煤礦采空區治理工程中水泥、粉煤灰性能研究

新鐵路位于礦區范圍內。在該段鐵路下，空間分布在3.5層的復雜大門中。為了確保新鐵路的安全，應在打開的路上注入泥漿。漿砌石采用砂漿制輸系統，通過孔連接采空區，水泥砂漿和水泥粉煤灰漿直接注入煤層開采空區，然后逐漸沉積、沉淀，最后填充采空區和隧道區的裂縫空間，提高了地層巖石的物理力學，實現了地層的穩定，防止了裂縫和漏差。處理如此規模采空區,注漿材料及配比選取對工程造價起著決定作用。本項目采用大摻量粉煤灰的水泥粉煤灰漿液進行試驗,本著“科學、安全、經濟”的原則優化注漿材料配合比。1速凝劑的配比試驗按照相應的技術標準,試驗按水泥∶粉煤灰質量比為1∶9、2∶8、3∶7,水固比為0.6∶1、0.7∶1、0.8∶1、1∶1,速凝劑(水玻璃)摻入量按0%、1%、3%、5%(質量比)的不同比例進行系統的組合試驗,檢測項目包括混合漿液的流動度、凝結時間、結石體28d的無側限抗壓強度等,通過分析確定最佳材料配合比,指導工程實踐。試驗選取32.5級礦渣硅酸鹽水泥和二級普通粉煤灰,速凝劑為市面常見的水玻璃,模數2.6,波美度為41°Be。2試驗過程和成果分析2.1微膠結充填灌漿流動度的規律根據《混凝土外加劑應用技術規范》(GB50119)測定漿液的流動度。將拌好的漿液迅速注入截錐圓模內,用刮刀刮平,將截錐圓模按垂直方向提起,同時開啟秒表計時,至30s用直尺量取流淌漿液互相垂直的2個方向的最大直徑,取平均值作為漿液初始流動度。水泥∶粉煤灰為1∶9、2∶8、3∶7不同水固比的流動度試驗結果見圖1、2、3。流動度直接關系到注漿施工難易程度和注漿效果,注漿材料必須具有良好的流動性,才能保證漿液的可注性和足夠的擴散半徑。流動度過小容易發生堵管現象,同時在孔間距一定條件下不能很好地充滿裂隙帶和采空區空洞,影響采空區充填效果,流動度過大時,漿液具有顆粒沉降、分選和析水現象,易引起漿液流失過大和結石率偏低,因此,漿液的流動度是漿液檢驗的重要指標。由以上數據和圖表可以得出以下基本規律:(1)漿液流動度主要受粉煤灰摻入量、水固比及水玻璃摻入量等因素影響,且各因素影響程度不同。(2)當水固比一定時,隨著粉煤灰摻入量的增大,漿液流動度呈減小趨勢,由于二級粉煤灰顆粒較細,粉煤灰摻入量對漿液流動度變化影響不大。(3)當水泥、粉煤灰比一定時,水泥∶粉煤灰為1∶9時,流動度最大半徑是最小半徑的1.39倍,水泥∶粉煤灰為2∶8時,流動度最大半徑是最小半徑的1.55倍,水泥∶粉煤灰為3∶7時,流動度最大半徑是最小半徑的1.42倍;水固比1∶1流動度平均值是0.6∶1流動度平均值的1.45倍。可見隨著水固比的提高對流動度影響較大,流動度變化顯著。(4)漿液流動度隨著水玻璃摻入量變化較為復雜,受水泥、粉煤灰比影響,變化趨勢不盡相同。水泥∶粉煤灰=1∶9時,隨著水玻璃摻入量增大,漿液流動度總體呈先減小后增大趨勢,且水玻璃摻入2%時流動度達到最小值;水泥、粉煤灰比大于2∶8時,隨著水玻璃摻入量增大,漿液流動度總體呈先減小趨勢,僅水固比1∶1、水泥∶粉煤灰為2∶8時水玻璃摻入量3%的流動度達到最小值。2.2初終凝時間的確定凝結時間我國國標規定采用標準法維卡儀測定。從水泥全部加入水中起,至試針沉入標準稠度凈漿中距底板之間的距離為4mm±1mm時所經歷的時間為初凝時間;從水泥全部加入水中起,至試針沉入凈漿試體0.5mm時所經歷的時間為終凝時間。水泥∶粉煤灰為1∶9、2∶8、3∶7不同水固比的初、終凝時間試驗結果見圖4～9。漿液凝結時間既要滿足注漿作業時間的要求,又要求漿液盡快硬化成具有一定強度的結石體,特別間歇注漿時,相鄰兩次注漿時間一般在初凝后與終凝前進行,施工中可選擇合理的初、終凝時間,優化現場施工工藝,根據以上數據和圖表可以得出以下基本規律:(1)漿液初終凝時間主要受粉煤灰摻入量、水固比及水玻璃摻入量等因素影響。(2)水固比一定時,隨著粉煤灰摻入量的增加,初、終凝時間延長越明顯,且變化幅度較大。水固比0.8∶1時,水泥∶粉煤灰為3∶7時初、終凝時間分別為27.4h、29.4h;水泥∶粉煤灰為1∶9時,初、終凝時間分別為66.1h、67.4h;初凝時間延長38.7h,終凝時間延長38.0h。(3)水泥、粉煤灰比一定時,漿液初、終凝時間隨水固比減小不斷縮短,且水固比越大,初終凝時間變化越明顯。水泥∶粉煤灰=1∶9,水固比0.8∶1時,初終凝時間66.1h、67.4h;水固比0.7∶1時,初終凝時間30.6h、36.3h;初凝時間縮短35.5h,終凝時間縮短31.1h,減小幅度較大。當水固比小于0.7∶1和大于0.8∶1時,漿液初、終凝時間變化不大。(4)水玻璃對漿液凝結時間影響較大,隨水玻璃摻入量增大,漿液凝結時間整體呈縮短趨勢。水玻璃摻入量為1%～3%時,凝結時間變化最明顯,當速凝劑摻入量小于1%、大于3%時,凝結時間變化不大。2.3試驗結果及分析試驗按固態(質量)比(水泥∶粉煤灰)1∶9、2∶8、3∶7,水固比0.6∶1、0.7∶1、0.8∶1、1∶1,速凝劑(水玻璃)按0%、1%、3%、5%的比例進行組合試驗,分別測定硬化體在28d的無側限抗壓強度。根據《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T70-2009),試樣成型采用70.7mm×70.7mm×70.7mm試模,澆筑5d后脫模,試件拆模后放入溫度為(20±2)℃,相對濕度為90%以上的標準養護室中養護。水泥∶粉煤灰為1∶9、2∶8不同水固比的結石體強度試驗結果見圖10、11。由以上試驗結果可以看出,在各種水固比下,根據水玻璃加入量的不同,試樣的抗壓強度總體上有以下規律:(1)漿液結石體強度受粉煤灰摻入量、水固比和速凝劑摻入量影響。(2)水固比一定時,漿液結石體強度隨粉煤灰摻量減少,強度不斷降低。水固比0.8∶1時,水泥∶粉煤灰為2∶8,結石體強度3.53MPa,是水泥∶粉煤灰為1∶9時結石體強度0.87MPa的4.1倍。(3)水泥、粉煤灰比一定時,漿液結石體強度隨水固比增大不斷減小,水泥∶粉煤灰為1∶9,水固比0.7∶1時,結石體強度2.03MPa,是水固比0.8∶1時結石體強度0.87MPa的2.33倍。水泥∶粉煤灰為2∶8,水固比0.7∶1時,結石體強度3.79MPa,是水固比0.8∶1時結石體強度3.53MPa的1.07倍。(4)水泥、粉煤灰比和水固比一定時,漿液結石體齡期28d時強度隨水玻璃摻入量增加呈增大趨勢,水玻璃含量5%時,試樣的抗壓強度最大。通過現場對水泥∶粉煤灰為2∶8、水固比0.7∶1、水玻璃摻入量3%的漿液結石體鉆探取樣,測得漿液結石體強度平均強度為2.81MPa,為實驗室標準養護強度3.83MPa的73.4%,實際施工過程中,漿液結石體強度要求一般不大于0.5MPa,所以實驗室標準養護強度大于0.7MPa即可滿足工程需要。3無砂膠結劑用量水泥、粉煤灰比、水固比和水玻璃摻入比,對漿液性能及各項指標均有不同程度影響,施工過程中如何選取注漿材料配比,才可以在采空區治理過程中本著“科學、安全、經濟”原則對施工工藝不斷優化。根據以上試驗成果分析,得出以下結論和建議:(1)水泥、粉煤灰漿材的應用,有利于變廢為寶,節省工程費用,帶來較大社會、經濟及環保效益。隨粉煤灰摻入量越大,漿液流動度影響不大,漿液凝結時間越短,但結石體強度越低,為滿足工程要求,粉煤灰摻入量不得大于80%。(2)水固比減小,漿液流動度顯著減小;漿液初、終凝時間也不斷縮短,且水固比越大,初終凝時間變化越明顯,但當水固比小于0.7∶1和大于0.8∶1時,漿液初、終凝時間變化不大;漿液結石體強度隨水固比增大不斷減小,水固比大于0.7∶1后,結石體強度變化不大,因此水固比為(0.7∶1)～(0.8∶1)較為合理。(3)采空區注漿施工,工程經驗是初凝時間不小于12h,終