煤矿老空区砂土充填材料的试验研究.pdf

I I ] 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Y 3 2 6 5 8 9 8 硕士学位论文 作者姓名 学科专业 导师姓名 完成时间 冯成功 岩 - l - 程 高岗荣研究员冯旭海研究员 二O 七年四月 煤炭科学研究总院研究生院 G r a d u a t eS c h o o Io fC h i n aC o a IR e s e a r c hI n s t i t u t e 万方数据 C h i n aC o a IR e s e a r c hl n s t i t u t e Ad i s s e r t a t i o nf o rm a s t e r ’Sd e g r e e E x p e r i m e n t a lS t u d y o nS a n d F i l l i n gM a t e r i a li nO l dE m p t y A r e ao fC o a IM i n e A u t h o r ’SN a m e C h e n g g o n gF e n g s p e c i a l i t y S u p e r v i s o r - F i n i s h e dt i m e G e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g P r o f ．G a n g r o n gG a o P r o f ．X u h a iF e n g A p r i l1 0 m ，2 0 1 7 万方数据 煤炭科学研究总院学位论文原创声明 本人郑重声明此处所提交的学位论文煤矿老空区砂土充填材料的试验研 究，是本人在导师指导下，在煤炭科学研究总院攻读硕士学位期间独立进行研 究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人己发表或 撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均己在文中 以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名 煤炭科学研究总院学位论文使用授权书 煤矿老空区砂土充填材料的试验研究系本人在煤炭科学研究总院攻读学 位期间在导师指导下完成的学位论文。本论文的研究成果归煤炭科学研究总院所 有，本论文的研究内容不得以其他单位的名义发表。本人完全了解煤炭科学研究 总院关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复 印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和编入中国知识资源总库。本人授权煤炭科学研究 总院，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部 分内容。 本学位论文属于 请在以下相应方框内打“√” 保密口，在，年解密后适用本授权书 不保密日 作者签名蒯脚为I 忙斗月矽日 导师签 期伽／7 年够月矽日 万方数据 摘要 摘要 煤炭作为我国主要的化石能源，具有开采量大的特点。煤炭的大量开采留 下了众多老采空区，给后续生产建设带来了安全隐患。注浆是治理老空区的重 要手段，而注浆材料是影响老空区充填方案实施的重要因素，但是现有的煤矿 老空区充填材料不能与煤矿老空区充填要求相吻合，所以，研发出新的煤矿老 空区充填材料具有现实意义。 选取了煤矿老空区充填材料，并分析了所选取材料的特点。其中，惰性材 料选用了廉价易得的砂土，胶凝剂选用了水泥和胶同粉，添加剂选用了F D N 减 水剂，水取自实验室自来水。并分析了水泥胶结砂土及胶固粉胶结砂土的反应 原理。为满足可注性、扩散范围、结石体强度等要求，评价指标选择了流动性、 析水率、初终凝时间、2 8 d 单轴抗压强度，并对各个指标的取值范围作了分析。 试验分先行试验和规律性试验两大步进行，采用正交试验设计。先行试验 是在规律性试验前做的一个探索试验，目的是通过广范围的配比摸索出可行的 配比区间，为下一步的规律性试验提供参考。规律性试验旨在探索出评价指标 与各因素的关系。 对试验结果进行了分析，并介绍了在实际施工中，在知道浆材的流动性、 析水率、抗压强度的要求后，可根据各个指标汇总后的总图，找到想要的浆材 配比。对比了本试验中配制的浆材与以往工程用浆材在成本上的优劣。水泥胶 结砂土作为煤矿老空区充填材料，与现有的水泥胶结粉煤灰煤矿老空区充填材 料相比，优势不大。胶固粉胶结砂土作为煤矿老空区充填材料，与现有的水泥 胶结粉煤灰煤矿老空区充填材料相比，当胶固粉当地生产时，优势很大，其成 本不到现有材料的三分之二，经济效益可观。 关键词老空区注浆充填材料砂土水泥胶固粉材料配比浆体性 能 万方数据 A b s t r a c t A B S T R A C T C o a la sC h i n a sm a j o rf o s s i le n e r g y , w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a r g em i n i n g ．A l a r g en u m b e ro fc o a lm i n i n gl e f tal o to fo l dg o a f ，t of o l l o w u pp r o d u c t i o na n d c o n s t r u c t i o nh a sb r o u g h ts e c u r i t yr i s k s ．T h i sp a p e ra n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o a l a st h em a i nf o s s i le n e r g yi nC h i n a ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi t se x p l o i t a t i o na n dt h e s e c u r i t yr i s k so ft h eo l dw a s t e l a n dc a u s e db yt h el a r g ea m o u n to fc o a lm i n i n g ． G r o u t i n gi sa ni m p o r t a n tm e a n st oc o n t r o lt h eo l de m p t ya r e a , a n dg r o u t i n gm a t e r i a l i sa ni m p o r t a n tf a c t o ra f f e c t i n gt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h eo l de m p t ya r e af i l l i n g s c h e m e ，b u tt h ee x i s t i n gc o a lm i n ee m p t ya r e af i l l i n gm a t e r i a lc a r ln o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so ft h eo l dc o a la r e af i l l i n gr e q u i r e m e n t s ，I ti so fp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t od e v e l o pan e wc o a lm i n ee m p t ya r e af i l l i n gm a t e r i a l ． T h ep a p e ra n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es e l e c t e dm a t e r i a l s ．A m o n gt h e m ， t h ei n e r tm a t e r i a ls e l e c t i o no fc h e a ps a n d ，g e l l i n ga g e n tu s e dc e m e n ta n dc e m e n t p o w d e r , a d d i t i v e su s e dF D Nw a t e r r e d u c i n ga g e n t ，w a t e rf r o mt h el a b o r a t o r yt a p w a t e r ．A n dt h er e a c t i o np r i n c i p l eo fc e m e n t - c e m e n t e ds a n da n dc e m e n t - c e m e n t e d s a n di sa n a l y z e d ．I no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fp a y a b i l i t y , d i f f u s i o nr a n g ea n d s t o n es t r e n g t h ，t h ee v a l u a t i o ni n d e xs e l e c t e dl i q u i d i t y , w a t e rc u tr a t e ，i n i t i a lf i n i s h i n g t i m ea n d2 8 du n i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，a n da n a l y z e dt h er a n g eo fe a c hi n d e x ． T h et e s ti sd i v i d e di n t ot w os t e p s t h e o r t h o g o n a lt e s t a n dt h e r e g u l a r e x p e r i m e n t ．T h ef i r s tt e s ti sa ne x p l o r a t o r yt e s tb e f o r et h er e g u l a rt e s t ．T h ea i mi st o f i n do u tt h ef e a s i b l er a t i or a n g et h r o u g haw i d er a n g eo fm a t c h i n g ，w h i c hC a n p r o v i d er e f e r e n c ef o rt h en e x tr e g u l a re x p e r i m e n t ．T h er e g u l a r i t ye x p e r i m e n ta i m st o e x p l o r et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee v a l u a t i o ni n d e xa n dt h ef a c t o r s ． T h er e s u l t so ft h et e s tw e r ea n a l y z e d ，a n dt h ea c t u a lc o n s t r u c t i o n ，i nt h ek n o w t h ep u l po ft h em o b i l i t y , w a t e rr a t e ，c o m p r e s s i v es t r e n g t hr e q u i r e m e n t s ，a c c o r d i n gt o t h ev a r i o u si n d i c a t o r sa f t e rt h es u m m a r yo f t h et o t a lm a p ，f i n dt h ed e s i r e dp u l pR a t i o ． C o m p a r e dw i t ht h ep r e p a r a t i o no f t h es l u r r ya n dt h ep r e v i o u sp r o je c tw i t ht h ec o s to f t h em e r i t so ft h ep u l p ．C e m e n tc e m e n t i n gs a n da st h eo l dc o a la r e af i l l i n gm a t e r i a l ， c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n gc e m e n tc e m e n t e df l ya s hc o a lm i n ee m p t ya r e af i l l i n g m a t e r i a l ，t h ea d v a n t a g ei sn o tb i g ．C o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n gc e m e n tc e m e n t e dc o a l a s h ，t h e r ei sag r e a ta d v a n t a g ei nt h el o c a lp r o d u c t i o no fc o l l o i d a lp o w d e La n dt h e c o s ti Sl e s st h a nt h a to ft h ee x i s t i n gc e m e n tc e m e n t e dc o a la s h ．T w ot h i r d so ft h e I T 万方数据 A b s t r a c t m a t e r i a l ，c o n s i d e r a b l ee c o n o m i cb e n e f i t s ． K e yw o r d s O l de m p t ya r e a ，g r o u t i n g ，f i l l i n gm a t e r i a l ，s a n d ，c e m e n t ，c e m e n t i n g p o w d e r , m a t e r i a lr a t i o ，s l u r r yp e r f o r m a n c e 1 1 I 万方数据 目录 目录 第l 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 研究的背景、意义及目的．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．⋯⋯．．⋯．⋯1 1 ．1 ．1 研究的背景．．．⋯．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．1 1 ．1 ．2 研究的意义．．．⋯．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．⋯⋯．．．．．⋯．2 1 ．1 ．3 研究的目的．．⋯⋯．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．⋯．．．⋯．．．．⋯3 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．．．．．．⋯．3 1 ．2 ．1 新采空区充填⋯⋯⋯．．⋯⋯．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．⋯．3 1 ．2 ．2 老采空区充填．⋯．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．⋯4 1 ．3 存在的问题．．．．．．⋯．．．．．．．．⋯⋯．．．．．⋯⋯．．．．．．⋯⋯．6 1 ．4 本文研究目标和内容．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．⋯．．。．．．⋯⋯．7 1 ．4 ．1 本文研究目标．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．⋯．．7 I ．4 ．2 本文研究内容．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．⋯．．．⋯．．．⋯．．7 1 ．4 ．3 本文的研究路线⋯．．．．．．．⋯．．．．⋯．．．⋯⋯．．．⋯⋯．．7 1 ．5 小结⋯⋯．．．．⋯⋯．⋯⋯⋯．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．8 第2 章试验材料选取及原理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．1 试验材料选取．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯⋯1 0 2 ．1 ．1 惰性材料．．⋯．．．．．．．。．⋯．．．．．．．⋯．⋯．．．．．．．⋯⋯1 0 2 ．1 ．2 胶凝剂．．．．⋯．．．．．⋯．⋯．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯⋯1 1 2 ．1 ．3 添加剂．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯⋯1 1 2 ．1 ．4 水．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯⋯1 2 2 ．2 反应原理分析．．⋯．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．⋯．．1 2 2 ．2 ．1 水泥作胶凝剂反应原理．．．⋯⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯⋯1 2 2 ．2 ．2 胶固粉作胶凝荆反应原理．．⋯．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯⋯1 4 2 ．3 小结⋯．．．．．．．．．．⋯．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．1 5 第3 章评价指标选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 3 ．1 流动性．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯⋯．．⋯．．．⋯．．．．．．．．．⋯．1 7 3 ．2 析水率．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．1 9 一I V 万方数据 目录 3 ．3 初凝时间、终凝时间⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．⋯⋯．．．．．．．⋯．2 0 3 ．4 抗压强度．⋯．．．．．．⋯⋯．．．．．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．⋯2 l 3 ．5 小结．．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．⋯⋯．．．⋯⋯．．．．．．．⋯⋯2 l 第4 章先行试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 4 ．1 水泥作胶凝剂．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．．．．．．．⋯．．．2 3 4 ．1 ．1 水泥作胶凝剂先行试验过程．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．⋯⋯⋯2 3 4 ．1 ．2 水泥作胶凝剂先行试验结果分析⋯．．．．⋯⋯⋯．．．．⋯⋯．2 7 4 ．1 ．3 水泥作胶凝剂先行试验结论．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．⋯⋯．．3 0 4 ．2 胶固粉作胶凝剂．⋯．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯．．．．⋯．⋯⋯．．．3 l 4 ．2 ．1 胶固粉作胶凝剂先行试验过程．．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯⋯．．．．3 1 4 ．2 ．2 胶固粉作胶凝剂先行试验结果分析．．．⋯．．．⋯．．⋯⋯．．⋯3 3 4 ．2 ．3 胶固粉作胶凝剂先行试验结论．．．．．．．．⋯．．．．．．．．⋯．．．．．．．3 7 4 ．3 小结⋯．．．．．．⋯．．．．．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．3 8 第5 章规律性试验⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 5 ．1 水泥作胶凝剂规律性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 5 ．1 ．1 水泥作胶凝剂规律性试验过程．．．．．．⋯．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．4 0 5 ．1 ．2 水泥作胶凝剂规律性试验结果分析⋯⋯．．．．．⋯⋯．．．．．⋯4 2 5 ．1 ．3 水泥作胶凝剂规律性试验结论．．．．．⋯．．⋯．⋯．．．．．．．．．．．．4 9 5 ．2 胶固粉作胶凝剂规律性试验⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 2 5 ．2 ．1 胶固粉作胶凝剂规律性试验过程．⋯．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．5 2 5 ．2 ．2 胶固粉作胶凝剂规律性试验结果分析⋯．．．⋯⋯．．．．．．．．⋯5 4 5 ．2 ．3 胶固粉作胶凝剂规律性试验结论⋯．．．．．．⋯．．．．．．．．．．⋯．．6 1 5 ．3 小结．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．⋯⋯6 8 第6 章充填材料的成本对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 6 ．1 水泥胶结粉煤灰充填浆体．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．．6 9 6 ．1 ．1 材料选取．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．⋯．．．．．．6 9 6 ．1 ．2 浆液的性能要求．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．6 9 6 ．1 ．3 浆液的配制及费用．．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．6 9 6 ．2 水泥胶结砂土充填浆体．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．7 0 6 ．2 ．1 材料选取⋯．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．7 0 V 一 万方数据 目录 6 ．2 ．2 浆液的性能要求⋯．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．⋯⋯．．⋯⋯7 0 6 ．2 ．3 浆液的配制及费用⋯．．．．．．．．．⋯⋯．．．．⋯⋯．．．．．．．．．7 0 6 ．3 胶固粉胶结砂土充填浆体．．．．．．．．．⋯．．⋯．⋯⋯．．．．．．．⋯7 2 6 ．3 ．1 材料选取．．．．．⋯⋯．．．．．．⋯．．．．．．⋯⋯⋯．．．．．．．．．7 2 6 ．3 ．2 浆液的性能要求⋯．．⋯．．．．⋯⋯．．．．．．⋯．．．．．．．．⋯．7 2 6 ．3 ．3 浆液的配制及费用．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯⋯．．．．⋯．．7 2 6 ．4 综合对比．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯⋯⋯．．．⋯．7 4 6 ．5 小结⋯．．．．．．．．．⋯．⋯．．．．．⋯．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．⋯．．7 5 第7 章结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 6 7 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．⋯⋯．．⋯．．．⋯．．．⋯．⋯⋯7 6 7 ．2 展望⋯．．．．．．．⋯⋯．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．⋯．．．．⋯．⋯．．7 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 8 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 4 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果⋯⋯⋯⋯⋯．8 6 一V I 万方数据 第1 章绪论 第1 章绪论 1 ．1 研究的背景、意义及目的 1 ．1 ．1 研究的背景 地球上的煤炭资源极其丰富，根据2 0 1 1 年英国石油公司预计，世界煤炭总 储量预计为8 6 9 0 亿吨。根据2 0 1 i 年煤炭产量和煤炭储量L k , { 歹J J 分析，世界已探 明煤炭储量可供开采1 1 2 年“3 。 我国是多煤少气贫油的国家，己探明的一次能源中，煤炭储量占9 6 ％。煤 炭资源为我国的经济建设起到了巨大的推动作用，曾一度被誉为“黑黄金”。我 国煤炭资源的开采量也从改革开放初期的6 ．1 8 亿吨上升到了2 0 1 4 年的3 6 亿吨， 虽然近几年煤炭行业形势严峻，但开采量依然很大，年开采量在3 0 亿吨以上。 煤炭的大量开采给社会生产留下了不可忽视的隐患。采空区的沉陷就是煤 炭大规模开采给环境和社会留下的隐患。我国平均加权采煤塌陷系数为每万吨 煤塌陷O ．2 4 公顷，按此计算，在2 0 0 4 年到2 0 1 3 年的煤炭黄金十年，煤炭产量 由最初的1 9 ．5 6 亿吨上升到3 7 亿吨，全国新出现的或者将要出现的塌陷区面积 至少6 7 万公顷心3 。我国煤炭资源又多分布在中西部地区，其中内蒙古、山西、 陕西、宁夏、甘肃、河南六省的煤炭储量约占全国的5 0 ％。而这些地方年降雨 量少，植被稀少，生态比较脆弱。采空区的沉陷会破坏地表水层，进一步恶化 生态环境，使草场退化、可耕地沉陷、房屋倒塌等，严重影响当地人生命和财 产安全。山西省因煤炭的大量开采遗留下来了5 0 0 0 平方公里的老空区，是全省 领土面积的3 ％，受灾人口达到2 3 0 万人1 。 解决煤炭开采产生的塌陷问题，主要有两种途径，一种是在开采出煤的同 时把产生的空区支护或充填上，这就是煤炭开采所提倡的绿色开采；另一种方 法是对己经存在的采空区进行充填，使其不再继续破坏，也就是老空区充填， 又称作嗣后采空区充填。 “煤炭绿色开采”是煤资源开发与环境保护共同考虑的生产方式，是解决 土地资源破坏和占用、水资源破坏和污染、大气污染等问题的重要途径。采空 区充填是“绿色开采”的重要组成部分阳～⋯。国内在充填开采技术方面研究较多， 已有比较长的历史，大致经历了废石干式充填、水沙充填、尾砂胶结充填、青 体充填等几个阶段，但对老空区的充填技术研究不多旧。。 万方数据 第1 章绪论 采空区的塌陷是一个漫长的过程，从地层出现采空区到最后达到地层应力 平衡，需要几年几十年甚至上百年的漫长过程，在此期间，采空区附近及地表 的任何活动和建设都会存在安全隐患。 近年来，随着新建井筒穿越老旧采空区工程的增加，以及采空区上新建工 业广场、公路、铁路等建 构 筑物的增加，大量的老旧采空区需要进行充填 处理。 1 ．1 ．2 研究的意义 地面钻孔充填是老采空区治理的有效途径。 采空区充填材料是影响老采空区充填效果及可行性的重要因素。评价采空 区充填材料多从材料的性能、经济性以及制取方便性去评价。 老空区钻孔充填材料的性能方面要有一定的流动性，且流动范围可控； 析水率不能过高，以减少复注；具有适当的强度值，能承受地层压力又不会形 成材料的浪费。 目前常用的老空区地面充填材料多是从地面钻孔预注浆充填材料借鉴而来， 充填材料大体是单液水泥浆、水泥水玻璃浆、水泥粉煤灰浆和粘土水泥浆，材 料的性能、经济性及来源不能满足老空区充填治理的要求一“3 。 单液水泥浆存在结实率低、扩散范围较大且结石体抗压强度高等问题；水 泥水玻璃浆存在凝结过快凝结时间难以控制、后期强度下降以及成本较高等问 题；水泥粉煤灰浆是现有充填广泛采用的充填材料，但是随着粉煤灰用途的增 广，以及有些偏远地区粉煤灰运费较高，水泥粉煤灰浆的成本也成了一个不能 忽视的问题；水泥粘土浆存在不脱水、强度较低等问题。 所以，研制出安全、可靠、廉价、易用的老空区充填材料具有重要的理论 和现实意义∞叫∞n 9 22 | 。 大同地区煤炭资源丰富，一个地区往往拥有几个煤层，而上部煤层开采留 下的采空区对下层煤的开采造成负面影响，如立井穿过老空区，立井建设过程 中存在安全问题。地面钻孔预注浆材料虽然能对老空区进行充填改造，但是材 料的很多性能不能与老空区充填要求相吻合，比如材料的扩散范围较大浪费材 料，材料的析水率较大存在再次补注的可能。所以，结合大同地区砂土丰富、 廉价易得的特点，研制出适合大同地区老采空区充填的充填材料，有现实意义。 万方数据 第1 章绪论 1 ．1 ．3 研究的目的 依据大同地区砂土广泛分布的事实，充分利用当地有利条件，用砂土作惰 性材料，配以胶凝剂和添加剂，研制出充填材料，使其强度、流动性和析水率 满足大同地区老空区地面钻孔充填工艺和充填作用及降低成本的要求。 1 ．2 国内外研究现状 采空区充填方法按采空区的年限可分为新采空区充填、老采空区充填。 1 ．2 ．1 新采空区充填 新采空区充填是充填开采充填，它是煤炭开采的一项辅助工序，是开采面 推进后，及时对临空面进行充填支撑。 新采空区充填研究的较早较多，已经有上百年的历史。先后出现了水沙充 填、干法充填、高水充填、膏体和似膏体充填。 水沙充填在建国初期已有研究，但是存在输送中容易离析、充填体强度低、 回采困难等问题，现研究较少心6 2 “。 干法充填指充填过程中不需要水参与的一种充填方法。缪协兴2 0 1 4 年提出 了井下煤矸石分离技术，并利用分离出的废物作为充填材料进行综合机械化固 体充填采煤技术瞳3 2 “。但是，由于干法充填存在缺乏岩层控制理论和完善的设 备支持，充填作业对采煤生产影响大，初期投入大，劳动强度高、工艺复杂等 问题，制约着干法充填的发展和推广心引。 高水材料充填是充填材料中水占有很大的比例。以孙恒虎为代表的课题组， 在1 9 8 9 年研制出了高水速凝充填材料，结晶水的体积比达材料体积的9 0 ％以上， 首创了高水速凝充填采矿新工艺n 8 “⋯。冯光明 2 0 0 9 年 提出了含水体积高达 9 5 ％～9 7 ％的超高水材料，该材料初凝结时间可按需调节，2 8 d 强度可达到0 ．6 6 ～ 1 ．5 M P a 酬。 膏体和似膏体充填是由粗骨料、胶凝剂和水三大部分组成充填材料，为改 善材料的性能也可以加入一些添加剂。膏体和似膏体充填适应性强，应用范围 广，研究也较多。孙恒虎等人对此做了研究，并取得了丰硕成果瞳8 4 “。 万方数据 第1 章绪论 1 ．2 ．2 老采空区充填 老采空区是采区煤采完之后形成的具有一定年限的空区，又称作嗣后采空 区，简称老空区。很多老空区由于年限久远和不规范开采，已经无法查到相关 资料对其详细的描述，所以老空区内部结构极为复杂且很难准确预测。老空区 的充填多是由于它影响到了附近区域或者地表建设，对建设和运营存在安全隐 患，所以才对其治理。而煤矿老采空区治理最主要的手段就是地表钻孔注浆充 填。 老采空区充填治理工程与新采空区充填工程有一定的差异性。老空区充填 材料从流动度、析水率、强度上会与新采空区充填材料有所区别，以达到充填 范围的可控和充填体的有效性。 随着国家经济的快速发展，重大基础设施的建设日趋广泛，铁路、公路、 电网等覆盖更加密集，以前废弃的不被重视的老空区成了这些设施建设和运营 的重大隐患。如，广东梅汕高速横跨废弃的星美井田；马脊梁矿新建副立井工 业场地建在地下侏罗纪煤层采空区上；四老沟矿南阳路工业场地建在侏罗纪煤 层采空区上等等。 老空区的治理是不容忽视的问题。充填注浆作为老空区治理的有效方法， 所以研制出性能优越、经济可行的老空区充填材料很有实用价值。如建井研究 院在山西承接的几个治理项目为了消除马脊梁矿新建副立井工业场地下侏罗 纪煤层采空区的安全隐患，确保广场内井筒建设及使用安全，对侏罗纪煤层采 空区进行了地面钻孔注浆充填；为了消除南羊路工业场地下侏罗纪煤层采空区 的安全隐患，确保广场内井筒建设及使用安全，以及避免新建建 构 筑物建 成后发生较大的下沉、变形以及陷落性破坏，在矿井建设之前对下伏采空区进 行了注浆充填等等。 老采空区充填材料要满足自溜或能泵送的要求，与新采空区充填相比，材 料的研究时间较晚，研究数量较少。 老采空区充填又可以分为冶金矿山老采空区充填和煤矿老采空区充填。冶 金矿山和煤矿根据各自可利用的条件，充填材料又有所区别。 1 冶金矿山中，尾砂作为金属矿开采的副产品，产生量较大而且不容易 安置。所以，对尾砂进行废物再利用，成为冶金矿山老采空区充填的首选。 一Z 【一 万方数据 第1 章绪论 刘凯、汪令辉对无处放置的尾砂进行了分析，并对全尾砂充填实验进行了 研究，分析了不同尾砂的沉降浓缩性晴卜5 2 3 。周华林、王耀针利用废置的尾砂做 惰性材料并分析了其性质，利用水泥做胶凝剂，根据不同配比分析了充填材料 的性能睛3 5 圳。 2 煤矿的老采空区充填材料研究较充填开采充填较晚，多借鉴于地面钻 孔预注浆材料，大体可分为单液水泥浆；水泥水玻璃浆；水泥粉煤灰浆；水 泥粘土浆。近年来随着对老采空区充填研究的增多出现多样化的充填材料n H ⋯。 白昭鹏结合某高速公路下伏采空区注浆治理试验工程，研究了水泥、粉煤 灰速凝剂等对注浆材料的可灌性、初终凝时间、结石体抗压强度等的影响。并 指出浆液结石体不同龄期的结石率、浆液密度和抗压强度等随着浆液中水泥含 量的增加而增大，注浆体的初终凝时间随着浆液中水泥含量的增加而减少。当 掺入水玻璃时，相对于相同配比的注浆浆液，其密度增加，结石率提高，初终 凝时间明显缩短，但结石体的抗压强度减少口引。 彭永良针对铁路经过采空区，利用数值模拟确定不同采空条件下的顶板安 全厚度，得出采空区治理范围。根据室内实验确定了大掺量粉煤灰注浆材配比 的主要参数。并给出了水泥粉煤灰在1 9 、2 8 、3 7 几组配比下充填体强度、 流动度、凝结时间随水灰比、水玻璃参量的变化规律n 7 | 。 周建峰、高晓耕、李生生等针对马脊梁矿副立井和回风立井穿过多层采空 区的问题。在凿井施工揭露煤层采空区前，采用地面注浆充填加固技术，使用 水泥粉煤灰浆液，对采空区进行了治理口8 | 。 李汉光提出高速公路路基穿越采空区，处置不当，地面沉陷导致路基变形， 对其营运质量与结构安全带来危害。注浆法治理采空区，材料选择至关重要。 煤矿采空区治理效果与注浆后形成的结石体强度、结石率、充填率有关。通过 配比实验寻找出结石体强度、结石率、凝结时间、流动度的变化规律，为公路 穿越采空区注浆治理提供依据’7 ⋯。 袁东锋、周禹良等用水泥粉煤灰浆液对碾子沟煤矿副斜井老空突水进行了 治理研究Ⅲ。 贺文、周兴旺等对新型水玻璃化学浆液材料的性能进行了研究博1 。 刘涛、为解决高速公路下采空区隐患问题，采用水泥粉煤灰浆对充填技术 万方数据 第1 章绪论 进行了研究‘7 ⋯。 汪振双对以黄土、粉煤灰、水泥、石灰碱为原料配制的膏体充填材料进行 了强度测试两1 。 姜明阳、张浩强对以建筑垃圾、天然砂、水泥、粉煤灰配制的膏体充填材 料进行了研究瞄6 硎。 1 ．3 存在的问题 煤矿的老采空区充填材料研究较充填开采研究较晚，多借鉴于地面钻孔预 注浆材料，现有的老空区充填材料在流动性、析水率、强度等方面不能满足老 空区充填材料的要求。 煤矿老空区充填材料大体可分为单液水泥浆、水泥水玻璃浆、水泥粉煤灰 浆、水泥粘土浆。 单液水泥浆在注浆加固中应用较多，具有结石体强度高、流动范围广等优 点。但在老空区充填中存在材料浪费、析水率高等问题。 水泥水玻璃浆是一种特殊的注浆材料，在工程堵水中应用效果较好，水泥 水玻璃浆具有凝结时间快，前期强度高的特点。但水泥水玻璃浆体后期强度低， 且用作充填材料存在经济上的问题。 水泥粉煤灰浆是现阶段采空区注浆常用的充填材料。由于粉煤灰是电厂发 电产生的废弃物，所以在周边有火力发电厂的地方采用水泥粉煤灰充填注浆， 充填体成本较低，而且，粉煤灰作为一种改性剂可以改善充填体的性能。但随 着粉煤灰用途和用量的增广，水泥粉煤灰价格有所升高，且在一些区域粉煤灰 不容易得到。工程实践显示，为了保证充填浆体的析水率和流动度等，充填体 还存在强度上的浪费。 煤矿的老采空区充填材料研究较充填开采充填较晚，现有的老空区充填材 料在满足流动性、析水率、强度等方面要求的基础上，还应兼顾因地制宜与经 济性等因素，因此，实现充填材料的多样化是发展方向。 充填材料的性能和经济性是影响采空区充填的重要因素。充分利用当地足 够大量的廉价或废弃资源，是解决经济可行性问题的重要途径。让廉价或废弃 的资源成为满足充填要求的充填材料，将是研究者不懈努力的方向。 一6 万方数据 第1 章绪论 1 ．4 本文研究目标和内容 1 ．4 ．1 本文研究目标 根据西北地区各种砂土廉价易得的条件，研究出以砂土为主要原料的充填 材料，使材料满足充填性能上的要求，得出材料各组分配比对充填浆体性能指 标的影响关系，以期待为以后的工程材料选择和配比提供依据，使砂土普遍分 布地区的采空区充填更加经济和可行嵋8 “⋯。 1 ．4 ．2 本文研究内容 1 先行试验 之所以做先行试验，是因为没有相关砂土作惰性材料的试验数据做参考， 先行试验本着探索发现的精神，摸着石头过河，探索出材料配比的合理范围， 为进一步的规律配比提供依据。先行试验的数据会在试验的过程中及时发生变 化