侯永平，馮 巍

(山西平舒煤業(yè)有限公司， 山西 陽泉市 045000)

煤礦豎井充填砂漿組分試驗研究與優(yōu)化

侯永平，馮 巍

(山西平舒煤業(yè)有限公司， 山西 陽泉市 045000)

平舒礦2#豎井施工采用壁后充填，充填質量將直接影響豎井的穩(wěn)定性和安全性。為此，對壁后充填施工工藝與方案、砂漿組分及作用進行了充分研究，在此基礎上，分別對水灰比、砂石細度、礦物摻和料、減水劑等對砂漿綜合性能的影響進行了試驗性研究，最終得出了該工程所需的最佳砂漿組分比例為水∶水泥∶砂石∶粉煤灰∶減水劑=309∶684∶1026∶135∶11.7，現場使用效果良好。

煤礦豎井；壁后充填；砂漿組分

0 引 言

煤礦豎井是井下與地面的重要聯(lián)通通道，具有煤炭轉運、人員進出、物料運輸和排水通風等作用。隨著煤炭開采量和開采深度的增加，豎井的建設量和施工難度也增大。煤礦豎井施工設備發(fā)展至今，已基本實現現代化、機械化，生產效率較高。由于不同豎井對應的巖層、地質結構、深度等差異較大，具體豎井施工工藝也需要針對性地研究和制定。

豎井施工流程一般包括：機械鉆井、井壁預制、井壁下沉安放、壁后充填。其中，壁后充填是豎井施工的最后一道工序，而充填質量將直接影響豎井的穩(wěn)定性和后期使用安全性。本文將結合平舒礦2#豎井施工的實際需求，對充填砂漿組分進行試驗研究及優(yōu)化。

1 壁后充填施工工藝與方案

壁后充填主要是將一定配比的砂漿通過注漿設備注入到井壁外側與巖幫之間，高比重的砂漿將泥漿置換出巖壁間隙，然后通過一定時間的砂漿凝結，使各井壁牢固地與周圍巖體結合，保證在井壁下方開拓時，井壁不發(fā)生下沉。根據實際生產需要，填充層需滿足以下工藝要求：

(1) 填充層以一定速率凝固后，井壁與圍巖結為一體，達到井壁固定的主要目的，因此要求填充層具有一定強度；

(2) 填充層在使用過程中要有效隔斷含水層與其它地層之間的溝通，防止豎井底部發(fā)生涌水事故，因此要求填充層具有良好的抗?jié)B性；

(3) 為防止井壁在周邊地層沉降時承受過大的豎直方向載荷，應保證在地層沉降量較大時，填充層可相對井壁滑動，因此要求填充層具有一定的伸縮性；

(4) 為保證填充質量，降低孔隙率，提高抗壓強度，要求填充材料在施工過程中具有良好的流動性。

當前廣泛采用的豎井壁后填充施工已完全實現機械化和自動化，基本的設備布置和注漿方式如圖1所示。

圖1 煤礦豎井壁后充填基本施工設備

2 砂漿組分及作用

如圖2所示，砂漿主要由水、水泥、砂石、礦物摻和劑(粉煤灰)、減水劑5部分組成，在設備中自動按預設比例進行均混，然后再泵送至井壁與圍巖間隙內。砂漿各組成的作用如下：

(1) 水。水與水泥混合后形成水泥漿，可包裹砂石等顆粒，同時填充空隙，潤滑利于流通；

(2) 水泥。水泥為粉末狀的無機凝膠材料，與水混合后形成漿體，不同標號的水泥以一定的凝結速率在空氣或水中發(fā)生硬化，若與砂石混合后，則可將其緊實地膠結其中。本次施工采用普通硅酸鹽水泥，比表面積350 mm2/kg，抗壓強度48.7 MPa；

(3) 砂石。砂石在砂漿中作為受力骨架，可增強水泥凝固體的強度。砂石根據泥漿功能不同而在顆粒度的配制上呈現較大差異。粗砂比細砂的總表面積小，因此與水泥的接觸面積也小，不利于強度發(fā)揮；而砂石作為主要的混合料，粗砂比例增大可明顯減少水泥的使用量，降低施工成本。所以良好的砂石配比可在一定的成本范圍內，最大程度發(fā)揮砂漿的強度；

(4) 礦物摻和料。本次施工選用粉煤灰作為礦物摻和料。其主要成分為鋁硅酸鹽，可替代部分水泥，降低成本；同時，其顆粒狀態(tài)還可改善砂漿的性能；

(5) 減水劑。對于煤礦深井的壁后充填原料，因砂漿運送距離較大，因此運輸時間較長。減水劑可在增加用水量的前提下提高砂漿的和易性，延長凝結時間，同時改善砂漿的其它性能。

圖2 砂漿組分

3 砂漿組分試驗研究與改進

反映砂漿性能的評估參數包括擴展度、流出時間、抗壓強度等，本文將通過改變各組分比例來研究最佳的砂漿組分配比。

3.1 水灰比對砂漿性能影響

水灰比是指砂漿中水與粉灰物(包括水泥、粉煤灰)的比例。設計如表1所示的4種砂漿配比進行試驗，水灰比分別為0.25，0.3，0.35，0.4。試驗結果見表2，可以看出，隨著砂漿中含水量的增加，其擴展度增加，流出時間減小，即砂漿的黏度降低、流動性增強。從3 d的初凝強度和30 d后的最終強度數值可以看出，隨著含水比例增加，抗壓強度逐漸減弱。因此，在選擇水灰比時，應綜合考慮施工工藝對砂漿的流動性和抗壓強度的不同要求。結合平舒礦豎井施工的具體需求，最終選擇表1中第2組水灰比作為后續(xù)對比試驗的基礎。

表1 試驗砂漿各組分比例(比重)

表2 水灰比試驗結果

3.2 砂石細度對砂漿性能影響

在第2組水灰比基礎上，保持各對比組的水泥/砂石比例、減水劑比例不變，而改變砂石細度，4組對應砂石細度模數分別為1.5，2，2.5，3。試驗結果見表3，可以看出，隨著砂石細度模數增加，砂漿流動性變差，且抗壓強度規(guī)律性降低。綜合考慮，適宜的砂石細度應在1.5～2之間。

表3 砂石細度試驗結果

3.3 礦物摻和料對砂漿性能影響

礦物摻和料選擇粉煤灰，粉煤灰在灰分中比例分別為0,0.1,0.2,0.3，試驗結果見表4，可以看出，由于灰狀顆粒物的潤滑作用，隨著粉煤灰比例的增加，砂漿流動性增強，初始抗壓強度逐漸降低，但最終強度數值在0.2時達到最大，因此，考慮砂漿綜合性能，粉煤灰比例選擇0.2。

表4 粉煤灰比例試驗結果

3.4 減水劑對砂漿性能影響

使用同樣試驗方法，由結果可知，減水劑與細砂比例為1.1%時，砂漿整體性能較好。

3.5 砂漿最佳配比

結合以上試驗，得出本次施工用砂漿的最佳配比為水∶水泥∶砂石∶粉煤灰∶減水劑=309∶684∶1026∶135∶11.7，經過試驗，其各項性能參數如表5所示。

表5 本次施工用砂漿性能參數

4 砂漿現場使用

按以上配比制作的砂漿可將比重為僅1.2的泥漿較好地置換完全，施工總耗時12 h，使用水泥1178t，檢查干孔率達到95% 。井壁外觀光滑，厚度達標，且未發(fā)現嚴重蜂窩現象，完全滿足該礦豎井的設計和使用要求。

5 結 論

結合平舒礦豎井實際施工需要，在對壁后充填施工工藝與方案、砂漿組分及作用進行深入研究基礎上，分別對水灰比、砂石細度、礦物摻和料、減水劑等對砂漿綜合性能的影響進行試驗研究，最終得出了該工程所需的最佳砂漿組分比例，實際施工效果良好。

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2017￣01￣23)

侯永平(1974-)，男，內蒙古豐鎮(zhèn)人，助理工程師，主要從事煤礦開采方面的管理工作，Email：592652621@qq.com。