-112.

[17] 胡曙光，王紅喜，張高展，等.工業(yè)廢渣注漿材料的抗溶蝕性能[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2007，35(4):473-477.

HU Shuguang,WANG Hongxi,ZHANG Gaozhan,et al.Corrosion resistance performance of grouting materials manufactured from industrial wastes[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2007，35(4):473-477.

[18] 張高展，丁慶軍.水玻璃-工業(yè)廢渣雙液注漿材料的研究與應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2007，44(4):79-84.

ZHANG Gaozhan,DING Qingjun.Research and application of a two-component grouting material with sodium silicate and industrial residue[J].Modern Tunnelling Technology,2007，44(4):79-84.

[19] LI S C,LI Z F,SHA F,et al.The development of new composite material for the grouting treatment of ordovician limestone aquifer and performance tests[J].Material Research Innovations,2015,19(S1):252-255.

Experimentandapplicationofnewmaterialforgroutingofganguebasedaquifer

WANG Huitao1,WANG Xiaochen1，ZHAI Minghua2，LI Shucai1，LIU Rentai1，LI Zhaofeng1，BAI Jiwen1，ZHANG Lianzhen1，AN Jie3

(1.GeotechnicalandStructuralEngineeringResearchCenter,ShandongUniversity,Jinan250061，China; 2.ShandongEnergyGroupCo.,Ltd.,Jinan250014,China; 3.ShandongInstituteofStandardization,Jinan250014,China)

Coal mining in the aquifer with high bearing pressure often needs to carry out the transformation to the strong aquifer.Tens of thousands of tons of grouting material are used because of the large scale of aquifer.Based on the modification mechanism of inorganic composite,a new type of inorganic grouting material is developed by using solid waste in mine and thermal power plant.The optimum mixture ratio of new material system is obtained by the laboratory test.The flexural strength,compressive strength,permeability coefficient of different composi-tions are tested,combining with the grouting engineering to select ratio.The microscopic structural performance of grouting stone body is tested by the micro analysis means of XRD and SEM.The mechanical properties,economic factors and environmental benefits are compared,and the applicability of the new materials and conventional grouting materials is compared.The results show that the cement content is 35%,the early strength and later strength of the new grouting material are higher than that of the cement clay slurry at the same time when the cement content is 40%.The cement content is 30%,the clay content is 10%,the coal gangue content is 60%,with appropriate content water reducing agent and accelerator.As for composite material stone body (28 d),the com-pression strength is 3.4 MPa,the flexural strength is 1.7 MPa,and the permeability coefficient is 1.794×10-7m/s.The results meet the requirements of aquifer grouting reconstruction,which is expected to offer some reference to similar projects.

development of grouting material;mechanical property;microscopic analysis;aquifer reformation

王慧濤，王曉晨，翟明華，等.矸石基含水層注漿改造新型材料實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(11):2981-2988.

10.13225/j.cnki.jccs.2017.0582

WANG Huitao，WANG Xiaochen,ZHAI Minghua,et al.Experiment and application of new material for grouting of gangue based aquifer[J].Journal of China Coal Society,2017,42(11):2981-2988.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.0582

TD353

A

0253-9993(2017)11-2981-08

2017-04-28

2017-08-24責(zé)任編輯常明然

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFC0801604)

王慧濤(1981—)，男，山東德州人，博士研究生。E-mail:18653157650@163.com。

劉人太(1984—)，男，山東威海人，副教授。E-mail:rentailiu@126.com