采空区防堵防漏风轻质水泥泡沫注浆材料的性能研究

武海平

(晋中市煤炭规划设计研究院,山西 晋中 030600)

跨落式开采法在井下形成了大量的采空区,而采空区中的破碎矸石在一段时间之后会在裂隙之间积聚大量瓦斯与积水。若只对采空区进行简单打密闭封堵,会使得内部瓦斯浓度严重超高,产生采空区自燃的威胁,并且如果采空区封堵不完善,则有可能造成废气与废水的泄漏。因此对采空区破碎体进行有效封堵是确保矿井安全生产的一项重要指标,选取经济、有效的泡沫注浆材料是实现矿井安全生产的必要条件[1]。

1 试验材料与特性

本次试验选取材料有水泥、发泡剂与稳泡剂。

水泥采用PC42.5硅酸盐水泥,由于水泥固结之后具有较高的强度,且能够与采空区散碎体形成稳固的褡裢结构,可以起到良好地加固作用[2]。并且水泥在浆液灌注过程中凝结时间较长,具有较强的缓凝作用,采用水泥配置浆液可以保证有足够的灌注时间。

发泡剂从十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠与GS-1复合型发泡剂三种不同的发泡剂中选取。此类型发泡剂与水混合之后,能够发生剧烈的化学反应,形成大量气泡,气泡在上升过程中会受到巨大的液膜强度,从而在气-液表面形成致密的单分子层,当液膜达到平衡状态时,泡沫达到稳定状态,即完成了泡沫的形成过程[3-5]。

稳泡剂由从聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠、黄原胶三种不同的稳泡剂中选取。为了确保泡沫能够长期稳定地存在,可以通过注入以上有机添加物改善气泡表征特性。特性改善之后的气泡能够提高液膜粘弹性,最大限度地减小气泡的透气性;同时可以提高液相粘度,尽可能地降低泡沫的排液速率[6-7]。

2 试验过程与数据分析

试验过程共进行两轮正交试验,第一轮试验在确定水固比为1:1的前提下,对不同发泡剂与稳泡剂性能进行分析,实现采空区有效注浆封堵;第二轮试验在注浆经济的前提下,尽可能地减少材料用量,实现采空区经济注浆封堵。其中发泡剂种类分别为十二烷基硫酸钠、GS-1复合型发泡剂、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠分别标号为A、B、C,浓度水平分别为3 g/L、4 g/L、5 g/L;稳泡剂种类分别为聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠、黄原胶标号为D、E、F,浓度水平分别为1.5 g/L、2.0 g/L、2.5 g/L。

在试验之前需要对浆液加气量进行简单确定。选取水灰比为1:1,十二烷基硫酸钠浓度3 g/L,聚丙烯酰胺2 g/L标准配置,试验过程为先将15 g发泡剂与500 mL清水进行混合,将10 g稳泡剂与4.5 L清水进行混合,待二者完全混合之后,开始搅拌稳泡剂溶液,并缓慢加入5 g水泥并搅拌均匀,此时向搅拌好的溶液中通入气体并缓慢添加稳泡剂溶液,观察实验数据变化情况如表1所示。

表1 浆液加气量实验数据Table 1 Experimental data of air filling capacity in slurry

通过表1可知选取加气量10 L/min最佳,增大至25 L/min时,浆液比重只增大了0.03,密度也只增大了0.02 g/cm3,效果并不是很明显,但是结石率却减小了6.3%。因此,无论从效果还是经济方面选取10 L/min效果最佳。

表2 第一轮正交试验因素水平表Table 2 The first round orthogonal factor level table

由表2和表3可知,试验中的粘度值都处于10 cP～42 cP之间,满足矿井轻质水泥注浆的需求;同类型发泡剂条件下,析水率越小,结实率则呈现出增大的趋势;结石体密度随着水泥浆比重的增长呈现出增长的趋势。在影响注浆效果的各因素的分析过程中,结石率与结石体密度的影响程度最大,因此需要对这两个因素进行极差分析,具体分析如表4所示。

表4 极差分析表(ρ代表结石体密度,β代表结石率)Table 4 Range analysis table (ρ: density of grouting-reinforced stone, β: rate of grouting-reinforced stone)

由表6数据分析可知:影响结石体密度ρ的顺序为Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ,且最优配比为Ⅰ2Ⅱ1Ⅲ2Ⅳ2;影响结石率β的顺序为Ⅰ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅳ,且最优配比为Ⅰ2Ⅱ1Ⅲ3Ⅳ2。通过对比两种情形下的最优配比,在考虑稳泡剂E与F价格的前提下,选取Ⅰ2Ⅱ1Ⅲ2Ⅳ2作为最优配比,即发泡剂B浓度3 g/L,稳泡剂E浓度2 g/L。

为了能够在第一轮试验结果基础上,节约注浆成本,设计第二轮正交试验(表5),尽可能地增大水灰比,并减小发泡剂与稳泡剂的用量,试验二水灰比(Ⅴ)为1:1,1.5:1。发泡剂浓度(Ⅱ)为3 g/L 、2.5 g/L,稳泡剂浓度(Ⅳ)为2 g/L 、1.5 g/L。

表5 第二轮正交试验因素水平表Table 5 The second round orthogonal factor level table

表6 第二轮正交试验数据表Table 6 The second round orthogonal test data table

对上表结石体密度与结实率两个特性指标进行极差分析,得到表7。由表7数据分析可知:影响结石体密度ρ的顺序为Ⅴ>Ⅱ>Ⅳ,且最优配比为Ⅱ1Ⅳ2Ⅴ2;影响结石率β的顺序为Ⅴ>Ⅳ>Ⅱ,且最优配比为Ⅱ2Ⅳ2Ⅴ1。通过对比两种情形下的最优配比,可知在两种指标中,结石率更为重要,因此应当优先选取水灰比1:1,而KⅡ1=0.47,KⅡ2=0.51,二者相差不大,考虑注浆经济性因素,应当选取Ⅱ2Ⅳ2Ⅴ1作为最优配比,即发泡剂2.5 g/L,稳泡剂1.5 g/L,水灰比1:1。

将优化之后的试验配比进行重新测试之后,数据详情如表8所示。

3 结论

通过两次正交分析可以得到最佳的轻质发泡水泥配比为:选取浓度为2.5 g/L的GS-1复合型发泡剂作为发泡剂,选取浓度为1.5 g/L的梭甲基纤维素纳作为稳泡剂、水灰比取1:1,加气量10 L/min。此配比能够满足矿井采空区经济注浆,更能够实现采空区防漏风、漏水的有效封堵。

表7 第二轮极差分析表Table 7 The second round range analysis table

表8 最优配比数据测试表Table 8 Testing data of optimal ratio

参考文献：

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