煤基固废制备采空区地表裂缝封堵材料的配比试验

2024-01-26李绪萍张金山董红娟

陕西煤炭 2024年2期

李绪萍,王洁,张金山,董红娟

(内蒙古科技大学矿业与煤炭学院,内蒙古包头 014017)

0 引言

地裂缝填充工艺是将煤基固废和其他资源进行有机结合,运送到地裂缝区域进行填充。这种方法不仅能够有效降低矿产资源的浪费,避免矿产废料对矿井周边生态环境的破坏,也能够通过矿井回填的方式充填采空区,有效缓解了土壤地表下陷现象。充填工艺能有效填充采空区,填充阶段完成后给变形围岩的下降带来有力的支撑点。该工艺既可大大避免施工的变形,又可释放部分积累的内部应力,使重分布应力达到新的平衡状态。采用注浆充填法处理采空区具有对工作面开采效率影响小、经济效益高、工艺简单、安全可靠等优点,有助于实现安全高效开采[1]。

1 工程背景及研究对象

内蒙古某矿在开采过程中由于顶板垮落出现了采空区地面塌陷,产生了大量地表裂缝,其中已发现的较大地裂缝78条,均由地下采煤引起。单缝最长2 000 m,最大宽度2 m,可见深度15 m,群缝最大影响面积0.75 km2。这些裂缝已经严重威胁到周围居民的正常生活,地表裂缝的存在使得周围农民、牧民生活区域受限、出行受阻,从而产生牧民与矿山单位的纠纷,因此对于该区域内的裂缝充填工作迫在眉睫。

国内外针对地表裂缝封堵材料的研究及封堵方案也较为丰富。许刚刚等[2]采用风积砂作为充填骨料,并利用室内试验设备进行对高浓度胶结材料进行物理力学和流变特性测试,以优选出最符合结构强度和输送条件的物料配比。庞建勇等[3]采用了正交试验的新技术,通过检测高掺量超细粉煤灰状态下水泥粉煤灰的各种物理力学性能,最后得出水固比对浆材各项性能的影响最为显著,固相比其次,水玻璃掺量最小。朱世彬等[4]以水泥和粉煤灰为胶结材料,以风积砂作骨材。张欣等[5]利用泡沫混凝土充填煤矿采空区,制备低水泥用量、含粗颗粒煤矸石的泡沫混凝土,研制出了高泡沫稳定性的发泡剂。王晓东[6]则利用湿陷的黄土生产胶结性填充物质,从而减少了填充成本。王青峰[7]采用黄河淤泥生产煤矿填充材料。

2 煤矿地表裂缝成因分析

2.1 地表裂缝成因研究

地表裂缝形成的根源所在是上覆地层的内部关键层的破断,上覆岩地质构造较软、松散层又较厚[8],内部应力在传递过程中遭到抑制,会减少台阶裂缝形成的机会;黄土层抗拉性较差,地表会产生密集分布、无台阶发展的裂缝现象[9]。采空区范围内土壤地表裂缝的发展水平及其范围、宽窄、深浅有关,几何性质主要根据采空区范围的深度、范围、地形、岩性和开采条件等决定[10]。

在平原区和小起伏区,沉降盆地边缘的地面裂缝以采空区为对称中心均匀发育。由于地形的影响,地面裂缝往往不对称。例如,在坡脚开采中,地面裂缝通常只在山坡上发育,而平原下部地面裂缝很少。在黄土地沟壑区和风沙滩区采面土壤的裂缝类型主要包括边界裂缝和平行裂缝。其中,平行裂缝风沙滩区有较明显的土壤充填弥合现象,而黄土沟壑区的弥合现象较不明显[11]。

岩性对地面裂缝发育有影响,脆性岩石形成明显的地面裂缝,如碳酸盐岩、砂页岩等在地表裂缝暴露区容易发现。在松散岩石覆盖区域,裂缝易被充填,不易被识别,从而形成隐伏的地面裂缝。对于较大的塑性粘土,当表面拉伸变形超过6～10 mm/m时,一般会出现裂缝。对于小型塑性砂粘土、粘土砂或岩石,当表面拉伸变形达到2～3 mm/m时,就会出现裂缝。

2.2 研究区地表裂缝成因分析

矿点地处桌子山煤田东南部,地形一般呈南高北低,主要矿点为高原侵蚀性丘陵地形,多数地方为低平丘陵,主要由向北西—向南东的许多梁、凹构成。在新生界广泛分布,基岩零散出现,属沙漠—半沙漠地带,植物资源荒凉。含煤层主要在石炭系地层上统太原组和二叠系下统山西组内。在苛素乌的背斜北侧,主要是一向朝SWW方向歪斜的单斜构造。岩层内部的倾角率比较均匀,通常倾角率在5°～10°之间,但由于受到断裂牵引力的作用,且仅在断裂破碎带附近左右,倾角率就相应上升了。并且还由于受到桌子山煤田等大地构造的作用,在勘探线内仍存在着二个断裂,一组为近南北向,另一组则为近东北向,但通常前者被后者所截断,因此前者规模较大,而后者面积较小。

该矿可采煤层顶板多为泥岩、碳质泥岩,局部出现中、细粒砂岩,多属于半坚硬层状砂质岩类,稳定性较差,煤层顶板抗压强度较低。由于浅层煤层长期开采,形成了采空区,采空区内地层和结构的稳定性主要靠洞壁和支撑柱来维持。但因为自然应力对岩体内部空洞结构的稳定影响,造成局部残余应力较为集中,采空区范围变化很大。如果巷道围岩抗拉强度不能抵消上覆岩体的压力影响,采空区的顶板岩体中的拉应力将会超过岩石的抗拉强度极限,并形成向下弯曲的移动力,从而造成煤层的顶板损伤,采空区地面沉降,土壤地表产生裂纹。

3 充填材料配比试验

3.1 充填材料选取

结合上述分析研究区的地形地貌特点以及地表裂缝的形成原因,地表裂缝所处位置均在丘陵和小山之中,治理过程中所采用的机械设备难以到达现场,利用周边草地的沙土进行填埋,会破坏植被,若采用沙土充填的办法治理具有取土困难、费用高的缺点。

因此可以使用煤基固废制备注浆材料用于充填采空区裂缝,这样不仅可以做到以废治废,变废为宝,具有实际的经济价值和长远的环境、社会效益;还能够很好的解决采空区地面裂缝的问题,为环境的保护及人民的生命财产安全提供重要保障。利用研究区周边某电厂的粉煤灰和脱硫石膏以及42.5硅酸盐水泥,根据影响充填体强度的主要因素、耐久性试验观察到的料浆情况,设计粉煤灰和脱硫石膏掺入量为10∶0、9∶1、8∶2这3组,水灰比分别为1、1.25、1.5这3组,水泥掺入量为5%,共计9组不同材料配比试验。每组试验进行7 d、28 d这2个龄期的强度测试,每个龄期浇注9个试块,共计54个试块。试验采用边长为70 mm×70 mm×70 mm的立方体塑料三联试模模型,终凝后拆模,将试块轻轻放入养护池进行保湿养护,整个过程严格按试验操作规程进行试验。

3.2 充填材料性能要求

充填料浆流动性主要考虑浆液能够在地缝里面流动不堵的情况下,流动度越小越好。充填体具有良好的强度,28 d抗压强度不小于2 MPa,且要具有一定的耐久性能,20个冻融循环抗压强度损失不大于30%。充填料浆制备成本需较低,用粉煤灰作为主要原料降低了生产成本,减少了水泥的用量,且满足强度要求。

3.3 充填料浆流动度测定试验

采用水泥砂浆流动度测试仪对充填料浆流动度进行检测,流动度在流量计中以充填料浆的平均直径(CM)表示,试验过程如图1所示。平均直径越大,代表水泥砂浆的流动度越高,稳定性也越好。充填料浆流动性试验结果见表1。

图1 充填料浆流动度测定Fig.1 Fluidity measurement of filling materials

表1 充填料浆流动性试验结果

从表1可看出,随着粉煤灰添加量的提高,浆液的流动性随之提高。这是因为粉煤灰粒子成球状,表面紧密细腻,有助于提高稳定性。流动性直接影响了注浆的难易和注浆效率。注浆的材料需要具有良好的流动性,但如果流动性太小,就会引起通道阻塞。另外,在一定孔的情况下,裂隙区和采空区空洞无法较好填充,降低了采空区面积填充作用。当流动性太大时,浆液产生了颗粒沉淀、分选、水溶等过程,很容易导致浆液损失过大[12-13]。

3.4 充填体强度配比试验

对每组9个试验块进行单轴抗压强度测试,取其平均值作为一组试验结果,精确到0.01 MPa。在试验中,当单个试验块抗压过大或过小(±20%)时,应将其去除,并计算平均剩余块数,试验过程如图2所示。

图2 充填体单轴抗压强度测定Fig.2 Uniaxial compressive strength measurement of filling materials

粉煤灰和脱硫石膏掺入量对充填体基本力学性质的影响、水灰比对充填体基本力学性质的影响变化规律如图3所示。

图3 不同配比充填体的28 d单轴抗压强度Fig.3 28 d uniaxial compressive strength of filling materials with different ratios

由图3可以发现,当粉煤灰和脱硫石膏配比为10∶0时充填体的单轴抗压强度最大,增加粉煤灰的掺入量可以提高充填体的抗压强度。因此为确保浆液固化后具有更佳的强度效果,可以确定在制备注浆浆液时,使粉煤灰在注浆材料中占据较大比例。随着水灰比的增加,充填体的28 d单轴抗压强度降低,因此可以适量的减小水灰比,选定水灰比为1。

3.5 充填体耐久性能配比试验

对充填体进行耐久性能测试要先将自然养护28 d的试块放入自来水中浸泡24 h后取出,擦干试块表面的水分,再放入冷冻试验机(温度为-18 ℃)冷冻8 h,然后取出放在水中融化8 h,即完成了一次冻融循环。重复上述操作20次,即完成20个冻融循环后,再进行单轴抗压强度测试,计算每个配方试块的强度损失率,强度损失率小于30%为合格。

粉煤灰和脱硫石膏掺入量、水灰比对充填体耐久性能影响变化规律见表2。

表2 充填体耐久性能试验结果

20个冻融循环后强度损失率越小说明充填体的耐久性能越好,试验性能要求20个冻融循环抗压强度损失不大于30%。由表2可以发现,随着脱硫石膏掺入量的增加,强度损失率增加,因此为了提高充填体的耐久性能,应适量减小脱硫石膏的掺入量。同时考虑到现场施工配料的方便,确定充填材料的最佳配方为粉煤灰：水泥为10∶0.5。