矿层底板含水层改造中注浆材料优选及配比试验研究

孙江浩

（华北有色工程勘察院有限公司，河北 石家庄 050000）

近些年来，随着煤炭原料用量的不断增加，煤矿开采的深度也逐渐加深[1]，煤炭开采受地质条件的影响较大，地下煤岩体的力学特性尤为复杂，安全事故频发，给矿井生产带来了巨大的损失，严重影响煤矿开采的安全[2]。随着开采深度的增加，矿层底板含水层变形破坏严重，表现出非常大的软岩特征，安全控制较难[3]。

基于此，本文进行底板含水层改造中注浆材料优选及配比试验研究，从材料的选择入手，考虑应用性能、成本投入等问题，选择尾砂和聚氨酯作为主要混合材料，通过正交试验的方式最终提出了一种能够满足煤矿的安全需要，同时降低注浆材料成本是注浆方案，以便更好的应用于实际工程中。

1 注浆材料分析

1.1 尾砂性质分析

本次试验所用的尾砂样品均来自山西某矿山，采用李氏瓶法及定容法对尾砂试样进行测试，结果如表1所示，利用光谱分析法对其化学组成进行分析，结果如图1所示。

表1 尾砂试样基本物理参数测定结果

图1 尾砂化学元素光谱分析结果

测试数据表明：该矿产的尾砂中含有的可回收的金属较少；同时有害物质的含量极少，此外，具有较高含量的Ca、Mg、Al元素都对注浆体的胶结性能具有正向作用，S含量仅为0.479%，其负面影响可以忽略，因此将其作为注浆骨料。

1.2 聚氨酯材料分析

聚氨酯材料作为一种新型高分子加固材料，它有着固结体强度大，抗渗性能好，黏结力强的特点，遇水产生气体促进浆液发泡膨胀，能够起到很好的填充和黏结作用[4]。作为注浆材料，聚氨酯的优点主要有以下几点[5]：

（1）黏结加固时间快，与煤岩体有很好的黏结力，可实现在较短的时间内固化，产生加固作用。

（2）固结体塑性好，地层运动产生的动压力以及开采扰动压力可以使它发生塑性变形而不被破坏。

（3）流动性好，在高压注浆时，聚氨酯材料能够更好的渗入小缝隙中，达到更好的加固作用。

其基本物理特性如表2所示。

表2 聚氨酯基本物理特性

2 注浆材料配比试验

为测试不同注浆材料配比对其指标性能的影响，采用正交试验的方式对其进行测试。其中试验仪器包括TWA-200型号液压万能试验机，秒表，温度计。

2.1 水泥配比

本试验是以水灰比、泥聚比（水泥浆和聚氨酯体积比）为试验的主要因素，设计正交试验。根据正交试验结果确定注浆材料达到最佳效果的各因素的水平，以材料抗压强度、凝胶时间、最高固化温度来考察。为了能够更加清晰的了解各种材料对水泥聚氨酯复合注浆材料的影响，详细试验方案及试验结果如表3所示。

表3 正交试验测试结果

通过分析表3指标数据结果，最终确定最佳工艺参数为水灰比为0.6：1，泥聚比为2：3，抗压强度为50.342MPa，凝胶时间为338s，最高固化温度为81℃。

2.2 注浆材料配比

在上述最佳水泥工艺参数条件下，采用正交试验方法分别为尾砂添加量、灰砂比2因素进行试验分析，以注浆材料沉降度、泌水率、沉缩率和抗压强度作为评价指标开展正交试验。设计的正交试验方案及结果如表4所示。

表4 各实验指标测试结果

通过分析表中数据可知，试验2因素对注浆体不同指标的影响结果为：

（1）28d抗压强度：灰砂比＞尾砂添加量。注浆体强度与灰砂比成正比的关系，但与尾砂添加量呈现出先正比后反比的趋势。

（2）沉降度：灰砂比＞尾砂添加量，注浆材料沉降度与灰砂比整体呈现正比关系，与尾砂添加量关系较小。

（3）泌水率：灰砂比＞尾砂添加量。注浆材料泌水率与灰砂比和尾砂添加量整体上均呈现反比关系，但变化极小。

（4）沉缩率：灰砂比＞尾砂添加量，整体变化趋势与灰砂比和尾砂添加量均呈现反比关系。

因此综合上述分析结果，选择最优水平组合为尾砂添加量18%，灰砂比1：10。

3 结语

为提高矿层底板含水层的安全性，并降低成本投入，本文对矿层底板含水层改造中注浆材料优选及配比进行试验研究。

以聚氨酯、矿山尾砂为材料变量，水灰比和灰砂比为数据变量，对注浆材料指标变化情况进行对比分析，最终得出最佳配比组合水平，以期降低由于煤矿底板含水层引起的安全隐患，提高煤矿安全生产的可靠性。