新型复合注浆材料研发与应用

  王冠聪1  刘人太2  张礼威1'3

    （1．山东能源集团有限公司，山东省济南市，250014；

    2．山东大学，山东省济南市，250014；

    3．中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

    摘  要介绍了注浆材料细度、粒度比表面积、胶凝材料需水量、凝结时间及安定性等

的测定方法。对新型复合注浆材料从流动度、析水分层时间、初终凝时间、龄期强度、结石

体渗透性、SEM分析等方面进行了性能测试与分析，并成功替代了普通硅酸盐水泥进行了

大规模应用，经济效益显著。

    关键词  注浆材料  抗渗透性  流动度析水分层时间  凝结时间  龄期强度  结石体

渗透性  SEM分析  经济效益

    中图分类号  TD745.2    

    王楼煤矿13301工作面突水灾害属于典型的断层滞后型突水，在掘进过程中运输巷与轨道巷者5出现顶板淋水和底板渗水现象，当回采工作面推进至560 m时，工作面涌水量由130 m3／h快速增加，工作面回采至640 m时，工作面涌水量增加至650m3／h。发生突水后，王楼煤矿开展了突水治理工作，采用从地面进行深孔注浆对工作面涌水进行封堵。为了降低工程成本，王楼煤矿引入了水泥粉煤灰作为注浆材料。但是由于注浆材料体系的复杂性，粉煤灰注入后即引发钻孔压力升高，被迫放弃使用。

    针对上述问题，选用P0425水泥、粉煤灰、粘土、膨润土为基材，开展了新型复合注浆材料体系研发，系统研究其强度、凝结时间、流动度、抗渗性等指标，使其具备良好的流动度，析水分层时间合理；初终凝时间合理；具备良好的抗渗特性，能够满足水害治理需求；抗折和抗压强度能够抵挡水压破坏；与普通水泥相比能够大幅度降低成本。

1  试验方法

    (1)注浆材料细度、粒度及比表面积的测定。将出磨的煤矸石材料过200目方孔筛，然后根据GB/T1345 - 2007，采用负压筛法测定材料的细度，采用勃氏法测定材料的比表面积。   

 (2)胶凝材料需水量、凝结时间及安定性的测定。

    注浆材料的标准稠度以达某一规定稠度时的用水量占水泥重量的百分数来表示。标准稠度需水量按照国家标准《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346-2001)进行试验。

    注浆材料的凝结时间有初凝和终凝之分，自加水时起至浆液的塑性开始降低所需的时间，称为初凝时间，自加水起至浆液完全失去塑性所需的时间，称为终凝时间。凝结时间的测定是以标准稠度的水泥净浆在规定的温度和湿度下，用凝结时间测定仪来测定。

    (3)注浆材料强度的测定。本试验借鉴水泥胶砂强度试验按GB/T17671-1999进行。测定前，将制备的浆液进行成型和养护脱模。各龄期强度检验时间为(72±2)h、7d±4h、28 d±8h。抗折、抗压强度测定和计算按GB/T17676 - 2009第9、10条执行。

    (4)注浆材料流动度分析。注浆材料流动采用计时测量浆液扩散直接表示，借鉴建材GB/

T17676- 2009标准。选用长度为600 mm方形玻璃板，放置于水平桌面，用水使其表面均匀湿润。在玻璃板下放置扩散开度记录纸，在玻璃板中心位置放置浆液试模．将搅拌好的浆液倒人抹平。此时缓慢提起试模并同时开始计时。在30 s时从3个不同方向记录下浆液扩散开度，求其平均值即为浆液的有效扩散开度。

    (5)注浆材料抗渗特性分析。测试前，进行试体的成型、养护与脱模、涂蜡密封。测试时，使用水泥砂浆抗渗仪，在加压2h内，如实体无渗水现象．则继续加压19.6×104 Pa直至试体开始渗水为止，并随时记录透水的压力、流量与时间。

    (6)注浆材料水化产物及扫描电镜(SEM)分析。

    将水化试样制成20 mm×20 mm×20 mm的净浆小试块，标养到规定的水化龄期时，去除试件表面可能碳化的皮层，将内部小块取一部分敲成2.5～5.0  mm大小，用无水酒精终止水化，以备SEM测试；将另一部分水化样用无水酒精终止水化后，研磨至一定细度，在40℃下烘干至恒重后密封保存，以备SEM测试。

    取出用无水酒精终止水化的浆体断裂碎块，在40℃下干燥至恒重，用导电胶将样品粘贴在铜质样品座上，真空镀金后置于S-2500型扫描电镜中观察试样断面形貌。分析各组成物相的微观形貌特征、晶粒形状、各物相间结合状态、微细裂纹、水化程度等状况。

    (7)组分筛选试验。正交试验设计是利用正交表来安排与分析多因素试验的一种设计方法。通过参考国内外相关方面的研究经验，结合王楼煤矿注浆改造含水层工程实践经验，将注浆加固材料配比试验划分为3个因素：水泥含量（水泥质量／水泥十粘土十膨润土十粉煤灰总质量）、粉煤灰含量（粉煤灰质量／水泥十粘土十膨润土十粉煤灰总质量）、粘土含量（粘土质量／水泥十粘土十膨润土十粉煤灰总质量）。膨润土主要用于改善材料体系的和易性，避免材料体系的析水分层，同时增强材料体系的保水能力，通过试验确定其添加含量为1%即可。基于正交试验原理，排除明显不满足要求的材料体系，确定试验组分配比，如表1所示。

2新型复合注浆材料性能测试与分析

2.1  流动度

    流动度作为复合材料体系最重要的指标，直接决定了其可用性，分别对水泥、水泥-粉煤灰、新型复合注浆材料进行了流动度测试。

    (1)水泥浆液。经过试验测试，纯水泥浆液流动度31.5 cm，密度1.39 g／cm3，析水分层初始与完全时间分别为271 s和1122 s。

    在已知水泥浆液能够满足注浆需求的前提下，将该数据作为技术分析的指标与参照，认为达到或者接近该数据时新型复合注浆材料体系流动度达标。

    (2)水泥-粉煤灰浆液。水泥-粉煤灰不同质量分数的流动度曲线如图1所示。由图1可知，浆液的流动度随着水泥含量逐渐降低而降低，其中粉煤灰含量60%为例外，但总体数据波动不大，材料体系流动度在30~32 cm之间即可认为能够实施注浆，因此水泥-粉煤灰体系可注区间较小，现场难以控制，这是导致水泥-粉煤灰体系注浆失败的一个原因。

    (3)新型复合浆液。新型复合浆液流动度曲线如图2所示。由图2可知，新型复合浆液(7～12号试样)由于粘土成分的存在，除2号与6号试样外，其流动度大部分位于30~ 32  cm之间（1号试样为纯水泥），能够满足注浆对流动度的要求，因此新型复合注浆材料体系可行。

2.2  析水分层时间

    析水分层时间分为开始时间和完全时间，材料体系的析水分层会导致干粉沉淀，堵塞钻孔增大注浆压力，导致注浆被迫中止，试验测试了3种材料体系的析水分层时间。

    (1)水泥浆液。水泥浆液水灰比1:1时，析水分层开始时间为271 s，终止时间为1122 s。

    (2)水泥-粉煤灰浆液。试验测试了水泥-粉煤灰的析水分层开始时间和完成时间。水泥-粉煤灰的析水分层如图3所示，由于粉煤灰的加入，材料体系分层析水时间相对于纯水泥浆液大幅度缩短，其初始析水时间变化不大，但完全离析时间不足单纯水泥浆液的30%，这导致了材料体系中的干粉颗粒快速下沉从而堵塞了注浆钻孔，也是水泥-粉煤灰体系无法满足深长钻孔注浆的根本原因。

    (3)新型复合浆液。试验测试了新型复合注浆材料体系的析水分层时间。新型复合注浆材料体系的析水分层时间如图4所示。

    由图4可以看出，2～6号试样中不含粘土和膨润土组分，其析水分层时间随着粉煤灰含量大幅度增加，浆液可注性能大幅度下降；为了解决这一问题，7 ~12号试样掺入了4%或9%的粘土和1%的膨润土，大幅度改善了浆液的和易性，10～12号试样基本达到或接近纯水泥的参数。

2.3  初、终凝时间

    新型复合注浆材料的初终凝时间如图5所示。2～6号试样中不含粘土和膨润土组分，其初凝时间和终凝时间随着粉煤灰含量增加而缩短，浆液可注性能下降，其中，6号试样比2号试样的初凝时间缩短了36%。为了解决这一问题，7～12号试样掺人了4%或9%的粘土和1%的膨润土，大幅度改善了浆液的和易性，10～12号试样基本达到或接近纯水泥的参数。

2.4龄期强度

    (1)材料体系的抗压强度。试验测试了新型复合注浆材料结石体的7d和28 d抗压强度如图6所示，新型复合注浆材料的强度与其组分密切相关，随着水泥含量的降低强度显著降低；7～12号试样随着粘土和膨润土的添加，材料体系的对应龄期强度进一步降低，这表明粘土和膨润土对于材料体系强度影响是负面的，在能够满足和易性的前提下应当尽量降低其掺入量。

    新型复合注浆材料体系结石体7 d强度普遍在5MPa附近，28 d强度普遍大于20 M Pa，对比王楼煤矿的水压2～3.5  M Pa，其强度能够满足工程要求，水泥含量在15%和20%，试样结石体强度存在显著提升，因此水泥含量应当采用20%配比。这也说明，普通水泥在进行含水层改造工程时，其强度富余量过大，存在严重的材料浪费。可通过新型复合注浆材料的研发，降低强度富余量达到削减成本的目标。

    (2)材料体系的抗折强度。试验测试了新型复合注浆材料的3d、7d和28 d结石体的抗折强度，如图7所示。抗折强度对于含水层改造的意义重大，在工作面开采时其具有抵抗裂隙萌生，能够降低顶板冒裂带高度和突水风险。试验测得纯水泥浆结石体（水灰比1:1）28 d抗折强度2.3 M Pa，因水泥含量的降低新型复合注浆材料的抗折强度显著降低。在组分含量水泥、粉煤灰、粘土和膨润土分别为20%、70%、9%、1%时（10号试样），其抗折强度仅为纯水泥结合体的50%。

    结石体的抗折强度在水泥含量由15%增至20%存在显著增强，这与抗压强度相对应，此时增加材料体系的水泥用量是性价比最高的；相对的水泥含量从20%增加至30%时，抗折强度没有明显变化。

2.5   SEM分析

    通过对注浆材料各配比试样物理力学性能分析，综合考虑各试样力学特性，分别分析了试样水化特性。水化28 d时，7号试样内部Aft矿物及胶凝性矿物数量均显著增加，但试样密度仍较低，随着试样中水泥含量增加，7、9、10和12号试样中强度矿物数量不断增多，大量的凝结矿物将针状的Aft矿物包裹，试样的致密度也不断提高，内部孔结构数量和孔径均减小。这与各试样的强度数据相对应，特别是10和12号试样，强度相差较小，而强度较高的7号试样致密度显著较高。

2.6  经济成本测算

    新型复合注浆材料体系与采用普通425硅酸盐水泥经济性对比如表2所示。

因此采用新型注浆复合材料体系配比，在能够满足可注性要求的前提下，可节约注浆材料成本50%-70%。新型复合注浆材料体系在王楼煤矿实际应用15000 t，采用10号试样配比，节约成本242元／t，共计节约成本363万元。

3  结论

    (1)分析了水泥-粉煤灰浆液无法满足工程需求的原因：其流动度偏低注浆泵送阻力大；其析水分层时间过短，不足普通水泥的30%，导致颗粒极易沉淀堵塞钻孔，注浆无法持续。

    (2)通过资料分析与室内测试试验，确定了新型复合注浆材料的组分为水泥，粉煤灰，粘土，膨润土。

    (3)分别测试了新型复合注浆材料体系的抗压抗折强度、初终凝时间、流动度、析水分层时间、抗渗透性等，研究了新型复合注浆材料体系中各组分对材料性能的影响，结论表明水泥含量越高材料体系的强度、抗渗透性能越好；粘土十膨润土对于调节材料体系的和易性效果显著，可显著增加流动度，延长析水分层时间；粘土十膨润土还可改造材料的抗渗透性能。

    (4)通过SEM分析了新型复合注浆材料体系的水化特征及微观形貌，从微观层面阐述了新型复合注浆材料的性能特性和机理。

    (5)获得了新型复合注浆材料体系的最佳组分配比（膨润土含量均为1%），具体选用标准可根据含水层性质和工程需求确定，王楼煤矿采用10号试样的配比。

    (6)新型复合注浆材料体系在王楼煤矿实际应用15000 t，在满足工程需求的前提下，节约材料成本效果显著。