沿空煤巷用聚合物改性水泥新型喷堵材料研究

沿空煤巷用聚合物改性水泥新型喷堵材料研究
尹清涛，刘引召，高
蕾
（兖矿集团南屯煤矿，山东邹城273500）
摘
要
沿空煤巷在井下潮湿的特殊条件下，巷道表面逐渐风化，锚杆及金属网逐渐锈蚀，氧化严重，容易造成巷道片帮冒顶，漏风严重，影响
了巷道的稳定和使用安全。

通过喷堵材料喷堵解决了沿空煤巷中的漏风、煤壁风化、金属网氧化等技术难题，为煤巷实现安全、低耗、快度施工，提供了技术支持。

关键词
新型喷堵材料
胶凝材料
改性材料
浆液流动性
力学特征
中图分类号TD353+．5
文献标识码
A
doi ：10．3969/j．issn．1005－2801．2012．06．89
*收稿日期：2012－06－28
作者简介：尹清涛（1981－），男，本科，山东省邹城市人，2008毕业于山东科技大采矿工程，现任南屯煤矿计划科技术员。

煤巷在井下潮湿的特殊条件下，锚网支护的巷道表面逐渐风化，沿空煤巷漏风严重；锚杆及金属网也逐渐锈蚀，氧化严重，容易造成巷道片帮冒顶，影响了巷道的稳定和使用安全。

通过对“沿空煤巷用聚合物改性水泥新型喷堵材料研究”，解决了沿空煤巷中的漏风、煤壁风化、金属网氧化等技术难题，为煤巷实现安全、低耗、快速施工，提供了技术支持。

1
新型喷堵材料的研究
结合沿空煤巷的受力及支护后的变形特点，应重点研究解决几方面的内容：（1）研究材料解决或确保喷浆硬化体的封闭效果及密实性，实现堵漏风；（2）研究材料解决或提高喷浆硬化体的延长率及抗折强度，以满足沿空煤巷的变形要求；（3）研究材料浆液的稠度、粘度，能满足喷浆及支护要求；1．1
喷堵材料组成
沿空煤巷聚合物改性水泥新型喷堵材料设计为以水泥为基体材料，以聚合物、矿物掺加料及其它添加剂为增强改性材料，加水拌和凝结硬化后而形成的一种新型材料。

其中水泥和矿物掺加料作为胶凝材料，水与胶凝材料的质量比，称为水胶比；聚合物又称之为改性材料，其在复合材料中所占的比例，可用聚灰比表示，即用聚合物与水泥的质量比表示。

通过对聚合物的选择、使用，对水泥进行改性，以解决材料的密实性、封闭性及微观结构，适用沿空煤巷的变形问题实现堵漏风；通过矿物掺加料及其它添加剂来解决浆液的搅拌稠度、流动度、粘度，改进浆液的喷射问题，同时改进喷堵材料的强度、凝结时间等问题，并改善其它有关参数等。

因此，喷堵材料由：水泥、聚合物乳液、喷浆复合料及水等组成。

喷浆复合料包括：粉煤灰（矿碴）、硅粉（硅灰）、高效减水剂、纤维材料等。

1．2喷堵材料的各组成部分对浆液流动性的影响（1）随着高效减水剂产量的增加，浆液的流动度
及流动性效果增大，但就总体掺量来说，高效减水剂的掺量控制在硅酸盐水泥等胶凝材料质量的1．2 2．8%之间较为合理，此区间改型材料浆液的流动性较好，在190 200mm ，能满足喷浆要求。

（2）喷浆复合料中的粉煤灰、硅灰等矿物掺合料单掺时对浆体的流动性有一定的改善作用。

复合一定量的粉煤灰、硅灰对浆体的流动性有明显改善作用。

共掺时，只要控制好其掺合比例，比单掺对浆体的流动性有较好的改善作用，流动度200mm 以上，掺合比例1．5：1为宜；从流动性方面看：总掺量应控制在硅酸盐水泥质量的10 15%左右综合效果最好。

（3）聚合物的掺入，使浆体的流动性增大，随着聚丙烯酸酯聚合物掺量的增加，高效减水剂的饱和点减小。

聚合物掺入量控制在硅酸盐水泥胶凝材料质量3 6%之间，浆液的黏度500cP ，流动度最好，为200 240mm 。

1．3
喷浆复合料对水泥浆体力学性能的影响（1）高效减水剂的掺量对喷液材料的强度和流动性具有主要影响，存在最佳的高效减水剂掺量使得流动性、强度达到最佳值，约占水泥、粉煤灰及硅灰质量的1．2 2%左右。

否则，过低，影响浆液流动性；过高，则会使强度大幅降低。

（2）喷浆浆体的流动度随着水胶比的增大而增大，强度则随着水胶比的增大而降低。

试验发现：水胶比在0．45左右较为合理。

（3）在浆液中掺入矿渣、硅灰后，浆液硬化后的抗折、抗压强度均有所提高，但掺量过高，会降低强度。

（4）搅拌时间的不同对掺聚合物的浆液硬化后的强度没有太大影响。

1．4
聚合物对材料力学性能的影响
（1）聚合物加入到试件后，使试件的抗折强度提高，抗压强度有所降低，增大了折压比，提高了材料的韧性。

（下转第151页）
4注浆设备
注浆设备，主要包括注浆泵、搅拌机、混合器、止浆塞和配套仪表等。

它是制备和输送浆液的系统，是使浆液进入地层裂隙或孔隙的动力源。

为了适应注浆技术的发展和满足不同条件下的注浆要求，必须研制出更多更好的注浆设备，以期达到注浆机械化，并逐步实现自动化。

此外，合理的选用注浆设备，与注浆工艺和注浆材料配套，也会对工程中的注浆效果产生明显的影响。

因此，在合理选用注浆材料与注浆工艺的同时，要选用合理的注浆设备，并注重新型注浆设备的研究，使其与注浆材料与注浆工艺共同协调发展。

5注浆效果的检验
在岩土工程注浆领域，注浆法应用较多，但对于岩土工程注浆效果的检验还没有一整套行之有效的方法。

通过室内试验，可以得到注浆体的渗透性、注浆体的强度以及注浆体的密实度等一系列的数据，但并不能完全代表实际应用中注浆的效果，尤其在深井筒现场工程中，无法对注浆的效果进行客观的评价，在井筒中只能通过涌水量的大小来进行一个直观的评价，无法得知地层中注浆后的具体情况。

因此，注浆效果的检验也是一个有待探索和研究的课题。

6注浆法凿井展望
纵观注浆法在特殊凿井中应用，注浆法凿井技术的主要研究方向和发展前景主要为：（1）从注浆材料的研究入手，开发经济、高效的注浆材料，一方面扩大注浆的范围，一方面减少施工的成本；（2）一种新的注浆材料的出现，必须有相适应的注浆工艺和注浆设备。

因此，在研究的过程中，要致力于三者共同研究与发展，力求研究出一整套注浆工艺。

（3）研究深井注浆效果检验的方法，提高注浆效率，加快建井速度。

参考文献：
［1］赵士弘，马芝文．特殊凿井［M］．徐州：中国矿业大学出版社．1993
［2］张世芳，李功洲，陈文豹等．永夏矿区深厚冲积层特殊凿井技术［M］．北京：煤炭工业出版社．2003
［3］周兴旺．我国特殊凿井技术的发展与展望［J］．北京：煤炭科学技术，2007，35（10）：10 17
［4］余力，马英明．特殊凿井法在矿井建设中的应用和发展［J］．北京：岩土工程学报，1984，6（3）：1 10
［5］煤炭科学研究院建井所注浆室编，煤矿注浆技术［M］．北京：煤炭工业出版社．1978
［6］刘兴浦．注浆法凿井［J］．北京：北京建井研究所
（上接第149页）
（2）聚合物对水泥的改性机理主要在于：聚合物在材料中以空间三维连续网状结构形成的“微纤维”增强了试件的韧性；聚合物中大量的表面活性物质降低了孔隙率，从而使抗折强度有所提高。

（3）聚胶比控制在3 6%范围时，对抗折强度提高较大，对抗压强度降低幅度较小。

（4）采用的聚合物聚丙烯酸酯乳液，对喷层与金属网等材料的连接，防止钢筋锈蚀和降低渗透等效果相当显著。

2材料配方与浆液的制作工艺
根据以上对材料的试验研究以及各种材料对浆液流动性、力学性能的影响研究，证明由水泥、聚合物、喷浆复合料（粉煤灰、硅粉、高效减水剂、纤维）组成的喷浆料，能够满足沿空煤巷喷堵及施工要求。

2．1材料配方（表1）
表1新型喷堵材料最优配合比
组分名称配比组分名称配比水泥85% 90%B水胶比（水灰比）0．4 0．5
粉煤灰10% 15%B减水剂1．2% 2．0%B 硅灰5% 10%B聚胶比（聚灰比）0．03 0．06
注：B为胶凝材料水泥、粉煤灰、硅粉的质量。

2．2浆液制作工艺
（1）按水胶比的比例，将水加至搅拌筒内。

（2）开启搅拌机，按比例将水泥逐渐从入料口投入搅拌筒。

（3）当水泥与水搅拌均匀或搅拌到5min时，依次将粉煤灰、硅粉、减水剂、纤维投入到搅拌筒内。

（4）当以上粉料快搅拌均匀时，按比例掺入聚合物，继续搅拌至浆液完全释湿，或达到设计稠度或流动度，或浆液在搅拌过程中能在搅拌叶片上挂住浆液时，喷堵浆液制作完成，即可进行浆液的喷射作业工作。

3主要技术经济指标
（1）提高了喷浆材料的致密性，弹性模量降低了37%，粘结强度提高3倍。

（2）改善喷浆材料抗渗性，实现喷浆后对煤壁封闭性好，喷浆厚度小于10mm。

（3）降低成本，比喷射混凝土低150元。

（4）材料抗静电，无毒、无味。

（5）聚合物改性材料的极限延伸率为336ˑ10－6 479ˑ10－6。

（6）堵漏风效果较好。