煤矿竖井充填砂浆组分试验研究与优化

侯永平，冯 巍

(山西平舒煤业有限公司， 山西 阳泉市 045000)

煤矿竖井充填砂浆组分试验研究与优化

侯永平，冯 巍

(山西平舒煤业有限公司， 山西 阳泉市 045000)

平舒矿2#竖井施工采用壁后充填，充填质量将直接影响竖井的稳定性和安全性。为此，对壁后充填施工工艺与方案、砂浆组分及作用进行了充分研究，在此基础上，分别对水灰比、砂石细度、矿物掺和料、减水剂等对砂浆综合性能的影响进行了试验性研究，最终得出了该工程所需的最佳砂浆组分比例为水∶水泥∶砂石∶粉煤灰∶减水剂=309∶684∶1026∶135∶11.7，现场使用效果良好。

煤矿竖井；壁后充填；砂浆组分

0 引 言

煤矿竖井是井下与地面的重要联通通道，具有煤炭转运、人员进出、物料运输和排水通风等作用。随着煤炭开采量和开采深度的增加，竖井的建设量和施工难度也增大。煤矿竖井施工设备发展至今，已基本实现现代化、机械化，生产效率较高。由于不同竖井对应的岩层、地质结构、深度等差异较大，具体竖井施工工艺也需要针对性地研究和制定。

竖井施工流程一般包括：机械钻井、井壁预制、井壁下沉安放、壁后充填。其中，壁后充填是竖井施工的最后一道工序，而充填质量将直接影响竖井的稳定性和后期使用安全性。本文将结合平舒矿2#竖井施工的实际需求，对充填砂浆组分进行试验研究及优化。

1 壁后充填施工工艺与方案

壁后充填主要是将一定配比的砂浆通过注浆设备注入到井壁外侧与岩帮之间，高比重的砂浆将泥浆置换出岩壁间隙，然后通过一定时间的砂浆凝结，使各井壁牢固地与周围岩体结合，保证在井壁下方开拓时，井壁不发生下沉。根据实际生产需要，填充层需满足以下工艺要求：

(1) 填充层以一定速率凝固后，井壁与围岩结为一体，达到井壁固定的主要目的，因此要求填充层具有一定强度；

(2) 填充层在使用过程中要有效隔断含水层与其它地层之间的沟通，防止竖井底部发生涌水事故，因此要求填充层具有良好的抗渗性；

(3) 为防止井壁在周边地层沉降时承受过大的竖直方向载荷，应保证在地层沉降量较大时，填充层可相对井壁滑动，因此要求填充层具有一定的伸缩性；

(4) 为保证填充质量，降低孔隙率，提高抗压强度，要求填充材料在施工过程中具有良好的流动性。

当前广泛采用的竖井壁后填充施工已完全实现机械化和自动化，基本的设备布置和注浆方式如图1所示。

图1 煤矿竖井壁后充填基本施工设备

2 砂浆组分及作用

如图2所示，砂浆主要由水、水泥、砂石、矿物掺和剂(粉煤灰)、减水剂5部分组成，在设备中自动按预设比例进行均混，然后再泵送至井壁与围岩间隙内。砂浆各组成的作用如下：

(1) 水。水与水泥混合后形成水泥浆，可包裹砂石等颗粒，同时填充空隙，润滑利于流通；

(2) 水泥。水泥为粉末状的无机凝胶材料，与水混合后形成浆体，不同标号的水泥以一定的凝结速率在空气或水中发生硬化，若与砂石混合后，则可将其紧实地胶结其中。本次施工采用普通硅酸盐水泥，比表面积350 mm2/kg，抗压强度48.7 MPa；

(3) 砂石。砂石在砂浆中作为受力骨架，可增强水泥凝固体的强度。砂石根据泥浆功能不同而在颗粒度的配制上呈现较大差异。粗砂比细砂的总表面积小，因此与水泥的接触面积也小，不利于强度发挥；而砂石作为主要的混合料，粗砂比例增大可明显减少水泥的使用量，降低施工成本。所以良好的砂石配比可在一定的成本范围内，最大程度发挥砂浆的强度；

(4) 矿物掺和料。本次施工选用粉煤灰作为矿物掺和料。其主要成分为铝硅酸盐，可替代部分水泥，降低成本；同时，其颗粒状态还可改善砂浆的性能；

(5) 减水剂。对于煤矿深井的壁后充填原料，因砂浆运送距离较大，因此运输时间较长。减水剂可在增加用水量的前提下提高砂浆的和易性，延长凝结时间，同时改善砂浆的其它性能。

图2 砂浆组分

3 砂浆组分试验研究与改进

反映砂浆性能的评估参数包括扩展度、流出时间、抗压强度等，本文将通过改变各组分比例来研究最佳的砂浆组分配比。

3.1 水灰比对砂浆性能影响

水灰比是指砂浆中水与粉灰物(包括水泥、粉煤灰)的比例。设计如表1所示的4种砂浆配比进行试验，水灰比分别为0.25，0.3，0.35，0.4。试验结果见表2，可以看出，随着砂浆中含水量的增加，其扩展度增加，流出时间减小，即砂浆的黏度降低、流动性增强。从3 d的初凝强度和30 d后的最终强度数值可以看出，随着含水比例增加，抗压强度逐渐减弱。因此，在选择水灰比时，应综合考虑施工工艺对砂浆的流动性和抗压强度的不同要求。结合平舒矿竖井施工的具体需求，最终选择表1中第2组水灰比作为后续对比试验的基础。

表1 试验砂浆各组分比例(比重)

表2 水灰比试验结果

3.2 砂石细度对砂浆性能影响

在第2组水灰比基础上，保持各对比组的水泥/砂石比例、减水剂比例不变，而改变砂石细度，4组对应砂石细度模数分别为1.5，2，2.5，3。试验结果见表3，可以看出，随着砂石细度模数增加，砂浆流动性变差，且抗压强度规律性降低。综合考虑，适宜的砂石细度应在1.5～2之间。

表3 砂石细度试验结果

3.3 矿物掺和料对砂浆性能影响

矿物掺和料选择粉煤灰，粉煤灰在灰分中比例分别为0,0.1,0.2,0.3，试验结果见表4，可以看出，由于灰状颗粒物的润滑作用，随着粉煤灰比例的增加，砂浆流动性增强，初始抗压强度逐渐降低，但最终强度数值在0.2时达到最大，因此，考虑砂浆综合性能，粉煤灰比例选择0.2。

表4 粉煤灰比例试验结果

3.4 减水剂对砂浆性能影响

使用同样试验方法，由结果可知，减水剂与细砂比例为1.1%时，砂浆整体性能较好。

3.5 砂浆最佳配比

结合以上试验，得出本次施工用砂浆的最佳配比为水∶水泥∶砂石∶粉煤灰∶减水剂=309∶684∶1026∶135∶11.7，经过试验，其各项性能参数如表5所示。

表5 本次施工用砂浆性能参数

4 砂浆现场使用

按以上配比制作的砂浆可将比重为仅1.2的泥浆较好地置换完全，施工总耗时12 h，使用水泥1178t，检查干孔率达到95% 。井壁外观光滑，厚度达标，且未发现严重蜂窝现象，完全满足该矿竖井的设计和使用要求。

5 结 论

结合平舒矿竖井实际施工需要，在对壁后充填施工工艺与方案、砂浆组分及作用进行深入研究基础上，分别对水灰比、砂石细度、矿物掺和料、减水剂等对砂浆综合性能的影响进行试验研究，最终得出了该工程所需的最佳砂浆组分比例，实际施工效果良好。

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2017￣01￣23)

侯永平(1974-)，男，内蒙古丰镇人，助理工程师，主要从事煤矿开采方面的管理工作，Email：592652621@qq.com。