甘志超

（天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013）

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煤礦采空區(qū)注漿充填材料電阻率影響因素試驗研究

甘志超

（天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013）

為了更好地進行采空區(qū)注漿治理效果的物探檢測工作，開展了煤礦采空區(qū)注漿充填材料電阻率方面的研究。通過正交試驗，研究了水固比、石灰與水泥的質(zhì)量比、外加劑1摻量、外加劑2摻量、結(jié)石體養(yǎng)護時間等5個因素對煤礦采空區(qū)注漿充填材料電阻率的影響。試驗表明：注漿材料的電阻率值隨水固比的降低呈現(xiàn)增加趨勢；隨石灰摻量的增加，注漿材料的電阻率值先增加，然后平穩(wěn)，再繼續(xù)增加；注漿材料的電阻率值隨齡期的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。研究表明，應(yīng)在注漿材料中加入適當?shù)耐饧觿蕴岣咦{材料的結(jié)石率，減少注漿材料中的自由水，從而提高治理后的采空區(qū)的視電阻率值，加大采空區(qū)注漿治理前后的視電阻率值差異，以便較好地進行物探檢測。

采空區(qū)注漿；電阻率；正交試驗；水泥粉煤灰注漿材料

由于采空區(qū)的廣泛分布，許多建（構(gòu)）筑物或是基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)都會受到影響，為了確保建（構(gòu)）筑物安全，有的區(qū)域需對采空區(qū)進行注漿加固治理。其中大摻量粉煤灰的水泥粉煤灰注漿材料作為煤礦采空區(qū)注漿充填材料被廣泛應(yīng)用，許多學(xué)者對其配比與力學(xué)性能等特性進行了研究［1-3］。張剛艷采用無電極電阻率測定儀測定了多組分高摻量粉煤灰水泥注漿材料液態(tài)時的電阻率［4］。孫凱華等開展了黃土粉煤灰基新型煤礦充填材料和風積砂充填材料配比試驗方面的研究［5-7］。但目前對于固化的注漿充填材料的電阻率測量及其影響因素方面的研究較少，開展注漿充填材料的電阻率方面的研究，有助于更好地開展采空區(qū)注漿治理效果的物探檢測工作。國內(nèi)一些學(xué)者對巖體的電阻率測量及其影響因素開展了研究［8-11］。

筆者以大摻量粉煤灰的水泥粉煤灰注漿材料為研究對象，通過正交試驗，研究了水固比、石灰與水泥的質(zhì)量比、外加劑1摻量、外加劑2摻量、結(jié)石體養(yǎng)護時間等5個因素對煤礦采空區(qū)注漿充填材料電阻率的影響。

1　試驗方案

1.1試驗材料

本次試驗選用的材料為采空區(qū)治理工程中常用的注漿充填材料。粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。試驗所用材料見表1。

1.2試驗內(nèi)容

通過正交試驗，完成5因素4水平共16組配比注漿材料的電阻率測試，養(yǎng)護試塊的尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm，共計16組，每組3個試塊。

表1　固料成分

試驗主要考慮5種因素:水固比（X1）、石灰與水泥的質(zhì)量比（X2）、外加劑1摻量（X3）、外加劑2摻量（X4）、結(jié)石體養(yǎng)護時間（X5）。具體影響因素和水平排列見表2。

表2　試驗因素與水平

本次試驗是利用SCIP系統(tǒng)測試材料電阻率值，該儀器是由加拿大GDD公司研制開發(fā)并生產(chǎn)的一款新型的樣本巖心IP測試儀，主要用于測試試樣的電學(xué)特性。圖1為14d齡期的待測試塊，圖2為利用SCIP系統(tǒng)測量試塊的電阻率值。

圖1　待測試塊

圖2　試樣電阻率值測試

2　試驗結(jié)果及分析

2.1試驗結(jié)果

試件制備和脫模完成后測試流動度、密度等物理參數(shù)。按正交試驗方案，分別測試16組不同配合比注漿材料試件的電阻率值。每組3個試塊，取其平均值，試驗結(jié)果見表3。表中的G4和G6為試塊4和試塊6經(jīng)烘干后的試件。

表3　注漿材料電阻率值

2.2試驗結(jié)果分析

從表3中可以看出，電阻率值最大的為試塊15，其優(yōu)選配比為水固比0.6∶1，石灰 ∶水泥為0.1∶0.2，外加劑1的摻量為1%，外加劑2的摻量為0.3‰，齡期3d。

利用正交試驗結(jié)果分析了各因素對電阻率的影響，分析結(jié)果如表4所示。從該表可以看出，各因素對電阻率值影響的極差R從大到小的順序依次為:X1（244.6），X4（186.6），X5（115.99），X3（84.37），X2（45.37）。結(jié)果表明，水固比對注漿材料的電阻率值影響最大，石灰摻量對電阻率值的影響最小。

表4　各因素對電阻率值影響分析

為更好地表明各因素對電阻率的影響，圖3繪出了水固比、石灰比、外加劑摻量和齡期等因素對電阻率的影響趨勢。

圖3　試驗各因素對電阻率的影響

從圖3中可以看出:

（1）注漿材料的電阻率值隨水固比的降低呈現(xiàn)增加趨勢，表明水固比越低，材料的電阻率值越高。結(jié)合SEM掃描電鏡圖像，水固比低的四組配比，表面的孔隙較少，結(jié)構(gòu)越顯致密，使得離子移動難度加大，注漿材料電阻率值得以提高。

（2）隨石灰摻量的增加，注漿材料的電阻率值先增加，然后平穩(wěn)，再繼續(xù)增加。

（3）摻入外加劑1后，注漿材料的電阻率值表現(xiàn)出先升高后降低然后再升高的一種 “波浪式”變化趨勢，摻量1%和3%的電阻率值均較大，且摻量1%的略小于3%摻量的強度。

（4）注漿材料的電阻率值隨外加劑2摻量的增加呈現(xiàn)持續(xù)增加后平穩(wěn)的態(tài)勢，表明外加劑2對提高注漿材料的電阻率值有較大作用。結(jié)合SEM掃描電鏡圖像，分析認為外加劑2能促進注漿材料膨脹，增大孔隙，孔隙中沒有水，不利于離子移動，注漿材料的電阻率值增大。

（5）注漿材料的電阻率值隨齡期的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，且14d后強度的增量更加明顯，齡期對注漿材料的電阻率值影響明顯。SEM圖像表明，隨養(yǎng)護時間的增加，材料內(nèi)部的水化程度提高，水化產(chǎn)物由顆粒狀膠結(jié)逐漸向塊體演化，阻礙離子移動，使得注漿材料電阻率值增大。

（6）經(jīng)烘干后，試塊4的電阻率值由272.24Ω·m升高至1308.67Ω·m，升高幅度為380.70%，試塊6的電阻率值由236.87Ω·m升高至1081.72Ω·m，升高幅度為356.67%。說明烘干后，試件中的自由水明顯減少，離子很難移動，所以電阻率值明顯升高。

3　結(jié) 　論

（1）通過正交試驗，分析認為注漿材料的電阻率值隨水固比的降低呈現(xiàn)增加趨勢，水固比越低，注漿材料的電阻率值越高；隨石灰摻量的增加，注漿材料的電阻率值先增加，然后平穩(wěn)，再繼續(xù)增加；注漿材料的電阻率值隨齡期的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，且14d后電阻率值的增量更加明顯。

（2）烘干后的測量試驗表明，注漿材料的導(dǎo)電形式為離子導(dǎo)電，注漿材料中的自由水越少，離子越難移動，電阻率值升高越明顯。

（3）應(yīng)研究在注漿材料中加入適當?shù)耐饧觿?，以提高注漿材料的結(jié)石率，減少注漿材料中的自由水，從而提高治理后的采空區(qū)的視電阻率值，加大采空區(qū)注漿治理前后的視電阻率值差異，以便更好地進行物探檢測。

［1］童立元，潘 石，邱 鈺，等.大摻量粉煤灰注漿充填材料試驗研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報，2002，32（4）:643-647.

［2］鄒友平，張華興，張剛艷，等.粉煤灰水泥注漿材料主要性能試驗研究［J］.煤礦開采，2012，17（4）:15-17.

［3］上官書民，趙 偉，張勝軍，等.水泥-粉煤灰注漿材料特性試驗研究［J］.煤炭技術(shù)，2014，33（4）:246-249.

［4］張剛艷.高摻量粉煤灰水泥注漿材料電學(xué)性能研究［J］.煤礦開采，2014，19（4）:92-94.

［5］孫凱華.黃土粉煤灰基新型煤礦充填材料配比試驗研究［J］.煤礦開采，2014，19（3）:100-103.

［6］孫凱華.風積砂似膏體煤礦充填材料特性試驗研究［J］.煤炭技術(shù)，2014，33（5）:262-265.

［7］呂文宏，孫凱華，鄭天斌.風積砂在膏體充填材料中的添加研究及應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2015，34（10）:9-11.

［8］姜春露，姜振泉，劉盛東，等.多孔巖石化學(xué)注漿過程中視電阻率變化試驗［J］.中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，44（10）:4202-4207.

［9］劉樹才，劉鑫明，姜志海，等.煤層底板導(dǎo)水裂隙演化規(guī)律的電法探測研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（2）:348-356.

［10］葛寶堂，李德春.巖體電阻率觀測技術(shù)預(yù)報頂板失穩(wěn)的前景［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，1993，22（2）:48-52.

［11］鄒德蘊，武 超，張緒言，等.應(yīng)用巖體電阻率預(yù)測巖體失穩(wěn)的可行性研究［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2003，31（1）: 51-54.

［責任編輯：李 青］

Experimental Studying of Resistivity Influence Factors of Grouting Filling Material in Goaf of Coal Mine

GAN Zhi-chao
（Coal Mining&Designing Department，Tiandi Science&Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China）

In order to improve geophysical detection results of grouting results of goaf，then the resistivity of mine goaf grouting filling material was studied.According orthogonal test，the following five factors，such as water-solid ratio，lime-cement quality ratio，additive 1 dosage，additive 2 dosage，stone body curing time to grouting filling resistivity were studied.The experiments showed that grouting material resistivity increase with water-solid ratio decreased，with lime dosage increased，the grouting material resistivity increased firstly，then it appeared first smooth and steady then increased in the end，grouting material resistivity first decreased then increased with curing time increased.The research showed some additive should be add into grouting material，then solid ratio of grouting material could be improved obviously，and free water in material would be decreased，then the apparent resistivity of goaf after filling could be improved，the apparent resistivity difference before and after grouting would be increased，and geophysical detection could be proceeded better.

goaf grouting；resistibity；orthogonal test；cement&fly ash grouting material

TD265.4

A

1006-6225（2016）04-0087-03

2015-11-23

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.023

天地科技技術(shù)創(chuàng)新基金（KCSJ-QNCX-2012-03）

甘志超（1983-），男，四川鄰水人，助理研究員，主要從事地球物理勘探與煤礦地質(zhì)災(zāi)害防治等方面的研究工作。

［引用格式］甘志超.煤礦采空區(qū)注漿充填材料電阻率影響因素試驗研究［J］.煤礦開采，2016，21（4）：87-89，141.