覆岩隔离注浆充填浆体泌水特性试验研究

张 亮 许家林 轩大洋

(1.中国矿业大学矿业工程学院， 江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221116)

★ 节能与环保 ★

覆岩隔离注浆充填浆体泌水特性试验研究

张 亮1,2许家林1,2轩大洋2

(1.中国矿业大学矿业工程学院， 江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221116)

覆岩隔离注浆充填开采是建筑物下压煤开采的有效方法，充填过程中浆体在压力作用下将出现泌水，泌出水过多时不仅容易导致充填效率低，同时沁水有可能沿断层等结构面溢出，对井下安全生产造成一定影响。为了确定覆岩注浆层位内充填浆体的泌出水量，掌握充填粉煤灰浆体泌水特性与注浆压力之间的关系，采用电液伺服万能试验机和自行设计的粉煤灰浆体压缩仪开展试验研究。试验结果表明，在压力作用下，粉煤灰浆体会持续泌水，泌出速率逐渐降低，直至浆体被压实后停止；粉煤灰固水率随着压力的增加而减小，二者近似呈对数关系。基于试验结果，建立了充填浆体泌水量与注浆充填压力及充填层位深度的关系式。

隔离注浆充填 泌水特性 粉煤灰浆体 固水率

AbstractGrouting filling mining with isolated overburden was an effective method for coal mining under buildings, slurry would bleed under pressure in the course of filling, and excessive bleeding water not only caused low filling efficiency, but also would overflow along the fault planes, which had influence on the safety mining. In order to determine bleeding water yield of slurry in grouting section of the overburden, and grasp the relationship between coal ash slurry bleeding properties and grouting pressure, the electro-hydraulic servo universal tester and self-designed coal ash slurry compression apparatus were used in the experimental research. The results showed that under the pressure effect, the coal ash slurry had a continuous bleeding, the bleeding rate decreased gradually and stopped until the slurry was packed down; fixed moisture rate of coal ash decreased with the increase of pressure, and the relationship between the fixed moisture rate and the pressure was found to be logarithmic. Based on the experimental results, the relation among the bleeding water yield of slurry, grouting filling pressure and the filling section depth was established.

Keywordsisolated grouting filling, bleeding properties, coal ash slurry, fixed moisture rate

覆岩隔离注浆充填技术充分利用了关键层的承载特性，通过合理确定工作面的采宽与隔离煤柱宽度，经地面钻孔对覆岩离层进行高压注浆充填，在工作面中部形成压实支撑区，通过隔离煤柱与压实区联合控制地表下沉。覆岩注浆充填过程中，充填浆体中的小部分水被粉煤灰颗粒束缚成为结合水，其他大多数成为自由水，在流动中运载粉煤灰颗粒。在覆岩应力的挤压作用下，灰体被压实后充填离层，从而控制地表沉陷，而自由水则在注浆过程中不断滤失。自由水泌出过多不仅导致充填效率低，还有可能沿断层等结构面溢出，对煤矿安全生产造成一定的影响，阻碍覆岩隔离注浆充填的连续实施，对粉煤灰浆体泌水量的获得可以指导覆岩合理注浆充填开采工作面。

充填浆体的泌水显然与其所受压力存在着密切的关系，而其所受压力又受到了钻孔深度和覆岩自重影响。若能得到浆体泌水特性与压力的关系式，即可确定特定地质条件和注浆充填工况时的浆体泌水量。有专家对离层注浆减沉中泌出水的渗流规律进行了探究，认为大部分泌出水最终会进入到周围岩体中；另有专家探究了离层中浆体的流动规律，得出了水量泌出和浆体颗粒沉淀的机理。但有关注入到离层中粉煤灰浆体性质的研究较少，尤其是在压力作用下浆体泌水量变化规律的研究更是鲜有报道。本文利用自行设计的粉煤灰浆体压缩仪，在实验室开展了粉煤灰浆体的泌水特性研究，形成了泌水量的计算方法。

1 试验方法与方案

1.1 试验原理与方法

类比粉煤灰浆体在覆岩离层中所处的封闭环境，设计了粉煤灰浆体压缩仪如图1所示，用以模拟岩层中充填浆体的受力与泌水特征。

由图1可以看出，用于盛装粉煤灰浆体的主体浆桶设计为圆筒状，内径为130 mm，外径为140 mm；桶上方为加压用的活塞及立杆，压力机通过这2个装置来使浆体压缩，模拟实际注浆充填层位上方的覆岩应力；桶下方为数层极密的滤网和筛板，在压力作用下仅有水能穿过，而粉灰颗粒则被阻挡，用以模拟可以渗水的覆岩离层上下界面；所滤出的水能够通过排水阀放出至量杯内。

图1 粉煤灰浆体压缩仪

试验所用压力机为最大压力达1000 kN 的MTS C64.106电液伺服万能试验机。试验中，将按照比例配置好的粉煤灰浆体放入浆桶，盖上顶盖，用压力机压缩立杆，同时保持排水阀开启，压力机将自动记录不同时间的压力，人工记录泌水量。

1.2 试验方案

试验用粉煤灰样品取自淮北临涣煤矿覆岩隔离注浆充填工程所用的临涣中利电厂粉煤灰，根据工程实践得出按水灰质量比1.1∶1配成的浆体较为适用于试验，粉煤灰样品如图2所示。

图2 粉煤灰样品

在泌水特性试验中，若压力达到设定的阈值后即刻停止加载，此时压实体中的固留水量并不是最终的固留水量，因此，应维持该阈值压力直至水量趋于定值，即为最终固留水量。这与实际注浆充填工程中浆体受到上覆岩层持续压力作用的力学条件一致。

根据以上分析，确定本试验的加载方式为恒速加载与恒压加载。试验机初始加载速度为0.05 mm/s，达到所设定的阈值压力后，保持压力恒定继续加载，直至浆体不再泌水，可认为此时压实体中水量为最终固留水量。在不同区域开展覆岩隔离注浆充填工程时，注浆层位深度以及上方覆岩容重各有不同，导致充填粉煤灰浆体所受压力不同，故本试验选取了7个具有代表性的阈值压力，阈值压力分别选取4 MPa 、6 MPa 、8 MPa、10 MPa、12 MPa 、14 MPa 和16 MPa进行试验，分别对应于注浆层位深度为160 m、240 m、320 m、400 m、480 m、560 m和640 m(以覆岩容重为2500 kg/m3计)。为测试万能试验机能否按照设计执行试验方案，故将试验最大阈值压力16 MPa的试验进行7次，其它阈值压力各进行1次。试验压力随时间的变化如图3所示。

图3 试验压力随时间的变化

由图3可以看出，在恒速加载阶段，试验压力随着时间增加而逐渐升高，由于活塞与浆桶之间存在摩擦力，前期压力出现些许不平稳，但摩擦力远小于阈值压力，所以并不影响试验结果。当试验压力达到阈值压力后即进入恒压加载阶段，压力基本不随时间变化，但是因为试验机的原因，试验压力会在阈值压力周围轻微震荡。

2 试验结果分析

本试验仅涉及粉煤灰浆体泌水量的计算，不考虑实际地层中岩体对泌出水的容纳能力。由于实际注浆充填工程中浆体浓度不同，即使注入相同质量的干灰，浆体在同一压力下的泌水量也会发生变化，但在同一载荷下，压实灰体中固留水质量与干灰质量之比为定值，本文将其定义为固水率。可见，只要确定固水率与压力的关系后，即可计算出特定工况下浆体的泌水量。

2.1 固水率变化规律

各阈值压力下粉煤灰固水率与压力的变化趋势一致，故以阈值16 MPa作用下的1次典型试验曲线进行分析，典型粉煤灰固水率随压力变化曲线如图4所示。

图4 典型粉煤灰固水率随压力变化曲线

由图4可以看出，在恒速加载阶段，随着压力的增大，粉煤灰固水率减小，且减小速率逐渐降低；当压力达到阈值时，曲线仍有下降空间，即未达固水率极限值；进入恒压加载阶段，受到万能试验机特性的限制，在加载方式切换时瞬时压力会减小1 MPa左右，其持续时间仅为4 s，之后恢复到阈值压力，因此不影响试验结果。在此阶段，粉煤灰固水率继续减小，但相比恒速加载阶段，减小速率已大幅降低，最终浆体停止泌水。因此可以预见，在覆岩隔离注浆充填工程实践中，受到覆岩应力作用，粉煤灰浆体中的水大量泌出，浆体最终被压实，这也得到了钻孔探测的证实。

2.2 固水率的拟合公式

在实际覆岩隔离注浆充填工程中，因为地质条件和采煤方法等因素各异，所以不同工作面的注浆充填层位并不相同，注入离层后浆体所受覆岩应力也有差异。为了建立粉煤灰固水率与灰体承受载荷的对应关系，进行了粉煤灰固水率与压力的拟合关系曲线如图5所示。

由此可发现二者近似呈如下对数关系见式(1)：

η=-0.075ln(P)+ 0.6355

(1)

式中：η——粉煤灰固水率，%；

P——灰体承受载荷，MPa。

虽然试验中使用浆体的水灰质量比为1.1∶1，但是式(1)与浆体的水灰质量比无关，因为任一压力在恒压加载过程中，浆体中的水终会泌出，所以水灰比不会影响压实浆体的固留水量。需要指出，式(1)与试验用的粉煤灰种类密切相关，因而，本试验结果仅适合于淮北市临涣中利电厂粉煤灰，后续还需研究其他灰样固水率的变化规律。

图5 粉煤灰固水率与压力的拟合关系曲线

泌水量计算公式的推导与应用粉煤灰固水率变化规律的重要应用是对粉煤灰浆体泌水量的计算。根据定义，泌水量表示见式(2)：

mbl=mw-mg

(2)

式中：mbl——浆体泌出水质量，g；

mw——注入离层前粉煤灰浆体中水的质量，g；

mg——粉煤灰压实体的含水质量，g。

注浆充填过程中粉煤灰浆体中水量由水灰质量比控制见式(3)：

(3)

式中：α——水灰质量比；

md——干粉煤灰质量，g。

粉煤灰固水率η表示见式(4)：

(4)

将式(1)代入式(4)，可得出固留水量的计算公式见式(5)：

mg=[-0.075ln(P)+0.6355]md

(5)

将式(3)与式(5)代入式(2)，可得出在一定压力下粉煤灰浆体的泌水量见式(6)：

mbl=αmd-[-0.075ln(P)+0.6355]md

(6)

式(6)中充填灰体承受载荷P主要由覆岩岩性(即容重γ)与主注浆充填层位埋深hd决定，可以表示见式(7)：

P=γhd

(7)

式中：γ——容重，kg/m3；

hd——主注浆充填层位埋深，m。

将式 (7)代入式(6)，可得特定注浆层位条件下粉煤灰浆体的泌水量见式(8)：

Vbl=mbl=αmd-[-0.075ln(γhd)+0.6355]md

(8)

式中：Vbl——泌出水体积，cm3。

由此可得出，影响浆体泌水量的因素有水灰质量比、注入干粉煤灰质量和粉煤灰固水率。其中，水灰质量比和干粉煤灰质量的增大必然导致泌水量的增大，粉煤灰固水率随压力的增大而减小，泌水量随之增大。

临涣煤矿实施覆岩隔离注浆充填工程，可根据式(8)设计排水量。开采工作面埋深510 m，注浆充填层位在煤层顶板上方130 m，根据注浆充填层位深度，可以计算出充填灰体所受覆岩压力为9.4 MPa。充填浆体水灰质量比为1.8∶1，日注干灰500 t，考虑最危险状态，若泌出水皆流到工作面，则利用式(8)可确定排水系统的能力需在原有基础上增加27.8 m3/h。

4 结论

(1)研究确定了覆岩隔离注浆充填浆体的泌水特征。在覆岩应力作用下，注入离层的粉煤灰浆体会持续向外泌水，泌出速率逐渐降低，最终趋于稳定，直至浆体被压实后泌水停止。

(2)提出了粉煤灰固水率的概念，设计了粉煤灰固水率的测量方法。得出了粉煤灰固水率与压力近似呈对数关系，据此推导出公式来计算不同深度条件下浆体的泌水量，指导实施覆岩隔离注浆充填的工作面有计划地进行排水。

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(责任编辑 王雅琴)

Experimentalresearchonslurrybleedingpropertiesofisolatedgroutingfillingforoverburden

Zhang Liang1,2, Xu Jialin1,2, Xuan Dayang2

(1. School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China; 2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China)

TD823.7

A

国家自然科学基金青年科学基金(51604258)，江苏省青年科技基金(BK20150194)

张亮，许家林，轩大洋. 覆岩隔离注浆充填浆体泌水特性实验研究[J].中国煤炭，2017，43(9)：121-124，129. Zhang Liang，Xu Jialin，Xuan Dayang. Experimental research on slurry bleeding properties of isolated grouting filling for overburden [J].China Coal，2017，43(9)：121-124，129.

张亮(1992-)，男，河北滦南人，在读硕士研究生，主要研究方向为力学开采。