矸石基含水层注浆改造新型材料实验与应用

王慧涛，王晓晨，翟明华，李术才，刘人太，李召峰，白继文，张连震，安 洁

(1.山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061; 2.山东能源集团有限公司，山东 济南 250014; 3.山东省标准化研究院，山东 济南 250014)

矸石基含水层注浆改造新型材料实验与应用

王慧涛1，王晓晨1，翟明华2，李术才1，刘人太1，李召峰1，白继文1，张连震1，安 洁3

(1.山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061; 2.山东能源集团有限公司，山东 济南 250014; 3.山东省标准化研究院，山东 济南 250014)

高承压灰岩含水层上煤炭开采，经常需要对强含水层进行注浆改造，因含水层发育规模巨大，注浆材料用量动辄数万吨。在充分利用地下工程址区厂矿企业固体废弃物煤矸石基础上，研发了一种适用于含水层改造的新型无机注浆材料。通过组分筛选试验、力学性质测定试验、获取了材料的抗折强度、抗压强度、渗透系数等宏观力学性能;采用SEM微观分析手段，分析了注浆结石体的微观结构性能。综合力学性能、经济因素、环境效益，对比了新型材料与常规注浆材料的适用性。结合现场试验，验证了新型注浆材料的效果。研究结果表明:在水泥含量为35%时，新型注浆材料的早期强度与后期强度均高于水泥含量为40%时水泥-黏土浆液的同期强度。材料的最佳配合比为水泥30%，黏土10%，煤矸石60%。该材料体系结石体28 d抗压强度3.4 MPa，28 d抗折强度1.7 MPa，渗透系数1.794×10-7m/s，能够满足含水层改造需求，对类似工程具有借鉴作用。

注浆材料研发;力学性能;微观分析;含水层改造

随着我国煤炭产业的蓬勃发展，煤炭资源的开采深度不断增加，高承压水害已成为制约煤炭安全开采的重要问题[1-2]。对高承压水害的治理，常采用注浆法对含水层进行加固与充填改造以确保安全开采。然而，在含水层注浆治理的过程中对注浆材料的需求量十分巨大，大量注浆材料的使用给煤矿开采带来了沉重的经济负担。与此同时，地下工程建设址区各类工矿企业生产中伴随着大量的固体废弃物产出，例如热电厂产出的粉煤灰、炼钢企业产出的钢渣、煤矿产出的煤矸石、金属矿产出的选矿尾砂。这些固体废弃物的产生对环境造成了极大的污染[3-5]。因此，利用工矿企业固体废弃物来研发适用于大型含水层改造的新型注浆材料，对降低注浆材料成本、提高固体废物利用率、保护环境具有重大意义。

目前，注浆工程中常使用注浆材料有以下几种:普通水泥[6]、水泥-水玻璃注浆材料[7-9]、聚氨酯类注浆材料[10-11]以及高聚物改性水泥基注浆材料[13-14]，几种常用注浆材料性能对比见表1。

表1注浆材料性能对比
Table1Performancecomparisonofgroutmaterial

注浆材料类型力学性能耐久性环保性成本水泥浆液强度增长较慢、后期强度高好无污染较低水泥-水玻璃浆液凝胶时间短、前期强度较高较差无污染一般聚氨酯类凝胶时间可控、强度较高好有一定污染较高高聚物改性水泥基注浆材料动水抗冲刷、浆液留存率高、强度较低较差无污染高

以上注浆材料性能各有优势，应用于大规模注浆工程，成本普遍较高。同时，现有注浆材料性能在大型含水层改造工程中存在一定的浪费，如普通水泥28 d强度为42.5 MPa，但作为大型含水层改造应用只需要能够抵抗静水压力(埋深千米的地下工程水压一般<10 MPa)。

在含水层改造注浆材料研究方面，国内外学者也开展了大量研究[12,15-16]，研究主要集中在粉煤灰、黏土、超细水泥或普通水泥等常规材料上，关注不同材料组分配比的抗压强度、凝结时间，忽略了对注浆材料浆液结石体抗渗性能的测试，并且在注浆材料的成本与固体废弃物利用方面也鲜有考虑。在利用工矿企业固体废弃物制备材料方面，大多数的研究[10-11,17-19]可归结为以下3点:① 利用粉煤灰、钢渣等废弃物制备普通硅酸盐水泥及双液注浆材料;② 利用普通水泥、煤矸石、尾砂等制备采空区充填材料;③ 采用普通水泥和黏土作为注浆材料。但尚未采用固体废弃物直接制备注浆材料。

针对上述问题，本文依托白庄煤矿奥灰底板含水层治理工程，综合注浆材料的成本、固体废弃物的利用率、工程的安全性3方面，就地取材，以采煤洗煤过程中产生的固体废弃物过火煤矸石为原料，经粉磨处理后添加普通硅酸盐水泥和黏土，研制出一种新型含水层注浆材料。通过组分筛选试验、力学性质测定试验、微观分析试验研究了材料的物理力学性质。从性能与造价方面，分析了本材料相对于其他几种常规注浆材料优势。结合白庄煤矿奥灰含水层治理工程，对新型注浆材料进行了现场验证，治理效果良好。

1 试验原料与试验方法

1.1 研发目标

对水泥-黏土-煤矸石注浆材料体系进行研究设计时，关键在于煤矸石用量和材料性能之中选取平衡点，重点考虑含水层改造对注浆材料性能的要求，即材料的最终抗压强度大于目标改造区的静水压力、材料的抗渗性可避免由煤炭开采过程中由开挖引起的大规模渗漏水。在满足新型注浆材料物理力学性能的基础之上提高注浆材料体系中的煤矸石含量。

1.2 试验原料

(1)过火煤矸石

所用过火煤矸石为在白庄煤矿矸石山外层随机取样。矸石测试密度1.78 g/cm3，呈土红色，其化学组成见表2。

由表2可知，煤矸石的化学组成具有以下特点:

① 硅含量高，SiO2的含量在50%左右，CaO含量较低，说明以石英质组分为主，活性较低;② 铝含量高，Al2O3含量高达16%以上，说明煤矸石组分较为稳定，活性矿物较少;③ 碱度低，煤矸石(CaO+MgO+K2O+Na2O)/(SiO2+ P2O5)比值较低，属于低碱度矿物。

(2)其他材料

水泥为山水水泥厂生产的PO425水泥，其化学成分见表3，其矿物组成见表4，水泥(水泥粉磨时已掺入了5%的天然石膏，其勃氏比表面积为360 m2/kg)。

表2煤矸石化学组成
Table2Chemicalcompositionofcoalgangue%

SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOTiO2P2O5K2O+Na2OV2O552～6516～362.28～14.630.42～2.320.44～2.410.90～4.000.007～0.2401.45～3.900.008～0.030

表3水泥的化学组成
Table3Chemicalcompositionofcement%

烧失量SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgO0.5619.454.425.8461.724.38

表4水泥的矿物组成
Table4Mineralcompositionofcement%

矿物f-CaOSO3KHSMC3SC2SC3AC4AF连云熟料1.481.500.880.9353.5315.358.0113.44

试验所用黏土为白庄煤矿提供，密度约为1.70 g/cm3，外观呈暗红色，其化学成分见表5。黏土中大部分为氧化物，以硅氧化物和铝氧化物为主，其中还含有少量镁氧化物。

表5黏土的化学成分
Table5Chemicalcompositionofclay%

CaOSiO2Al2O3Fe3O4MgONa2OK2OSO3P2O5Loss1.0670.4014.76—2.29————4.47

1.3 试样材料制备

本试验将采集的大块过火煤矸石原料使用颚式破碎机进行破碎，获得粒径较小的煤矸石样品。采用实验用球磨机分别将粒径较小的煤矸石与黏土粉磨30 min后，取出样品过200目方孔筛，去除较大颗粒及杂质，得到煤矸石粉末与黏土原料,煤矸石粒径分布如图1所示。

图1 粉末30 min后煤矸石粒径分布Fig.1 Coal powder particle size distribution after 30 min

1.4 试验方法

将普通水泥、煤矸石粉末及黏土按一定比例掺合，使用粉末混合器将其充分混合均匀，制得新型注浆材料，进行物理力学性能、抗渗性及微观特性测试。

(1)物理力学性能实验

抗压强度与抗折强度测试:首先称量出定量的水泥与水，将水加入搅拌锅后再加入水泥，开动搅拌锅低速搅拌60 s后，再将机器转至高速再拌30 s。浆液制备完，立即用勺子搅拌几下后，从锅中将浆液装入40 mm×40 mm×160 mm的试模内，刮去超过试模部分的浆液。将试模水平放在养护箱中养护，养护24 h后进行脱模，脱模前，用黑色油性中性笔对试件编号，并标注强度检验的时间，将作标记的试件按要求水平放在20±1 ℃恒温恒湿养护箱中养护，水平放置时刮平面朝上，养护完成后重新测量试件尺寸，强度测试与计算标准按照GB/T 17676—1999进行。测试仪器采用无锡中科仪器有限公司生产的YEW-300B压力试验机。

(2)抗渗性测试

采用泰安路达设备仪器厂生产的HS-40水泥砂浆抗渗仪进行注浆固结体的抗渗性测试。试样尺寸为上口内部直径70 mm，下口内部直径80 mm，高度30 mm。试验时记录渗透水压力、流量及相应时间。测试标准按照GB/T 50082—1999进行。

(3)材料结石体微观测试分析

采用日立公司生产的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。

1.5 材料组分配比设计

为使煤矸石利用率达最大化，减少水泥、黏土等材料的用量，获得满足材料经济型与工程适用性的材料组分最优配比。研究煤矸石含量与新型材料体系宏观力学性能的关系时，煤矸石在新型材料中的掺量比例不低于50%。针对试验设计中所选取的影响因素，共设计19组材料配比，其中前16组用于获得水泥与煤矸石含量对材料体系强度的影响关系，后3组作为对照，比较新型材料注浆材料与传统水泥-黏土注浆材料的强度差别。不同材料试样制备浆液水灰比为1∶1。试验材料组分配比见表6。

表6试验材料组分配比
Table6Groupallocationratiooftestmaterial

实验编号实验配比/%水泥黏土矸石125075225570325106542515605300706305657301060830155593506510355601135105512351550134006014405551540105016401545173070018406001950500

2 注浆材料物理力学性能试验

2.1 不同水泥掺量时浆液结石体强度

材料注入含水层凝胶固化后，随着地下工程施工的进行，需要能够抵抗静水压力，这是材料首要满足的指标，在满足工程安全性的基础上，尽可能增加煤矸石的用量，减少水泥用量。不同水泥用量、不同煤矸石含量下的抗压、抗折强度实验结果如图2,3所示。

图2 新型注浆材料试样抗压强度曲线Fig.2 Compressive strength curves of new grouting material

图3 新型注浆材料试样抗折强度曲线Fig.3 Flexural strength curves of new grouting material

由图2可知，新型材料体系浆液结石体不同龄期的抗压强度，随煤矸石含量的增加呈现降低趋势，但不同配比试样降低趋势较为平缓。当水泥含量为25%时，不同煤矸石含量的结石体试件早期抗压强度差异不大，随着材料体系中水泥含量的增加，不同龄期浆液结石体抗压强度均显著增大。当水泥含量在30%与35%时，浆液结石体早期与后期抗压强度十分接近，后期抗压强度维持在3.4 MPa左右。煤矸石含量在45%时，后期抗压强度达最大值为4.67 MPa。

由图3可以看出，在相同水泥含量下，浆液结石体3和28 d的抗折强度均随着材料体系中煤矸石含量的增加呈明显降低趋势。当煤矸石含量为75%时，浆液结石体强度达最小值。随着水泥含量的增加，浆液结石体抗折强度显著增大。当水泥含量超过35%时，不同龄期抗折强度增大幅度尤为明显，煤矸石含量为45%时，浆液结石体28 d抗折强度可达2.2 MPa。水泥含量在低于35%时，煤矸石含量对各配比试样后期抗折强度影响规律相似。当煤矸石含量超过60%时，煤矸石含量对浆液结石体强度弱化幅度虽有所下降，但此时结石体强度均小于60%时的强度。

由表7可以发现，随着水泥含量的增多，注浆材料结石体各龄期强度均不断增强。与水泥含量相同的水泥-黏土-煤矸石试样相比，其早期强度相差不大，但中后期强度存在较为明显的差异，由此可知，在材料体系中掺入煤矸石，可以充分发挥煤矸石含有的潜在活性组分，有效提高材料的后期强度，保证注浆治理效果。

表7水泥-黏土浆液浆液结石体物理力学性能
Table7Physicalandmechanicalpropertiesofcementclaygrout

试验编号材料配比/%水泥黏土抗折强度/MPa3d7d28d抗压强度/MPa3d7d28d1730700.460.570.860.681.162.071840600.530.741.191.071.543.041950500.861.251.681.822.513.46

综上分析，水泥含量与煤矸石含量在材料组分中的关系决定着新型注浆材料的强度。过火煤矸石含有SiO2和Al2O3，能与水泥水化后产生的Ca(OH)2发生反应生成凝胶体，水泥含量的增加或煤矸石含量的减少，使凝胶固结体的生成量相应增加，提高了材料黏聚力和强度。材料体系中水泥含量为25%或煤矸石含量高于60%时，材料体系强度明显较低，无法满足工程中抵抗静水压力的要求。水泥含量为40%的材料结石体强度虽高但经济性相对于低掺量试件不明显，并且低水泥掺量试件如35%，30%的试件强度虽低于40%掺量的试件，但同样可以满足工程需求。考虑材料经济性，新型注浆材料中水泥初步优选含量为30%左右，煤矸石最优含量为60%左右。

2.2 注浆材料水化试样的SEM分析

图4,5为煤矸石含量为60%时，不同水泥含量的SEM测试结果，由图4可知，在水化反应3 d时，25%水泥试样早期针状的明显较少，且内部结构较为松散。25%和30%水泥试样水化反应初期，强度矿物数量逐渐增加，凝结矿物开始包裹针状的Aft矿物，说明水化反应并未反应完全，宏观强度仍将处于上升阶段。伴随养护时间的增加，由28 d的SEM照片可知，强度矿物数量与胶凝性矿物将针状的AFt包裹数量明显提高，结构的致密性增强，孔隙率较低，水化反应充分。相较于30%水泥试样，25%水泥试样结构特性明显劣于30%水泥试样，因此，其宏观性能较差，与强度测试结果吻合。所以，当煤矸石含量一定的情况下，应当尽量提高水泥含量保证材料结石体微观结构的致密性，从而提高材料强度特性。

图4 浆液结石体3 d SEM照片Fig.4 SEM images of slurry stone body in 3 d

图5 浆液结石体28 d SEM照片Fig.5 SEM images of slurry stone body in 28 d

2.3 浆液结石体抗渗性测试

在材料注入含水层后，随着地下工程开挖会逐步形成临空面，需要材料具有一定的抗渗性，在避免地下工程渗漏水量过大的同时也保障了工程安全。为了进一步优选材料体系中水泥与煤矸石的含量，选取了强度分析中典型配比试样，分别测试其水化28 d试样的抗渗特性，结果见表8。

表8试样水化28d后抗渗性测试结果
Table8Impermeabilitytestresultsof28daysafterhydration

试样编号试样厚度/mm透水压力/MPa透水时间/s透水量/mL渗透系数/(10-7m·s-1)4220.028306362.4037230.031301281.79411220.033303291.65913210.034305291.52717210.029305342.09918210.032303311.746

分析表8可知，在水泥-黏土-煤矸石体系中，随着水泥含量的增加，试样承受的水压越高，同时浆液结石体的渗透系数不断减小，这也与前述材料的水化特性相符。当水泥含量低于30%时，浆液结石体抗渗性随着水泥含量降低衰减显著，当水泥含量高于30%时，水泥含量升高对抗渗性提高作用不大。与水泥-黏土-煤矸石体系相比较，水泥-黏土浆液凝结硬化后抗渗性较差，说明煤矸石的加入，能有效提高结石体的致密度和抗渗性。

通过以上注浆结石体物理力学性能及微观结构分析，确定新型无机注浆材料由水泥、煤矸石、黏土3种组分构成，注浆材料的最佳含量配合比水泥30%左右，黏土10%左右，煤矸石60%左右。

3 新型注浆材料适用性分析

从强度、抗渗性、经济效益、环境效益4个方面，对比水泥浆液、水泥-黏土浆液(水泥含量30%)、新型注浆材料，分析材料的适用性。

由表9可知:在水泥-黏土浆液能够满足工程需求的前提下，新型复合注浆材料具备同样的技术替代性，且早期和后期强度均高于水泥-黏土浆液;同时3种材料的抗渗性能较为接近，新型注浆材料略具有优势。新型注浆材料经济性明显优于另两种材料，并且新型注浆材料可以有效消化矿山周围堆弃的煤矸石，减少对环境的危害，减轻煤炭企业对环境的污染。

表9新型注浆材料适用性分析
Table9Applicabilityanalysisofnewgroutingmaterial

浆液类型水泥浆液水泥-黏土浆液新型注浆材料成本/(元·t-1)4001481393d抗压强度/MPa2.000.681.267d抗压强度/MPa2.301.161.9128d抗压强度/MPa9.002.073.41渗透系数/(10-7m·s-1)2.2～2.82.11.8

4 工程应用

4.1 工程背景

山东肥城矿业集团白庄煤矿8812工作面开采工程中，开挖掘进时直接揭露奥灰底板含水层，导致开采范围15 m内出现大面积涌水，总涌水量为70 m3/h，。通过钻探与物理探测发现，8812工作面靠近运输巷一侧下方电阻率较轨道巷下方电阻率低，为主要含水区域，含水区域赋存深度30～80 m，富水性强，导水裂隙发育，节理裂隙发育方向大致为类似X型共轭节理。为保证煤矿安全开采，对富水区进行注浆治理。

4.2 治理方法

针对物探结果中的工作面及含水区开展注浆改造，将奥灰含水层注浆工作面钻孔以扇形均匀布置，相邻钻孔间距不大于30 m，重点考虑巷道开切眼、终采位置及构造处等关键区域。工作面注浆钻孔平面布置，如图6所示。

图6 8812工作面注浆钻孔布置Fig.6 Grouting layout of working face 8812

在钻探与注浆改造施工中，对钻场围岩加固、钻孔塌孔遇水及封堵充填裂隙采用新型注浆材料。在地面注浆站制备奥灰含水层新型注浆材料浆液后，通过井下注浆管路连接到工作面注浆孔进行注浆。注浆过程中，选用组分配比为水泥30%，黏土10%，煤矸石60%的新型注浆材料，其水灰比在区间0.9～1.1调整，根据现场跑漏浆情况，适当降低水灰比。注浆时使用低档位，根据压力大小调节适当的档位，钻孔注浆压力达设计压力时，注浆结束的钻孔用纯水泥封孔，注浆设计终压为3 MPa。注浆施工现场如图7所示。

图7 注浆施工现场Fig.7 Construction site of grouting

4.3 治理效果分析

治理区域经过4次循环注浆后，注浆终压达到3 MPa。对涌水区域钻孔检测，未发生涌水。认为通过新型材料的注入，对含水层起到了充填加固的作用。如图8所示，采用新型注浆堵水材料注一序孔过程中，渗压计监测数据变化值较小，二序孔注浆过程中监测水压呈台阶式增长，这是由于二序孔针对特定出水区域注浆封堵出水点，水压随二序注浆孔注浆而增加，说明注浆效果明显。

图8 新型注浆材料渗压计SY-1监测Fig.8 Monitoring data of new grouting material SY-1

5 结 论

(1)以采煤过程中产生固体废弃物煤矸石，制备的新型注浆材料其力学性能与微观结构良好，组分最优配比为:水泥30%，黏土10%，煤矸石60%。能够满足工程防治水需求，具有较高的适用性和经济性。

(2)新型注浆材料在水泥含量为25%时早期强度较低，随着材料养护时间的增加，煤矸石内部潜在的活性矿物充分水化，浆液的结石体强度显著提高。在水泥含量为30%时，其早期强度与后期强度均高于水泥含量为40%时水泥-黏土浆液的同期强度。

(3)材料微观分析结果表明，材料体系中加入煤矸石，可以有效提高试样水化后的矿物种类及水化程度，并可有效提高材料的后期强度。

(4)在新型注浆材料体系中，随着水泥含量的增加，结石体承受水压的能力增强，当水泥含量高于30%时，水泥含量的增加对结石体抗渗性的提高作用不显著。煤矸石原料的加入可有效提高结石体的致密性和抗渗性。

[1] 赵庆彪，赵兵文，付永刚，等.大采深矿井地面区域治理奥灰水害关键技术研究[J].煤炭科学技术,2016,44(8):14-20.

ZHAO Qingbiao,ZHAO Bingwen,FU Yonggang,et al.Research on key technology to control ordovician limestone water disaster on surface region of deep mining depth mine[J].Coal Science and Technology,2016,44(8):14-20.

[2] 赵庆彪，毕超，虎维岳，等.裂隙含水层水平注浆“三时段”浆液扩散机理研究及应用[J].煤炭学报，2016,41(5):1213-1218.

ZHAO Qingbiao,BI Chao,HU Weiyue,et al.Study and application of three-stage seriflux diffusion mechanism in the fissure of aquifer with horizontal injection hole[J].Journal of China Coal Society,2016,41(5):1213-1218.

[3] 袁先乐，徐克创.我国金属矿山固体废弃物处理与处置技术进展[J].金属矿山，2004(6):46-49.

YUAN Xianle,XU Kechuang.Advances in solid waste treatment and disposal technology for China’s metal mines[J].Metal Mine,2004(6):46-49.

[4] 郭新伟，徐志胜，王薇，等.小城镇固体废弃物处理调查研究[J].安全与环境学报，2005，5(4):83-85.

GUO Xinwei,XU Zhisheng,WANG Wei,et al.Investigation and research on solid waste management in townships[J].Journal of Safety and Environment,2005，5(4):83-85.

[5] CHUGH Yoginder P,BEHUM Paul T.Coal waste management practices in the USA:An overview[J].International Journal of Coal Science & Technology,2014,1(2):163-176.

[6] 阮文军.注浆扩散与浆液若干基本性能研究[J].岩土工程学报,2005,27(1):69-73.

RUAN Wenjun.Research on diffusion of grouting and basic properties of grouts[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2005,27(1):69-73.

[7] 刘人太.水泥基速凝浆液地下工程动水注浆扩散封堵机理及应用研究[D].济南:山东大学,2012.

LIU Rentai.Study on diffusion and plugging mechanism of quick setting cement based slurry in underground dynamic water grouting and its application[D].Jinan:Shandong University,2012.

[8] 李术才，刘人太，张庆松，等.基于黏度时变性的水泥-玻璃浆液扩散机制研究[J].岩石力学与工程学报，2013,32(12):2415-2421.

LI Shucai，LIU Rentai，ZHANG Qingsong,et al.Research on c-s slurry diffusion mechanism with time-dependent behavior of viscosity[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013,32(12):2415-2421.

[9] 肖尊群，刘宝琛，乔世范，等.碳酸钙-酸性水玻璃注浆材料对比试验[J].中南大学学报(自然科学版),2010,41(6):2305-2312.

XIAO Zunqun,LIU Baochen,QIAO Shifan,et al.Calcium carbonic acid-acid water glass grouting material and comparing test[J].Journal of Central South University (Science and Technology),2010,41(6):2305-2312.

[10] 冯志强，康红普.新型聚氨酯堵水注浆材料的研究及应用[J].岩土工程学报,2010,32(3):375-380.

FENG Zhiqiang,KANG Hongpu.Development and application of new waterproof grouting materials of polyurethane[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2010,32(3):375-380.

[11] 杨绍斌，董伟，周晓谦，等.矿用聚氨酯注浆材料阻燃及加固性能研究[J].中国安全科学学报,2012,22(8):48-53.

YANG Shaobin,DONG Wei,ZHOU Xiaoqian,et al.Study on flame retarding and reinforcement properties of mine polyurethane grouting material[J].China Safety Science Journal,2012,22(8):48-53.

[12] 洪晓东，杨东旭，周莹.改性脲醛树脂注浆材料的制备及性能研究[J].材料导报,2013,27(8):117-119.

HONG Xiaodong,YANG Dongxu,ZHOU Ying.Study on preparation and performance of modified urea-formaldehyde resin grouting materials[J].Materials Review,2013,27(8):117-119.

[13] 刘人太，李术才，张庆松，等.一种新型动水注浆材料的试验与应用研究[J].岩石力学与工程学报,2011,30(7):1454-1459.

LIU Rentai,LI Shucai,ZHANG Qingsong,et al.Experiment and application research on a new type of dynamic water grouting material[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(7):1454-1459.

[14] 李利平，李术才，张庆松，等.一种新型高分子注浆材料的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2010,29(S1):3150-3156.

LI Liping,LI Shucai,ZHANG Qingsong,et al.Experimental study of a new polymer grouting material[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(S1):3150-3156.

[15] 许光泉，严家平，夏小亮.矿井底板突水新型注浆材料配比优化试验[J].煤炭科学技术，2010，38(12):22-24.

XU Guangquan,YAN Jiaping,XIA Xiaoliang.Optimization experiment on mixing ratio of new grouting material to prevent mine in floor water inrush[J].Coal Science and Technology,2010，38(12):22-24.

[16] 李飞.粉煤灰注浆材料在矿井防治水中的运用[J].煤炭技术，2005，24(1):111-112.

LI Fei.Application of fly ash grouting material in mine water prevention and control[J].Coal Technology,2005，24(1):111-112.

[17] 胡曙光，王红喜，张高展，等.工业废渣注浆材料的抗溶蚀性能[J].硅酸盐学报，2007，35(4):473-477.

HU Shuguang,WANG Hongxi,ZHANG Gaozhan,et al.Corrosion resistance performance of grouting materials manufactured from industrial wastes[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2007，35(4):473-477.

[18] 张高展，丁庆军.水玻璃-工业废渣双液注浆材料的研究与应用[J].现代隧道技术，2007，44(4):79-84.

ZHANG Gaozhan,DING Qingjun.Research and application of a two-component grouting material with sodium silicate and industrial residue[J].Modern Tunnelling Technology,2007，44(4):79-84.

[19] LI S C,LI Z F,SHA F,et al.The development of new composite material for the grouting treatment of ordovician limestone aquifer and performance tests[J].Material Research Innovations,2015,19(S1):252-255.

Experimentandapplicationofnewmaterialforgroutingofganguebasedaquifer

WANG Huitao1,WANG Xiaochen1，ZHAI Minghua2，LI Shucai1，LIU Rentai1，LI Zhaofeng1，BAI Jiwen1，ZHANG Lianzhen1，AN Jie3

(1.GeotechnicalandStructuralEngineeringResearchCenter,ShandongUniversity,Jinan250061，China; 2.ShandongEnergyGroupCo.,Ltd.,Jinan250014,China; 3.ShandongInstituteofStandardization,Jinan250014,China)

Coal mining in the aquifer with high bearing pressure often needs to carry out the transformation to the strong aquifer.Tens of thousands of tons of grouting material are used because of the large scale of aquifer.Based on the modification mechanism of inorganic composite,a new type of inorganic grouting material is developed by using solid waste in mine and thermal power plant.The optimum mixture ratio of new material system is obtained by the laboratory test.The flexural strength,compressive strength,permeability coefficient of different composi-tions are tested,combining with the grouting engineering to select ratio.The microscopic structural performance of grouting stone body is tested by the micro analysis means of XRD and SEM.The mechanical properties,economic factors and environmental benefits are compared,and the applicability of the new materials and conventional grouting materials is compared.The results show that the cement content is 35%,the early strength and later strength of the new grouting material are higher than that of the cement clay slurry at the same time when the cement content is 40%.The cement content is 30%,the clay content is 10%,the coal gangue content is 60%,with appropriate content water reducing agent and accelerator.As for composite material stone body (28 d),the com-pression strength is 3.4 MPa,the flexural strength is 1.7 MPa,and the permeability coefficient is 1.794×10-7m/s.The results meet the requirements of aquifer grouting reconstruction,which is expected to offer some reference to similar projects.

development of grouting material;mechanical property;microscopic analysis;aquifer reformation

王慧涛，王晓晨，翟明华，等.矸石基含水层注浆改造新型材料实验与应用[J].煤炭学报,2017,42(11):2981-2988.

10.13225/j.cnki.jccs.2017.0582

WANG Huitao，WANG Xiaochen,ZHAI Minghua,et al.Experiment and application of new material for grouting of gangue based aquifer[J].Journal of China Coal Society,2017,42(11):2981-2988.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.0582

TD353

A

0253-9993(2017)11-2981-08

2017-04-28

2017-08-24责任编辑常明然

国家重点研发计划资助项目(2016YFC0801604)

王慧涛(1981—)，男，山东德州人，博士研究生。E-mail:18653157650@163.com。

刘人太(1984—)，男，山东威海人，副教授。E-mail:rentailiu@126.com