煤矿采空区注浆充填材料电阻率影响因素试验研究

甘志超

（天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013）



煤矿采空区注浆充填材料电阻率影响因素试验研究

甘志超

（天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013）

为了更好地进行采空区注浆治理效果的物探检测工作，开展了煤矿采空区注浆充填材料电阻率方面的研究。通过正交试验，研究了水固比、石灰与水泥的质量比、外加剂1掺量、外加剂2掺量、结石体养护时间等5个因素对煤矿采空区注浆充填材料电阻率的影响。试验表明：注浆材料的电阻率值随水固比的降低呈现增加趋势；随石灰掺量的增加，注浆材料的电阻率值先增加，然后平稳，再继续增加；注浆材料的电阻率值随龄期的增加呈现先降低后升高的趋势。研究表明，应在注浆材料中加入适当的外加剂，以提高注浆材料的结石率，减少注浆材料中的自由水，从而提高治理后的采空区的视电阻率值，加大采空区注浆治理前后的视电阻率值差异，以便较好地进行物探检测。

采空区注浆；电阻率；正交试验；水泥粉煤灰注浆材料

由于采空区的广泛分布，许多建（构）筑物或是基础设施的建设都会受到影响，为了确保建（构）筑物安全，有的区域需对采空区进行注浆加固治理。其中大掺量粉煤灰的水泥粉煤灰注浆材料作为煤矿采空区注浆充填材料被广泛应用，许多学者对其配比与力学性能等特性进行了研究［1-3］。张刚艳采用无电极电阻率测定仪测定了多组分高掺量粉煤灰水泥注浆材料液态时的电阻率［4］。孙凯华等开展了黄土粉煤灰基新型煤矿充填材料和风积砂充填材料配比试验方面的研究［5-7］。但目前对于固化的注浆充填材料的电阻率测量及其影响因素方面的研究较少，开展注浆充填材料的电阻率方面的研究，有助于更好地开展采空区注浆治理效果的物探检测工作。国内一些学者对岩体的电阻率测量及其影响因素开展了研究［8-11］。

笔者以大掺量粉煤灰的水泥粉煤灰注浆材料为研究对象，通过正交试验，研究了水固比、石灰与水泥的质量比、外加剂1掺量、外加剂2掺量、结石体养护时间等5个因素对煤矿采空区注浆充填材料电阻率的影响。

1　试验方案

1.1试验材料

本次试验选用的材料为采空区治理工程中常用的注浆充填材料。粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥。试验所用材料见表1。

1.2试验内容

通过正交试验，完成5因素4水平共16组配比注浆材料的电阻率测试，养护试块的尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm，共计16组，每组3个试块。

表1　固料成分

试验主要考虑5种因素:水固比（X1）、石灰与水泥的质量比（X2）、外加剂1掺量（X3）、外加剂2掺量（X4）、结石体养护时间（X5）。具体影响因素和水平排列见表2。

表2　试验因素与水平

本次试验是利用SCIP系统测试材料电阻率值，该仪器是由加拿大GDD公司研制开发并生产的一款新型的样本岩心IP测试仪，主要用于测试试样的电学特性。图1为14d龄期的待测试块，图2为利用SCIP系统测量试块的电阻率值。

图1　待测试块

图2　试样电阻率值测试

2　试验结果及分析

2.1试验结果

试件制备和脱模完成后测试流动度、密度等物理参数。按正交试验方案，分别测试16组不同配合比注浆材料试件的电阻率值。每组3个试块，取其平均值，试验结果见表3。表中的G4和G6为试块4和试块6经烘干后的试件。

表3　注浆材料电阻率值

2.2试验结果分析

从表3中可以看出，电阻率值最大的为试块15，其优选配比为水固比0.6∶1，石灰 ∶水泥为0.1∶0.2，外加剂1的掺量为1%，外加剂2的掺量为0.3‰，龄期3d。

利用正交试验结果分析了各因素对电阻率的影响，分析结果如表4所示。从该表可以看出，各因素对电阻率值影响的极差R从大到小的顺序依次为:X1（244.6），X4（186.6），X5（115.99），X3（84.37），X2（45.37）。结果表明，水固比对注浆材料的电阻率值影响最大，石灰掺量对电阻率值的影响最小。

表4　各因素对电阻率值影响分析

为更好地表明各因素对电阻率的影响，图3绘出了水固比、石灰比、外加剂掺量和龄期等因素对电阻率的影响趋势。

图3　试验各因素对电阻率的影响

从图3中可以看出:

（1）注浆材料的电阻率值随水固比的降低呈现增加趋势，表明水固比越低，材料的电阻率值越高。结合SEM扫描电镜图像，水固比低的四组配比，表面的孔隙较少，结构越显致密，使得离子移动难度加大，注浆材料电阻率值得以提高。

（2）随石灰掺量的增加，注浆材料的电阻率值先增加，然后平稳，再继续增加。

（3）掺入外加剂1后，注浆材料的电阻率值表现出先升高后降低然后再升高的一种 “波浪式”变化趋势，掺量1%和3%的电阻率值均较大，且掺量1%的略小于3%掺量的强度。

（4）注浆材料的电阻率值随外加剂2掺量的增加呈现持续增加后平稳的态势，表明外加剂2对提高注浆材料的电阻率值有较大作用。结合SEM扫描电镜图像，分析认为外加剂2能促进注浆材料膨胀，增大孔隙，孔隙中没有水，不利于离子移动，注浆材料的电阻率值增大。

（5）注浆材料的电阻率值随龄期的增加呈现先降低后升高的趋势，且14d后强度的增量更加明显，龄期对注浆材料的电阻率值影响明显。SEM图像表明，随养护时间的增加，材料内部的水化程度提高，水化产物由颗粒状胶结逐渐向块体演化，阻碍离子移动，使得注浆材料电阻率值增大。

（6）经烘干后，试块4的电阻率值由272.24Ω·m升高至1308.67Ω·m，升高幅度为380.70%，试块6的电阻率值由236.87Ω·m升高至1081.72Ω·m，升高幅度为356.67%。说明烘干后，试件中的自由水明显减少，离子很难移动，所以电阻率值明显升高。

3　结 　论

（1）通过正交试验，分析认为注浆材料的电阻率值随水固比的降低呈现增加趋势，水固比越低，注浆材料的电阻率值越高；随石灰掺量的增加，注浆材料的电阻率值先增加，然后平稳，再继续增加；注浆材料的电阻率值随龄期的增加呈现先降低后升高的趋势，且14d后电阻率值的增量更加明显。

（2）烘干后的测量试验表明，注浆材料的导电形式为离子导电，注浆材料中的自由水越少，离子越难移动，电阻率值升高越明显。

（3）应研究在注浆材料中加入适当的外加剂，以提高注浆材料的结石率，减少注浆材料中的自由水，从而提高治理后的采空区的视电阻率值，加大采空区注浆治理前后的视电阻率值差异，以便更好地进行物探检测。

［1］童立元，潘 石，邱 钰，等.大掺量粉煤灰注浆充填材料试验研究［J］.东南大学学报，2002，32（4）:643-647.

［2］邹友平，张华兴，张刚艳，等.粉煤灰水泥注浆材料主要性能试验研究［J］.煤矿开采，2012，17（4）:15-17.

［3］上官书民，赵 伟，张胜军，等.水泥-粉煤灰注浆材料特性试验研究［J］.煤炭技术，2014，33（4）:246-249.

［4］张刚艳.高掺量粉煤灰水泥注浆材料电学性能研究［J］.煤矿开采，2014，19（4）:92-94.

［5］孙凯华.黄土粉煤灰基新型煤矿充填材料配比试验研究［J］.煤矿开采，2014，19（3）:100-103.

［6］孙凯华.风积砂似膏体煤矿充填材料特性试验研究［J］.煤炭技术，2014，33（5）:262-265.

［7］吕文宏，孙凯华，郑天斌.风积砂在膏体充填材料中的添加研究及应用［J］.煤炭技术，2015，34（10）:9-11.

［8］姜春露，姜振泉，刘盛东，等.多孔岩石化学注浆过程中视电阻率变化试验［J］.中南大学学报（自然科学版），2013，44（10）:4202-4207.

［9］刘树才，刘鑫明，姜志海，等.煤层底板导水裂隙演化规律的电法探测研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（2）:348-356.

［10］葛宝堂，李德春.岩体电阻率观测技术预报顶板失稳的前景［J］.中国矿业大学学报，1993，22（2）:48-52.

［11］邹德蕴，武 超，张绪言，等.应用岩体电阻率预测岩体失稳的可行性研究［J］.煤田地质与勘探，2003，31（1）: 51-54.

［责任编辑：李 青］

Experimental Studying of Resistivity Influence Factors of Grouting Filling Material in Goaf of Coal Mine

GAN Zhi-chao
（Coal Mining&Designing Department，Tiandi Science&Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China）

In order to improve geophysical detection results of grouting results of goaf，then the resistivity of mine goaf grouting filling material was studied.According orthogonal test，the following five factors，such as water-solid ratio，lime-cement quality ratio，additive 1 dosage，additive 2 dosage，stone body curing time to grouting filling resistivity were studied.The experiments showed that grouting material resistivity increase with water-solid ratio decreased，with lime dosage increased，the grouting material resistivity increased firstly，then it appeared first smooth and steady then increased in the end，grouting material resistivity first decreased then increased with curing time increased.The research showed some additive should be add into grouting material，then solid ratio of grouting material could be improved obviously，and free water in material would be decreased，then the apparent resistivity of goaf after filling could be improved，the apparent resistivity difference before and after grouting would be increased，and geophysical detection could be proceeded better.

goaf grouting；resistibity；orthogonal test；cement&fly ash grouting material

TD265.4

A

1006-6225（2016）04-0087-03

2015-11-23

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.023

天地科技技术创新基金（KCSJ-QNCX-2012-03）

甘志超（1983-），男，四川邻水人，助理研究员，主要从事地球物理勘探与煤矿地质灾害防治等方面的研究工作。

［引用格式］甘志超.煤矿采空区注浆充填材料电阻率影响因素试验研究［J］.煤矿开采，2016，21（4）：87-89，141.