（岩土工程专业论文）高水速凝材料应用于软土地基处理的基础性研究.pdf

淅江大学博士学位论文 提要 要而研制出的一种新型固体皎结材料，它 可泵时间长；良好的塑性特性： 极限荷裁后强度再发展性能。因而高水速凝材料在煤炭系锣口泛匣硐于沿空留巷巷旁充填、 嗣岩壁后充填、围岩注浆加固、矿井防灭火、矿井堵水以及金属矿山的全尾砂胶结充填。卜，一 高水速凝材料虽然在煤炭和冶金系统得到了较广泛的应用，取得了较好的技术经济效 蔬：然而在交通、建筑、水利以及其它领域还未曾使用过。为了描俯闱高水速凝材料，本 文对高水速凝材料软土的基本性状以及应用可行性进行了详细深入的研究。 笑系的不同也大致分为 软士强度影响四因素中 坏。在高水速凝材料 本文对高水速凝材料一软土微观特征的研究表明，纯士的土颗粒之间只有原生矿物的几 何堆积，而没有牢固的连接。但高水速凝材料的加入。彻底改变了十体结构。牲高水速凝材 料擞十凝同体中，- 2 - f l * 结构为钙矾石结晶体形成的“空间网状结构”；辅助结构为在碱性环 境中士颗粒之间的离子交换、团粒化作j _ ；j 和碳酸化作用所形成的微品体与凝胶体结构。 、一 本文对高水速凝材料软士硬化机理的研究表明，高水速凝材料软士的硬化过程可分为 三个阶段。献化 容解阶段：主要为高水速凝材料的甲、乙料分别与水的溶解、维持平衡 阶段：胶凝嘲化阶段：主要为高水速凝材料的水化反应生成钙矾打晶体以及j 。颢粒在碱 性环境中发生离子交换和团粒化作圳：强度增长阶段：钙矾= 仃品体相互连接，人量吸收 周同环境中的水分，并将水分变成自己的结品水；水化残余物氢氧化钙在水中和空气中发生 碳酸化作用。r 通过对高水速凝材搴 - 软士系统的研究可以认为高水速凝材料的主要应h j 途径为： 软彻口固。主要采用深层搅拌法、高压喷射注浆法等来加同软土地基：防渗抗渗。主要 采川灌浆法来处理堤坝、深基坑以及其它岩t l 程的防渗抗渗。此外，高水速凝材料还可以 应肘各种抢险： 程。本文匿对不同类型、不j 司施1 ：目的的岩土i ：撑设计了较为台理的高水速 蒯啉4 配合比、施上工艺系统以及操作步骤，极大地方便了高水速凝材料的工程应j 1 j 。 关键词：高水建藏材料力学洼能软土加固徽现结构硬化机理灌装防渗抗渗 。些查兰丝兰兰丝圭坠 s t u d i e so nt h e a p p l i c a t i o n o ft h eh i g h - w a t e r - c o n t e n t a n d q u i c k - s e t t i n g m a t e r i a l st os o f ts o f tg r o u n d i m p r o v e m e n t a b s t r a c t t h e 珏曲一w a t e i 圯。曲斌a n dq u i c k - s e t t i n g m a t e r i a l sa r ean e wk i n do f c e m e n tw i t h m a n yu n i q u ep r o p e r t i e s ：1 h i g hw l 盐e rc o n t e n l2 q u i c ks e t a n gm a ds t r e n g t h e n i n g 3 1 0 n g p t m a p a b i l i t yt i m e 4 g o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，5 t h ep r o p e r t yo fr e - d e v e l o p i n g s t r e n # l e na 胁u l t i m a t el o a d i n g b e c a u s eo f a l lt h e s e t h em a t e r i a l sh a v eb e e nw i d e l y u s e di nc o a lm i n i n gs u c ha sr o a d s i d ep a c k i n ga l o n gt h ec o n s e r v e dr o a d w a y s u p p o r t b a c k f i l l ，s i 】妇d 妯gr o c kg r o u t i n gr e i n f o r c i n g ，f i r ep r e v e n t i o na n d 既血增1 1 i s l l i n ga f i r e i nr n i n e s ，b l o c k - u p - w a t e r g r o t i n gi nm i n e s , a n dt a i l i n ，g sc e m e n t i n gf i l l m _ gi nm e t a l l i c o r em i n e s a l t h o u g hh a n g b e e n w i d e l y u s e di nc o a la n dm e t a l l u r g ys y s t e m sw i t hr e m a r k a b l e t e c h n i q u e 瓤缸e c o n o m yb e n e f i t s , h o w e v e rt h em a t e r i a l sh a v e l o ty e t 卸p p l i e di n g e o t e e h n i e a la 堆j r i e e 血l g i no r d e rt oe x t e n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ei r l a 痢a l s ，蚰 i n t e n s i v es t u d yh a sb e e nm a d eh e r e i no nt h eb a s i cb e h a v i o ro fs o f tc l a yw i t ht h e m a t e r i a l s 觚at h ea p p l i c a t i o nf e a s i b i l i t yo f t h e s e 均l c 础i n g e o t e e h n i c a le n g i n e e r i n g t h ec o n s o f i d a t e ds o f ts o i lm i x e dw i t hm a t e r i a l ss t i l lr e m a i n sas o u n dp l a s t i c i t y , w h o s e s t r e s s s t r a i n c u r v e a n d f a i l u r e m o d e v a r y w i t h t h e a d d e d m a t e r i a l sr a t i o , c wr a t i o ， c o n f i n i n gp r e s s u r ea n dt h el i m eo f s e t t i n g h o w e v e r ，t h ec u r v ec a nb eg e n e r a l l yd i v i d e d i n t ot h r e e t y p e s ：s w a i ns o f t e n i n g ，s t r a i nh a r d e n i n g a n db r i t t l em a t e r i a l s f u r t h e r m o r e ，t h e f a i l u r em o d eo ft h es o f ts o i lw i t ht h em a t e r i a l sc a nb ed i v i d e di n t ot h r e et y p e s ：t h e p l a s t i cs h e s xf a i l u r e ，b r i t t l es h e a rf a i l u r ea n db r i t t l ef a i l u r e o ft h ef o u rf a c t o r sw h i c h a f f e c tt h e s t r e n g t ho f t h ec o n s o f i d a t e ds o f ts o i l - m a t e r i a l s ，t h em o s te f f e c t i v ei st h ea d d e d m a t e r i a l sr a t i o t h e s t u d y o i lt h em i c r o s t m c t u r eo f m es o f ts o i lw i t ht h em a t e r i a l ss h o w st h a t t h e r e o n l ye x i s t st h eg e o m e t r i c a ld r i f to fs e d e n t a r ym i n e r a l sw i t h o u tf i r mc o n n e c t i o na m o n g t h ep u r es o i ll 埘t i c l e s h o w e v e r , t h es o i ls t r u c t u r ec o m p l e t e l y c h a n g e dw i t hm a t e r i a l s a d d e dt oi ti nt h ec o n s o l i d a l e c ls o f ts o f t - m a t e r i a l s ，t h ep 血c i p a ls t r u c t u r ei st h e s p a t i a l ia h l l r c t c e l l u l a rs t r u c t u r e o fc a l c i t w ac r y s t a l ；t h es u p p l e m e m a r ys l r u e t u r ei st h em i c r o - c r y s t a l a n dg e ls t r u c t u r ew h i c hi sf o r m e dm a - l o n gt h es o i lp a r t i c l e si n 幽出硫e n v i r o n m e n t t h r o u g h i o ne x c k m 鹃a g g r e g a t i o na n dc 越 b o n a t i o n t h e s t u d y o nt h eh a r d e n i n gm e c h a n i s mo f t h es o t ts o i lw i t ht h em a t e r i a l ss h o w st h a t t h e h a r d e n i n gp r o c e d u r e c a nb ed i v i d e di n t ot h r e es t a g e s ：( 1 ) h y d r a t i n ga n d d i s s o l v i n g s t a g e ，w h e nm a t e r i a ia a n dm a t e r i a lbo ft h eh i g h - w a t e r - c o n t e n ta n dq u i c k - s e t t i n g m a t e r i a l si e 删v d yd i s s o l v ea n db a l a n c ei nw a t e r ( 2 ) g e la n dc o n s o f i d a t i n 培s t a g e ， w h e n 血em a t e r i a l sh y d r a t ei n t oc a l c i u mc r y s t a la n dt h ei o n e x c h a n g e a n da g g r e g a t i o n o fs o i lp a r t i c l e so c c l 1 ri na na l k a l i n ee n v i r o 眦瑚t ( 3 ) 妇s t r u c t u r ed e v e l o p i n gs t a g e ， w h e nt h ec a l c i u m c r y s t a l sc o n n e c t e a c h o t h e r , a b s o r ba n dc r y s t a l l i z et h ew a t e ra r o u n d ； t h eh y d r a t er e m n a n t s , c a l c i u mh y d r o x i d e , c a r b o n a t ec o n t i n u o u s l yi nw a l t e ra n di nt h e a i r t h e s t u d y0 1 1t h es o t ts o f t - m a t e r i a l 毋r 蜘l l l a k t 墨i td e a r t h a tt b em 砸科i a l sc 觚b e a p p l i e d t os u c h g e o t e c h n i c a l 豇培m 蜘f i e l d s t h e a p p l i c a l i o m o f t h e m a t e r i a l sc 卸b e 懿p e c 蜘i n s u c ha s p e c t sa s ：( 1 ) s t a b i l i z a t i o no fs o t ts o i l , i nw h i c h 蛳m i x i n g p i l e 1 1 i g hp r e s s u es h o tg r o u t i n go ro t h e rg r o u t i n gm e t h o d s 骶a d o p 硝t o s t a b i l i z et h es o f t s o i lf o u n d a t i o n ( 2 ) s e e p a g ep r o o f i n g ，w i t ht h eh e l po fv a r i o u s g r o u t i n gm e t h o d s ，t h e m a t e r i a l sc a r lb eu s e dt oc o p ew i t hs e 雠i n d i k e s ，d e e pe x c a v l i o n 幽a n de t c f u r t h e r m o r e , t h e m a t e r i a l sc a f l b e a p p l i e d t o , 5 0 m er u s h - r e p a m g p r o j e c t s s h o w n i n t h e t h e s i sa r et h er e n a b l ec h a r g er a t i o s , c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u es y s t e m sa n do p e r a t i n g p r o c e d u r e st h a ta r cd e s i g n e dt om e e td i f f e r e n tg e o t e c h n i c a lp r o j e c t so fd i f f e r e n tt y ! o e s a n dd i f f e r e n tp d i p o s e s a t i s f a c t o r yr e s u l t sc 撒b ee x p e c t e di nt h ee x t e n d e df i e l do f a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：t h e h i g h - w a t e r - c o n t e n ta n dq u i c k - s e t t i n gm a t e r i a l s ；m e c h a n i c s p r o p e r t i e s ；s t a b i l i z a t i o n o f s o f t c l a y ；m i c r o s l r u e t u r e ；t h eh a r d e n i n g m e c h a n i s a n ；g r o u l i n g ；s e e p a g ep r o o f i n g 浙江大学博士擘往语文 第一章绪论 1 1 国内外高水速凝材料的发展概况 高水速凝材料是随着煤炭开采技术的发展和沿空留巷巷旁充填的需要应运而 生的一种新型固体胶结材料。 由于沿空留巷具有煤炭回收率高、采掘衔接合理、巷道掘进率低等优点，多 年来一直是国内外煤炭开采技术的重要发展方向。然而传统的沿空留巷方式如： 构筑矸石垛、木垛、密集支柱和混凝土砌块等，不但劳动强度大、机械化程度低， 而且它们增阻速度慢、支承能力小、密闭性能差等，所以长期以来沿空留巷这项 技术始终得不到广泛的推广应用。 要改善现行沿空留巷巷道维护睡貌，扩大其应用范围，根据国内外经验必须 大力发展整体浇注巷旁充填技术。实践证明，整体浇注的巷旁充填体从煤曷祓 到顶板是一条密实连续的整体，具有增阻速度快、支承能力大、密闭性能好、机 械化程度高等一系列优点，克服了传统巷旁支护( 充填) 的根本缺陷，把沿空留 巷所需解决的两个关键问题有效地支护和密闭采空侧有机结合起来，充分显 示出其技术经济的优越性。 国外的高水速凝材料和巷旁充填技术是七十年代末首先由英国发展起来的， 迄今为止英国的高水速凝材料和巷旁充填技术仍居领先地位，应用也最广泛。全 毛蝽 旷一半以上前进式工作面采用了这项技术，高水速凝材料巷旁充填使用量己 占其泵送充填总量的9 0 。 英国第一代高水速凝材料阿克派克( a q u a p a k ) 于1 9 7 9 年在海姆海斯煤矿井f 试验成功。经过短短的十几年，又相继研制出了特克派克( t e k p a k ) 、阿克勃仑芝 ( a q u a b l e n d s ) 、特克派克x x 、海得劳派克( i y d ”0 p a c k ) 、阿斯特劳派克( a s t r a p a c k ) 等多种更高性能的高水速凝材料，其中f o s e c o 公司研制的特克派克x x 高水 速凝材料应用最多，约占全英高水速凝材料巷旁充填的9 0 左右。 2 第一章绪论 英国高水速凝材料的性能如表1 。j 所示。其研究与发展一直是围绕着改善材 料性能，也即提高强度，延长可泵时间，降低p h 值，降低成本等方面进行的， 其目的是使充填材料更好地适应沿空留巷矿压显现规律，巷旁充填体更好= 唯雌护 巷道，封闭采空区。第一代高水速凝材料阿克派克水用量8 5 0 l m 3 ，胶结料用 量5 0 0 k g m 3 ，可泵时间只有4 5 m i n 。1 9 8 2 年f o s e c o 公司研制出了特克派克材 料，其性能有了显著的提高，强度性能也得到很大提高，水用量进一步增大到 9 0 0l m3 ，胶结料用量减少到3 5 0 k g m 3 ，同时早期强度还较高，可泵时间延长 到3 h ，减少了管路堵塞事故。1 9 8 5 年前后，b l u e c i r c l e 公司研制出海得劳 派克，f o s e c o 公司又推出特克派克x x 材料，可泵时间达到2 4 h ，基本上避免 了管路堵塞事故，极大地减少了管路冲洗工作量，使高水速凝材料又达到个新 水平。尔后，p o z a m 卧汀公司最新研制出的阿斯特劳派克和f o s e c o 公司改 进的特克派克x x ( w n r ) ，可泵时间达到7 2 h ，甚至达到1 6 8 h ，并对料浆长时静 置生垢问题采取了适当措施，实现了周末休息也不用冲洗管路，且成本有所下降。 可以说，从8 0 年代中期起，英国高水速凝材料便进 稳定生产与应用阶段，研 究工作主要集中在各种已有材料的迸步完善方面。 表1 - 1英国高水速凝材料性能 水荻比水歧结料可泵时间初凝时间无侧限抗压强嘲 日嘲 材料名称( w c ) l m 3 k g m 3 h ：m i nm m 2 h1d7 d 阿克派克1 8 6 ：】 8 5 05 0 00 ：4 51 50 4 31 8 04 5 5 特克派克2 5 ：1 9 0 0 3 5 03 = 02 0o 9 12 4 14 6 5 阿克勃仑芝1 8 6 ：18 5 05 0 00 5 51 1 02 5 0 特克派克) 。(2 5 ：l 9 0 03 5 02 4 ：02 01 加3 5 04 3 0 海得劳派克 2 5 ：19 0 33 5 02 4 ：02 014 53 7 04 0 阿斯特劳派克2 5 ：】9 0 03 5 02 4 ：02 01 5 03 5 05 o 目前，英国先进的高水速凝材料用作巷旁充填时经常使用的水灰比为2 5 ：1 ， 充填体水体积比9 0 ，可泵时间2 4 h 以上，初凝时间2 0 m i n ，无侧限抗压强度2 h 达1 2 1 5 m p a ，l d 为3 5 3 7 m p a ，7 d 为4 s m p a 。 英国高水速凝材料是两种混合材料鲴成，一种是水泥混合物，另一种是混合 添加剂。一般水泥混合物主要由普i 蘑水泥、铝酸盐水泥、石膏以及少量的缓凝制 组成；而混合添加剂则主要由石膏、石灰、膨润土、碳酸钠和速凝早强种等组成。 浙江大学博士荦值砖文 3 种类不同的高水速凝材料其组成会有所不同，其主要区别是选用水泥种类各不相 同，或者是不包括石膏、石狄的其它添加剂材料选择的差别。 我国有关高水速凝材料及巷旁充填技术的研究是“七五”期间才开始的， 同国夕 相比起步相对较晚。 最初，山西阳泉矿务局进行了有益的探索。1 9 8 7 年该局研制出一种与英国 阿克派克相近的高水速凝材料，这种材料由甲乙两种材料组成，两种干料的混合 比例为6 4 ：1 ，水灰比l ，8 ：1 ，也即充填体用甲料4 7 0 k g m 3 ，用乙料7 4 k g m 3 ，在 用水量接近8 5 0 l m 3 的条件下，无侧限抗压强度4 h 为o 0 9 m p a ，l d 为o 8 5 m p a ， 7 d 为1 2 9 m p a ，2 8 d 为2 4 弧们p a ；同时引进英国a 位q d e 、，公司全套充填设备在 阳泉二矿7 1 2 1 1 工作面进行了巷旁充填试验 中国矿业大学从1 9 8 4 年开始研究用于整体浇注巷旁充填的高水速凝材料和 巷旁充填技术，经过“七五”期间五年努力，研制出了一类新型的高水速凝材 料。这种材料利用国产硫铝酸盐水泥或熟科，合理引入了沸腾炉灰渣( 也可以选 用粉煤灰、煤矸石等其它灰渣) 集料，改善了材料的抗风化性能，创造了井下取 消塑料袋充填的条件。经有关部门检测，在水灰比2 2 ：1 ，胶结料甲、乙料各 1 6 0 k g m 3 ，灰渣4 8 0 k g m 3 ，水7 0 0 l m 3 的4 剐- t - 下，初凝时间3 9 m i n ，终凝时间 1 2 0 m i n ，无侧限抗压强度4 h 为1 4 6 m p a ，1 d 为2 5 5 m p a ，3 d 为2 8 3 m p a ，7 d 为3 2 m p a ，2 8 d 为3 9 4 m p a 。在国内尚无专用灰渣充填设备的条件下，中国矿 业大学与徐州矿务局合作，因地制宜应用煤矿普遍采用的喷浆机作充填设备，设 计加工了专门的活动钢模板，于1 9 9 1 年4 月在徐十h 矿务局庞庄煤矿东城井7 2 1 工作面成功地进行了巷旁充填试验，巷旁充填体用活动钢模板构筑，节省了塑料 充填袋费用，巷道维护状况好。经过“八五”期间的攻关研究，又取得了重大 突破，成功地研制出了既能输送高水净浆充填材料又能输送高水灰渣充填材料( 粒 径小于5 r a m ) 的充填设备，改善并提高了高水速凝材料的性能，材料的性能指 标达到或部分超过了英国先进的高水速凝材料性能指标。此外，所研制和生产的 高水速凝材料产品成功的应用于沿空留巷巷旁充填、巷道支架壁后充填、巷道围 岩( 包括煤层巷道) 注浆加固、井下注浆堵水、井下注浆灭火等工程中，并取得 了较好的技术经济效益。 中国矿业大学北京研究生部也是国内最早研究高水速凝材料和巷旁充填技 4 第一章培论 术的单位之一，1 9 9 0 年底利用自己研制的高水速凝材料，选用国产泥浆泵作充 填设备，在鹤壁一矿进行了巷旁充填试验，试验所用的高水速凝材料水灰比为 2 2 ：1 ，胶结料用量为3 9 0 k g m 3 ，水用量为8 7 0 l m 3 ，充填体无侧限沆压强度1 d 为2 4 m p a ，3 d 为3 0 m p a ，7 d 为3 5 m p a ，取得了良好的效果。其后又进行了金 属矿山的全尾砂充填试验，并取得了成功。 平顶山矿务局在原中国统配煤矿总公司供应局的支持下，于1 9 9 0 年引进全 套英国f o s e c o 公司的特克派克x x 高水速凝材料和充填设备，在平顶山矿 j 6 - 2 1 1 3 0 工作面进行了巷旁充填试验，取得了良好的技术效果，提供了个很好 的了解英国先进的高水速凝材料及巷旁充填技术的机会，也坚定了大力发展我国 煤矿高水速凝材料及其巷旁充填技术的售心。1 9 9 0 年4 月中国统配煤矿总公司 成立了高水速凝材料巷旁充填技术研究领导小组，组织了院校、企业协同攻克高 水速凝材料巷旁充填技术难题。 经过多年的科技攻关，目前我国自己研制生产的高水速凝材料及充填设备 的各项性能指标达到或部分超过英国同类先进产品的水平，已生产出数千吨高水 速凝材料，并成功地应用于沿空留巷巷旁充填、巷道支架壁后充填、巷道围岩( 包 括煤层巷道) 注浆加固、井下注浆堵水、井下注浆灭火以及金属矿山的尾矿砂充 填等工程中。此外，还建立了高水速凝材料质量检测中心。这些充分说明我国高 水速凝材料的研究与应用工作进入一个新的阶段，也即进一步推广和开拓高水速 凝材料的应用领域。 1 2 1 沿空静替韵等充填 为满足无煤柱开采沿空留巷技术发展的需要，缓解采掘接替紧张的局面，采 用高水速凝材料和巷旁充填技术进行整体浇注巷旁充填带，并先后在徐州矿务局 庞庄煤矿东城井、徐州矿务局夹河煤矿、鹤壁矿务局一矿、开滦矿务局荆各庄煤 矿、淮北矿务局杨庄煤矿、峰峰矿务局九龙口煤矿和新汶矿务局翟镇煤矿使用并 获得成功，其中以新汶矿务局翟镇煤矿1 2 0 1 西工作面回风巷充填长度最大、充 填材料用量最多、经济效益最显著。( 漆太岳，1 9 9 1 a ，1 9 9 1 b ；周华强，1 9 9 1 a ； 孙恒虎，1 9 9 1 ，1 9 9 2 ，1 9 9 4 ；颜志平，1 9 9 7 ) 翟镇煤矿1 2 0 1 西工作面倾斜长度1 5 5m ，走向长度1 0 4 5 6m ，其中工作面 断层旱侧8 0 0m 为试验段。煤层厚度为1 7 2 6m ，平均厚度为2 2m ，含一层 浙江太季博士学位论文 5 夹矸；煤层f 晦咱3 。- - 1 5 。，平均8 。 1 2 0 1 西工作面为高档普采面，其顶板为复合顶板：伪顶为泥岩，厚度o 0 2 m ：直接顶为粉砂岩，中间夹一层煤，煤厚平均为o 6 f i i ，直接顶岩层总厚度6 4 m 左右；老顶为砂岩，厚度约2 l o m 。底版为粉砂岩和砂岩，其中粉砂岩中间夹 有层煤，煤厚平均为o 6 m ，而砂岩层较厚，一般在l o m 以上。 翟镇煤矿1 2 0 1 西工作面回风巷充填总长7 3 0 m ，其中采用二级料( 水灰比 2 0 ：1 ) 充填4 3 0 m ，采用一级料( t k 灰l l 为2 5 ：1 ) 的净浆和灰渣材料各充填1 5 0 m 。 充填设备采用b y z - - 1 2 0 1 0 型柱塞泵。 翟镇煤矿井下充填所用高水速凝材料和高水速凝灰渣( 粉煤灰) 材料的配合 比及其强度性能如表1 - 2 、表1 3 所示。 表1 - 2 高水速凝( 净浆) 材料眭能 l 水灰比胶结料用量初凝时间可泵时间无侧限抗压强度( i h p a ) 1 l ( w c )( k g m 3 ) ( m i n ) 2 hl 2 4 h l 7 d l2 8 d | i 2 5 ：13 5 46 2 4 2 0 4 i3 8 3 【5 0 2 l 5 4 5 i 表1 - 3 高水速黼灰囱材料性能 i 器 胶结料用量灰渣用量初凝时间 可泵时间无侧限抗压强度 ( k m3 )( k g m 3 ) ( r a i n )m ) 2 h2 4 h7 d2 8 d 2 5 ：13 0 02 5 02 0 93 9 1 4 9 75 3 翟镇煤矿高水速凝材料沿空留巷巷旁充填，由于少掘进一条巷道、多回收 煤炭资源、取消采区煤柱、节省维护费用、密闭采空区、防i e 煤层自燃、缓和工 作面接替紧张关系，因而具有显著的技术经济效益和社会效益。经分析计算，翟 镇煤矿可获得直接经济效益1 6 0 8 万元。此外，高水速凝材料沿空留巷巷旁充填 技术在翟镇煤矿的推广应用，可大大提高煤炭回收率，延长采区和矿井的服务年 限，喇氐万吨掘进率，为翟镇煤矿实现高产、高效的目标宅幛告了有利条件，因此 其间接效益更加可观( 颜皤平，漆泰岳等，1 9 9 7 ) 。 1 2 2 支架壁后充填 鹤壁四矿皮带暗斜井尾段平巷( 以下简称斜井平巷，总长1 8 0 m 左右，是1 9 8 6 6第一幸绪论 年9 月至1 2 月掘出的，当时采用锚喷支护。由于巷道围岩变形十分严重，到1 9 8 8 年斜井平巷便全部压垮报废。 因改扩建工程的需要，1 9 9 2 年2 月开始套掘斜井平巷。在重新套掘过程中 巷道普遍冒顶，平均冒落高度为2 6 6 m ，最大冒落高度达1 5 m 之多。首先采用 混凝土封闭碹支护，碹体设计厚度4 0 0 r a m ，混凝土标号为1 5 0 ，碹体l m 内注浆 充填。但混凝土碹未能阻止围岩持续剧烈变形，两帮移近速度平均达2 2 5 3 3 1 m m d ，在尚未实施注浆充填时碹体便发生了破坏，碹体支护仅进行了2 3 m 便被迫停止了。 4 月份改用2 5 u 马蹄形金属可缩性支架支护，支架背后铺设金属网并喷射混 凝土。按设计，支架支护巷道变形稳定后还内套2 5 0 r a m 厚的1 5 0 号混凝土碹作 永久支护。但因巷道顶部冒落，支架顶部靠人工木垛与围岩接触。支架架设后巷 i 蘑变形仍十分严重。据两帮移近观测结果表明，马蹄形金属可缩性支架架设5 个 月后，巷道两帮移近速度直保持在2 m m d 左右，而且还出现支架尖顶折损、 扭曲，连接件拉断破坏等现象。显然u 型钢支架也控制不住巷道围岩的剧烈变 形，斜井平巷又将再次严重破坏报废。 皮带暗斜井及下部平巷是鹤壁四矿延深扩建的关键性工程之一，是矿井运 输的咽喉要道，服务时间长达几十年。为了确保扩建工程的按期投产，鹤壁矿务 局与中国矿业大学合作共同治理斜井平巷，在进一步分析和研究斜井平巷破坏原 因的基础上，提出了多种技术方案，并对各个技术方案进行了仔细的论证和对比 分析，最终选择了采用高水速凝材料技术，在原有马蹄形支架支护的基础上，进 行高水速凝灰渣材料壁后充填、帮底注浆加固综合治理斜并平巷的技术方案。 整个治理方案分两个阶段进行：第一阶段是支架壁后充填。充填材料选用 高水速凝材料和当地来源广泛、价格低廉的石粉料，其混合材料的强度与水灰比 的关系如表1 4 。 表1 4高水速凝灰渣材料强度性能 【嚣 胶结料石粉水阁量凝结结石无侧限抗压强度 用量用量 ( l m ) 时间 蛊 ( m p a ) ( k g m )( k g m3 ) ( m m )( 峋 2 h2 4 h3 d7 d 1 8 ：l3 ，o7 6 25 7 6 i i1 0 02 65 j配 7 7 1 9 ：13 2 06 8 66 0 81 71 0 02 34 35 56 ，6 2 o ：l3 2 06 0 86 4 02 11 0 02 54 15 o5 r 9 2 1 ：13 2 05 3 16 7 22 21 0 01 43 74 65 8 2 上：l3 2 04 4 67 0 42 41 0 01 13 54 05 ，0 浙江大学博士学位论文 7 据鹤壁四矿暗斜井平巷壁后充填设计要贰充填体抗压强度要达到4 m p a ， 考虑充填工艺等因素的影响，井下充填时水灰比控审十在2 2 ：1 左右，材料用量分 别为： 高水速凝材料 石粉 水 3 0 0 坞，m 3 6 4 0 k g m s 6 6 0 l m 3 斜井平巷经支架壁后充填后，其巷道维护面貌得到十分明显的改进。充填前 设置的四个观测站两帮围岩移近量分另n 为：4 3 8 m m 、5 1 3 m m 、4 2 6 t u r n 和2 6 4 m m ， 围岩移近速率分别为：2 3 1 m m d 、2 6 1 m m d 、2 7 1 m m d 和1 5 1 m m d ，总的平均 移近速率为2 2 8 5 m m d 。其支架顶部尖顶量分别为：3 6 0 m m 、2 9 9 m m 、2 5 4 m m 和1 7 3 m m ，平均尖顶速率为1 5 1 m m d 。支架壁后充填后，由于支架顶部得以填 实，改善了支架的受力状态，成倍地提高了支架的承载能力，巷道围岩移近速度 也迅速大幅度降低。充填后的前5 0 天时间内两帮有少量的负收敛，这说明壁后 充填体能迅速承载，并传递应力。充填后期围岩变形稍有增大但逐渐趋于稳定。 充填后期的平均变形速率为0 2 8 3 m m d ，比充填前下降了8 7 6 ，可见支架壁后 充填效果十分明显。 第二阶段为围岩注浆加固。围岩注浆所用材料为普通硅酸盐水泥加三乙醇 胺和氯化钠外加剂。斜井平巷经围岩注浆后，围岩变形速率又有了较大幅度的下 降。围岩注浆后巷道两帮的变形速率平均为o 0 7 2 m m d ，比充填后、注浆前下降 了7 5 ，比充填前下降了9 6 8 0 o 。由此可见围岩注浆加固对围岩变形的控制起着 重要作用，注浆效果十分明显。 综上所述，支架壁后充填、围岩注浆加固方案的实施，取得了良好的支护效 果，根本解决了斜井平巷维护难题。此外，经济比较分析表明，支架壁后充填、 围岩注浆加固综合治理斜井平巷的技术方案，较之另掘巷道可节省工程费用1 0 9 8 万元，每年还节省经营费用2 5 6 万元，总的经济效益为2 1 2 万元，经济效盏也 十分显著。( 颜志平，1 9 9 2 ，1 9 9 3 ) 徐州矿区东部权台煤矿开采的是二叠纪石盒子组( 即夏桥系) 煤层，主采层为 l 、3 号煤层，其中1 号煤层局部可采，而3 号煤层较厚，一般4 6 m ，分两层 开采。煤层倾角1 0 。1 8 。煤质松软易碎，煤层单轴抗压强度约i o m p a ，顶 8第一章堵论 底板均由强度较低的泥质页岩、砂质页岩、炭质页岩和泥质砂岩 g 组成，其岩石 单轴抗压强度约1 0 3 5 m p a 。巷道匿岩的重要特点是节理、裂隙和层理十分发 育，因此岩体强度受弱面的影响而严重削弱。权台煤矿区段回风平巷围岩变形、 底臌十分剧烈，可缩性拱性金属支架变形损坏也相当严重。在巷i 踅整个服务期间 ( 从掘进到回采完毕6 至1 2 个月) 需要臣h 芪5 7 次，每次噩h 底0 3 0 5 m 。尽 管如此，巷道高度、宽度仍然很小。煤矿工 把这类回采巷道维护的困难状况生 动地比喻为：“低头、弯腰、下跪”，也即：进入回采工作面前方6 0 1 2 0 m 要低 头，进入6 ( h n 内耍弯腰，3 0 m 以内要下跪甚至要爬行。 权台煤矿回采巷道围岩注浆加固试验地点为31 1 6 上分层工作面回风平巷。 该巷道埋深6 8 0 m ，且巷道围岩强度低、岩性差：巷道顶、底板均为泥岩，粘土 成份含量达9 5 以上。顶、底板及煤帮的强度分别为3 4 4 m p a 、1 8 2 m p a 和 7 4 m p a ，仅岩体自重应力就已超过巷道两帮及底板煤体强度，这也表明在巷道 掘进期间两帮和底板煤体极易发生强度破坏。随着时间的发展，巷道围岩变形会 急剧增加，围岩承载能力也会不断降低。 注浆是加固围岩的一种有效方法，它不仅可以填充围岩裂隙，直接防止巷 道局部垮落和冒项，堵截水或湿气渗入围岩，避免由此导致的岩石强度损失和完 整性进一步破坏，还可以使破裂后的围岩恢复或重新获得较高的强度，使巷道围 岩内形成个新的承载体，承受地压的迸一步作用和约束围岩变形的发展。 本次试验采用高水速凝材料( 甲乙料混合包装) 作为注浆材料，使用小型 泥浆泵输送。由于煤层松软，故采取滞后注浆的方法：即注浆点与巷道掘进保持 一定距离，待煤层受掘进支承压力作用产生裂隙后，再进行注浆加固。注浆材料 水灰比选用1 5 ：l ；本次试验取得了较好的支护效果。 山东省枣庄市薛城区黄贝煤矿原系枣庄矿务局甘林煤矿黄贝井，目前尚有 可采储量1 8 5 万吨。由于该矿水文地质条件复杂，建井期间就曾两次淹井，移交 地方后又因透水发生了起特大死亡事故。9 3 年实测最大涌水量4 0 m 3 m i n ， 9 4 年实测矿井正常涌水量1 7 m 3 m i n ，再加浅部与老采空区及正在开采的小井 相通，第四系水可直接导入井下，矿井安全受到严重威胁；同时排水费用高昂， 矿井不堪重负，必须采取治水措旌，以提高经济效益，保证安全生产。 为此，黄贝煤矿与中国矿业大学合作，共同研究并制定了详细的治水方案， 浙江大学博士学住论文 9 其主要内容为两个部分：( 一) 地面注浆，目的是通i 丑地面钻孔注浆封闭浅部采 空区与二水平的主要导水通道；( 二) 井下水闸墙，目的是通过构筑水闸墙封闭 二水平和三水平与其它小井及可能的导水通道。 在地面注浆施工中，其l 号钻孔是封闭二水平1 4 煤层西总回风巷，钻孔深 度为2 3 1 m 。该巷道已完全被水淹没，为此采用高水速凝材料从地面钻孔注入巷 道，使用b y z - - 1 2 0 1 0 型充填设备进行双液注浆，共灌注高水速凝材料1 5 0 吨， 至表压6 9 m p a 。保压流量为总流量的t 4 ，维持2 l l ，达到了设计要求。 地面注浆所用高水速凝材料的性能如表1 5 所示。 表1 - 5高水速凝材料基本性能 水灰比i 棚蜩虱k g m3 ) i 鼯甜问 ( w c ) 广甬r t l 雨 m i n ) 1 5 ：l f2 7 012 7 0l1 0 无侧限院匮卿鄙v 峋 2 h lidl3 d 2 乃 5 2 0l 6 3 8 在我国，金属矿山传统的水力尾矿砂胶结充填技术是以硅酸盐水泥作为主 要胶凝材料。其基本工艺是先在地表制各浓度为6 0 7 5 的充填料浆，通过 钻孔、管道输送到并下采场。这种方法简单、可靠。但充填料浆中多余的水需要 用渗滤方法从采场脱出排走，井下要设置脱排水系统，不仅工艺繁杂，而且污染 了井下生产环境。同时，在充填料的脱水过程中，水泥及细粒尾砂易随水溢出， 水泥投入量大，利用率低，充填体强度很难达到设计指标。由于脱水过程较长， 水泥凝结慢，从而使充填体养护周期加长，影响采场作业循环。另外，为了使充 填料具有较好的脱水特性，尾砂在使用前要进行分级，即脱去粒级为3 7 脚的 细尾砂，因而地表还需增设尾砂分级设备，但这样一来，不仅增加了设备投资， 还面临细粒尾砂堆坝和存放问题。对于尾砂产率低的矿山，分级后粗粒尾砂量不 能满足矿山充填的需要，还需要增加磨砂系统或外购河砂，以补充充填骨料的不 足。 尾砂胶结充填工艺的关键环节是井下充填材料脱水、高浓度充填料的制各 及输送。“七五”期间，我国进行了高浓度全尾砂胶结充填工艺及设备的攻关研 究和试验，取得了一定的进展，但是充填料的制备能力低，输送难度大，采场内 充填料浆仍有大量的水需要脱出，充填能力受到限制。 0 第一幸靖论 要解决全尾砂胶结充填存在的难题，其技术关键是研制一种新型的胶凝材 料及其舡艺。采用全尾砂速凝皎结充填新工艺，可，彻j 自獬决皎结充填作业中 分级尾砂嚆蛞嶷复杂、高浓度输送困难，需井下脱水，不易平场和接顶等一系列难 题。这种新工艺的实质就是在金属矿山尾砂胶结充填工艺中，使用“高水速凝 材料”作固化齐u 取代水泥，使用矿山选矿全尾砂作充填骨料。使用时，将甲、 乙两种固料分别与全尾砂浆制成两种浓度分别为3 0 7 0 的充填料浆输送到 井下经混合器混合后充入采场，在2 h 内，不用脱水便可以凝结为固态充填体， 8 h 后便可以上设备继续作业。其工艺简单、效率高、效益好。这种新工艺在金 属矿山的应用带来了矿山胶结充填工艺的重大技术革新。 采用全尾砂速凝固化胶结充填新工艺分别在招远金矿、小铁山矿、焦家金 矿等金属矿山进行了试验，取得了较好的技术经济效益和社会效益。( 孙恒虎， 1 9 9 4 a ，1 9 9 4 b ) 高水速凝材科是一种新型的固体混合材料，它具有高水、速凝早强的特点， 因而高水速凝材料首先是一种良好的灌浆材料。此外，高水速凝材料在高水灰比 的条件下，其凝固体的结石率均能达到1 0 0 ，因此高水速凝材料可以广泛的应 用于软土地基的地基处理、深基坑坑壁和堤坝的防渗堵漏、深基坑喷锚网支护的 锚杆注浆、灌注桩和地下连续墙底部的注浆加固以及各种抢险工程。 1 t 1 高水速凝材料与各类灌浆材料的比较分析 目前在建筑、水利、交通等许多领域中得到广泛应用的灌浆材料可分为