高掺量粉煤灰注浆材料在采空区治理中的应用

张开诚，张 超，王德全，李 杨，宋洪涛

(1.山东黄金矿业(莱州)有限公司 三山岛金矿，山东 莱州 261442；2.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083)

山东黄金集团某金矿采用进路充填采矿法进行海下开采，自-165 m中段至-400 m中段均进行了不同程度的回采。由于矿段矿体倾角陡、厚度大，上下盘为破碎不稳固带，采场充填质量差以及充填体具有可压缩性，海下开采多中段多采场同时高强度作业，采场走向上连通后空区暴露体积大，爆破震动效应强和矿山支护系统选择不当等，采场顶板及下盘巷道出现了大量坍塌与抽冒现象，给海下开采带来重大安全隐患，突水风险极大。

在实际采场空区充填接顶的过程中，由于充填料浆固结沉降、空区顶板形状不规整、洗管水和引路水影响充填接顶等原因造成充填采场无法完全接顶[1]，且治理过程中检查验证发现所有充填采场无一能够全部接顶。由于接顶注浆量大、水泥价格偏高等方面原因，造成注浆成本过高的问题，给矿山的经济效益带来了极大压力。鉴于此，在保证综合治理效果的前提下，亟待提出节约注浆成本的新途径和新办法。

注浆法处理矿山采空区，浆材的选择至关重要。综合治理中使用的注浆材料为水泥及井下海水，水固比为1∶1。为了减少注浆成本，考虑从浆材的选取及配比入手，寻求替代或部分替代水泥的注浆材料及合理的配比。

通过查阅文献资料[2-3]，发现粉煤灰可以掺于水泥作为注浆材料用于现场实践，且已开展了大量的粉煤灰掺量、配比及其对浆液各项性能指标的影响研究。粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物。粉煤灰外观类似水泥，颜色在乳白色到灰黑色之间变化。不同等级的粉煤灰采用45 μm筛余量作为细度指标，规定一级灰不大于12%，二级灰不大于20%，三级灰不大于45%。矿山紧邻华电发电有限公司，从而为粉煤灰的获取提供了便利条件。

高掺量粉煤灰浆液材料的力学特性研究作为充填采空区的重要环节，受到广泛的重视，目前主要从宏观和微观两个方面进行探究。在宏观研究方面，庞建勇等[4]、连会青等[5]通过设计正交实验方案，研究了不同配比情况下抗压强度的变化情况，并拟合了抗压强度与期龄和配比之间的关系，进行抗压强度的预测；李益进等[6]通过设计实验得到超细粉煤灰可以改善混凝土的抗硫酸侵蚀性，提高混凝土的耐久性；童立元等[7]研究表明随粉煤灰产量增加，硬化体结实率和黏度增大，早期强度较低，后期强度有较大增长；在充填注浆采空区方面，曹帅等[8-10]做了大量的研究。在微观研究方面，孙国文等[11]、曹毅等[12]借助XRD、EDS、BET等方法探明了大掺量粉煤灰水化机制、水化过程等微观工作机理；HOANG等[13]通过等温热法、热重分析研究了硫氰酸钠、二乙醇胺和甘油对粉煤灰-硅酸盐水泥体系的水化过程的影响。还有部分学者[14-17]在高掺量粉煤灰水泥领域进行了研究。

本文主要在前人研究的基础上，依据矿山的实际情况，进行“粉煤灰掺量水泥注浆材料配比”实验研究，主要分析在大掺量细粉煤灰条件下水泥-粉煤灰注浆材料的各项物理力学性能，研究不同粉煤灰等级、水固比、固相比、水玻璃掺量对浆液的析水率、结实率以及不同龄期抗压强度的影响，探讨粉煤灰-水泥的注浆可行性及寻求最合适的注浆材料配比。

1 方案设计及结果分析

1.1 实验方案设计

分析在各因素条件下注浆材料的析水率、结实率和不同养护龄期下的强度。析水率实验是将注浆材料放置于量筒中静置48 h后测定其析出水分所占比例。将注浆材料制成70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的标准方形试件，48 h后拆模，采用千分尺测量试件高度进而求得结实率。在养护箱内提供20±1 ℃恒温和90%的相对湿度，养护不同时间下(3、7、14、28 d)进行试件单轴抗压强度分析。实验采用山东黄金集团充填实验室YAW微机控制抗压试验机进行(图1)，应力-位移数据经数据采集仪获取后自动保存为Excel文件。

图1 YAW微机控制抗压试验机Fig.1 YAW microcomputer controlled compressive testing machine

选取不同比例水固比、固相比、水玻璃掺量，制作注浆材料，各因素所选取的比例如下：

1)固相比(水泥与粉煤灰的质量比)为2∶8、3∶7、4∶6、5∶5。

2)水固比(水与水泥、粉煤灰总质量比)为1∶0.8、1∶1.0、1∶1.2、1∶1.4。

3)水玻璃掺量为0%、2%、3%、4%。

根据不同配比注浆液，采用正交实验方案设计，建立三因素四水平正交实验表。

由于矿山临海，属于典型的海下开采，海水获取较为方便，因此方案设计所采取的的水溶液均为海水，对海水的各项化学成分进行分析见表1。

表1 海水化学成分分析

1.2 抗压强度结果分析

记录粉煤灰-水泥试块的单轴抗压强度的实验结果见表2，固相比A、水固比B、水玻璃掺量C为主要因素。对各组实验结果进行方差分析，分析结果见表3。取显著水平α=0.95，查F表得F0.05(3，6)=4.76。根据方差分析可知固相比为单轴抗压强度的主要影响因素，水固比次之，水玻璃掺量最小，说明粉煤灰的掺入比例对试件强度影响最为显著，粉煤灰掺量增大，强度减小。实验中水玻璃掺量对强度影响不显著，因此可认为本实验中水玻璃掺量并未对注浆材料强度产生影响。

表2 粉煤灰-水泥试块单轴抗压强度

表3 实验结果方差分析

在工程中考虑最多的是注浆材料强度。根据上述方差分析可知固相比、水固比为粉煤灰-水泥试块的主要影响因素。因此对注浆材料强度进行回归分析，考虑在不同固相比、水固比、养护龄期条件下强度的变化模型。依据式(1)回归模型对强度进行多元线性回归，计算结果如式(2)所示。

σc=m+nwg+pws+qT

(1)

(2)

式中，σc为注浆材料强度，MPa；wg为粉煤灰占固体质量百分比(固相比)；ws为粉煤灰占总质量百分比(水固比)；T为养护龄期，d；m、n、p、q均为相关系数。

在回归分析中，各级粉煤灰条件下，三个系数(固相比、水固比、养护龄期)的标准系数误差均小于1，回归系数的置信度较高。其中，固相比、水固比、养护龄期的系数均为正，表明固相比、水固比、养护龄期与强度呈正相关，增加固相比、水固比和养护龄期中任一项，都会增加粉煤灰-水泥试件的强度。固相比系数值(绝对值)相比于水固比和养护期龄期最大，表明固相比对强度的影响显著性最大，与方差分析结果一致。回归系数检验表见表4。

表4 回归系数检验表

1.3 析水率、结实率分析

进行各粉煤灰条件下试件析水率、结实率实验，部分实验过程如图2所示，实验结果见表5。对析水率、结实率进行极差分析(表6)，实验结果表明：水固比对析水率、结实率影响最显著，固相比次之，水玻璃掺量对其影响最小，粉煤灰-水泥浆液的浓度是影响强度的主要原因；二级灰的析水率、结实率的极差值均大于一级灰、三级灰，说明水固比对二级灰浆液试件强度的影响较为显著。

主要考虑水固比对析水率、结实率的影响，进行各级粉煤灰-水泥试件析水率、结实率拟合分析(图3、图4)。拟合结果表明：水固比与析水率、结实率均呈多项式拟合关系，且拟合程度相对较高。

图2 析水率、结实率实验Fig.2 Water extraction rate and seed setting rate experiments

表5 粉煤灰-水泥试块析水率、结实率分析

表6 析水率、结实率极差分析

图3 析水率拟合曲线Fig.3 Water precipitation rate fitting curves

图4 结实率拟合曲线Fig.4 Seed setting rate fitting curves

2 现场可行性研究

2.1 可行性研究结论

注浆强度不需要过高，大于充填体强度即可，并考虑一定的安全系数。采场进行充填并不能保证充填体完全接顶，需进行注浆处理，需要尽可能保证注浆后的接顶效果。因此设计粉煤灰水泥养护3 d注浆强度大于1 MPa、养护7 d注浆强度大于2 MPa，且保证结石率较高即为合理方案。粉煤灰细度越小，强度越高，但相应的成本价也就会提升；水固比越小，固相比越大，粉煤灰的强度也会越高。而根据室内试验结果，水玻璃掺量对试件抗压强度无显著影响，因此在工业试验研究中并未掺入水玻璃。

考虑到充填注浆的接顶情况、成本控制等多方面因素，选择使用二级粉煤灰，固相比4∶6、水固比1∶1.4、水玻璃掺量0%的方案最优。最优方案的固相比4∶6、水固比1∶1.4、水玻璃掺量0%的水泥砂浆配置1 m3需要水泥360.75 kg、粉煤灰541.12 kg、海水644.19 kg、水玻璃0 kg，经全面比较分析预计可为矿山节省费用为1 159.02万元。

2.2 现场工业实验

选定矿山-333 m水平139线作为实验地点对选定的配比进行工业试验，同时取浆液分别置于井下与井上养护，之后测定其单轴抗压强度与结实率，测定结果见表7。试件在现场养护所得到的抗压强度均大于在养护箱内养护的强度，且在现场养护结实率较高。试件在现场、养护箱的养护3、7 d所得到的抗压强度均满足要求的强度。实验证明使用配比为使用二级粉煤灰，固相比4∶6、水固比1∶1.4的粉煤灰水泥能够满足现场注浆需求。

表7 抗压强度与结实率统计表

3 结论

1)固相比为单轴抗压强度的主要影响因素，水固比次之，水玻璃掺量最小。水固比对析水率、结实率影响最显著，固相比次之，水玻璃掺量对其影响最小。

2)进行在不同固相比、水固比、养护龄期条件下强度的变化模型，固相比、水固比、养护龄期与强度呈正相关。固相比系数值(绝对值)相比于水固比和养护期龄期最大，表明固相比对强度的影响显著性最大。

3)选择使用二级粉煤灰，固相比4∶6、水固比1∶1.4、水玻璃掺量0%的方案最优，并进行工业实验，均满足现场需求。

“粉煤灰掺量水泥”注浆材料不仅可靠而且成本低廉，能够满足矿山治理要求，极具推广价值，目前该矿山正逐步将此法推广到矿山其他充填接顶区域。