煤矿采空区治理工程中水泥、粉煤灰性能研究

煤矿采空区治理工程中水泥、粉煤灰性能研究

新铁路位于矿区范围内。在该段铁路下，空间分布在3.5层的复杂大门中。为了确保新铁路的安全，应在打开的路上注入泥浆。浆砌石采用砂浆制输系统，通过孔连接采空区，水泥砂浆和水泥粉煤灰浆直接注入煤层开采空区，然后逐渐沉积、沉淀，最后填充采空区和隧道区的裂缝空间，提高了地层岩石的物理力学，实现了地层的稳定，防止了裂缝和漏差。处理如此规模采空区,注浆材料及配比选取对工程造价起着决定作用。本项目采用大掺量粉煤灰的水泥粉煤灰浆液进行试验,本着“科学、安全、经济”的原则优化注浆材料配合比。1速凝剂的配比试验按照相应的技术标准,试验按水泥∶粉煤灰质量比为1∶9、2∶8、3∶7,水固比为0.6∶1、0.7∶1、0.8∶1、1∶1,速凝剂(水玻璃)掺入量按0%、1%、3%、5%(质量比)的不同比例进行系统的组合试验,检测项目包括混合浆液的流动度、凝结时间、结石体28d的无侧限抗压强度等,通过分析确定最佳材料配合比,指导工程实践。试验选取32.5级矿渣硅酸盐水泥和二级普通粉煤灰,速凝剂为市面常见的水玻璃,模数2.6,波美度为41°Be。2试验过程和成果分析2.1微胶结充填灌浆流动度的规律根据《混凝土外加剂应用技术规范》(GB50119)测定浆液的流动度。将拌好的浆液迅速注入截锥圆模内,用刮刀刮平,将截锥圆模按垂直方向提起,同时开启秒表计时,至30s用直尺量取流淌浆液互相垂直的2个方向的最大直径,取平均值作为浆液初始流动度。水泥∶粉煤灰为1∶9、2∶8、3∶7不同水固比的流动度试验结果见图1、2、3。流动度直接关系到注浆施工难易程度和注浆效果,注浆材料必须具有良好的流动性,才能保证浆液的可注性和足够的扩散半径。流动度过小容易发生堵管现象,同时在孔间距一定条件下不能很好地充满裂隙带和采空区空洞,影响采空区充填效果,流动度过大时,浆液具有颗粒沉降、分选和析水现象,易引起浆液流失过大和结石率偏低,因此,浆液的流动度是浆液检验的重要指标。由以上数据和图表可以得出以下基本规律:(1)浆液流动度主要受粉煤灰掺入量、水固比及水玻璃掺入量等因素影响,且各因素影响程度不同。(2)当水固比一定时,随着粉煤灰掺入量的增大,浆液流动度呈减小趋势,由于二级粉煤灰颗粒较细,粉煤灰掺入量对浆液流动度变化影响不大。(3)当水泥、粉煤灰比一定时,水泥∶粉煤灰为1∶9时,流动度最大半径是最小半径的1.39倍,水泥∶粉煤灰为2∶8时,流动度最大半径是最小半径的1.55倍,水泥∶粉煤灰为3∶7时,流动度最大半径是最小半径的1.42倍;水固比1∶1流动度平均值是0.6∶1流动度平均值的1.45倍。可见随着水固比的提高对流动度影响较大,流动度变化显著。(4)浆液流动度随着水玻璃掺入量变化较为复杂,受水泥、粉煤灰比影响,变化趋势不尽相同。水泥∶粉煤灰=1∶9时,随着水玻璃掺入量增大,浆液流动度总体呈先减小后增大趋势,且水玻璃掺入2%时流动度达到最小值;水泥、粉煤灰比大于2∶8时,随着水玻璃掺入量增大,浆液流动度总体呈先减小趋势,仅水固比1∶1、水泥∶粉煤灰为2∶8时水玻璃掺入量3%的流动度达到最小值。2.2初终凝时间的确定凝结时间我国国标规定采用标准法维卡仪测定。从水泥全部加入水中起,至试针沉入标准稠度净浆中距底板之间的距离为4mm±1mm时所经历的时间为初凝时间;从水泥全部加入水中起,至试针沉入净浆试体0.5mm时所经历的时间为终凝时间。水泥∶粉煤灰为1∶9、2∶8、3∶7不同水固比的初、终凝时间试验结果见图4～9。浆液凝结时间既要满足注浆作业时间的要求,又要求浆液尽快硬化成具有一定强度的结石体,特别间歇注浆时,相邻两次注浆时间一般在初凝后与终凝前进行,施工中可选择合理的初、终凝时间,优化现场施工工艺,根据以上数据和图表可以得出以下基本规律:(1)浆液初终凝时间主要受粉煤灰掺入量、水固比及水玻璃掺入量等因素影响。(2)水固比一定时,随着粉煤灰掺入量的增加,初、终凝时间延长越明显,且变化幅度较大。水固比0.8∶1时,水泥∶粉煤灰为3∶7时初、终凝时间分别为27.4h、29.4h;水泥∶粉煤灰为1∶9时,初、终凝时间分别为66.1h、67.4h;初凝时间延长38.7h,终凝时间延长38.0h。(3)水泥、粉煤灰比一定时,浆液初、终凝时间随水固比减小不断缩短,且水固比越大,初终凝时间变化越明显。水泥∶粉煤灰=1∶9,水固比0.8∶1时,初终凝时间66.1h、67.4h;水固比0.7∶1时,初终凝时间30.6h、36.3h;初凝时间缩短35.5h,终凝时间缩短31.1h,减小幅度较大。当水固比小于0.7∶1和大于0.8∶1时,浆液初、终凝时间变化不大。(4)水玻璃对浆液凝结时间影响较大,随水玻璃掺入量增大,浆液凝结时间整体呈缩短趋势。水玻璃掺入量为1%～3%时,凝结时间变化最明显,当速凝剂掺入量小于1%、大于3%时,凝结时间变化不大。2.3试验结果及分析试验按固态(质量)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,速凝剂(水玻璃)按0%、1%、3%、5%的比例进行组合试验,分别测定硬化体在28d的无侧限抗压强度。根据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70-2009),试样成型采用70.7mm×70.7mm×70.7mm试模,浇筑5d后脱模,试件拆模后放入温度为(20±2)℃,相对湿度为90%以上的标准养护室中养护。水泥∶粉煤灰为1∶9、2∶8不同水固比的结石体强度试验结果见图10、11。由以上试验结果可以看出,在各种水固比下,根据水玻璃加入量的不同,试样的抗压强度总体上有以下规律:(1)浆液结石体强度受粉煤灰掺入量、水固比和速凝剂掺入量影响。(2)水固比一定时,浆液结石体强度随粉煤灰掺量减少,强度不断降低。水固比0.8∶1时,水泥∶粉煤灰为2∶8,结石体强度3.53MPa,是水泥∶粉煤灰为1∶9时结石体强度0.87MPa的4.1倍。(3)水泥、粉煤灰比一定时,浆液结石体强度随水固比增大不断减小,水泥∶粉煤灰为1∶9,水固比0.7∶1时,结石体强度2.03MPa,是水固比0.8∶1时结石体强度0.87MPa的2.33倍。水泥∶粉煤灰为2∶8,水固比0.7∶1时,结石体强度3.79MPa,是水固比0.8∶1时结石体强度3.53MPa的1.07倍。(4)水泥、粉煤灰比和水固比一定时,浆液结石体龄期28d时强度随水玻璃掺入量增加呈增大趋势,水玻璃含量5%时,试样的抗压强度最大。通过现场对水泥∶粉煤灰为2∶8、水固比0.7∶1、水玻璃掺入量3%的浆液结石体钻探取样,测得浆液结石体强度平均强度为2.81MPa,为实验室标准养护强度3.83MPa的73.4%,实际施工过程中,浆液结石体强度要求一般不大于0.5MPa,所以实验室标准养护强度大于0.7MPa即可满足工程需要。3无砂胶结剂用量水泥、粉煤灰比、水固比和水玻璃掺入比,对浆液性能及各项指标均有不同程度影响,施工过程中如何选取注浆材料配比,才可以在采空区治理过程中本着“科学、安全、经济”原则对施工工艺不断优化。根据以上试验成果分析,得出以下结论和建议:(1)水泥、粉煤灰浆材的应用,有利于变废为宝,节省工程费用,带来较大社会、经济及环保效益。随粉煤灰掺入量越大,浆液流动度影响不大,浆液凝结时间越短,但结石体强度越低,为满足工程要求,粉煤灰掺入量不得大于80%。(2)水固比减小,浆液流动度显著减小;浆液初、终凝时间也不断缩短,且水固比越大,初终凝时间变化越明显,但当水固比小于0.7∶1和大于0.8∶1时,浆液初、终凝时间变化不大;浆液结石体强度随水固比增大不断减小,水固比大于0.7∶1后,结石体强度变化不大,因此水固比为(0.7∶1)～(0.8∶1)较为合理。(3)采空区注浆施工,工程经验是初凝时间不小于12h,终