CN113221346B - 一种高掺量粉煤灰基充填材料的充填适用性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高掺量粉煤灰基充填材料的充填适用性评价方法，该方法以高掺量粉煤灰基充填材料的标准养护条件下的抗压强度计算值和渗透系数计算值作为评价指标：当所述标准养护条件下的抗压强度计算值与工程要求抗压强度值的比值大于等于1且所述准养护条件下的渗透系数小于工程要求的渗透强度时，高掺量粉煤灰基充填材料适用于充填；当所述标准养护条件下的抗压强度计算值与工程要求抗压强度值的比值小于1或所述准养护条件下的渗透系数计算值大于等于工程要求的渗透强度值时，高掺量粉煤灰基充填材料不适用于充填；解决了现有技术中不同注浆工况下充填材料的配比设计不够合理、安全储备系数过高、材料浪费的技术问题。

Description

一种高掺量粉煤灰基充填材料的充填适用性评价方法

技术领域

本发明属于注浆材料技术领域，涉及一种高掺量粉煤灰基充填材料的充填适用性评价方法。

背景技术

目前，矿山防渗截流和底板超前区域治理主要采用地面钻孔注浆、底板定向钻孔注浆，而采空区的充填治理主要采用钻孔注浆充填技术。注浆充填具有施工方便、工艺流程简单、扩散距离远、孔隙及裂隙充填密实等优点。现有技术中所使用的充填材料主要由水泥、粉煤灰、水和掺加剂按一定比例拌制而成。其中，粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物，通过在露天煤矿截水帷幕、金属矿山注浆帷幕、井工矿防渗截流、煤矿底板超前区域治理、采空区充填治理以及公路、铁路、地铁突水突泥治理等工程中提高粉煤灰掺量，不但可以减少环境污染，还可变废为宝，实现循环经济发展。

但是，在现有技术中，在进行充填之前，需要对充填材料进行长时间的标准养护，如养护28d、90d，然后测定其抗压强度和渗透系数，其缺陷在于，需要对充填材料进行长时间的标准养护后再测试其抗压强度和抗渗系数，然后才能确定充填材料是否适合工程要求，这就会延长工程工期、影响充填材料的现场推广应用，而且通常采用的28d性能测试仅考虑了充填材料在早期较低的抗压强度和防渗性能，未考虑其中长期的抗压强度和防渗性能，最终导致充填材料的配比设计不够合理、安全储备系数过高、材料浪费。因此，亟需一种高掺量粉煤灰基充填材料的充填适用性评价方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种高掺量粉煤灰基充填材料的充填适用性评价方法，该方法采用粉煤灰活性激发方法，建立高掺量粉煤灰基充填材料标养条件下的抗压强度、渗透系数关系式，进而得到高掺量粉煤灰基充填材料在不同龄期的抗压强度、渗透系数的估算值，以解决现有技术中不同注浆工况下充填材料的配比设计不够合理、安全储备系数过高、材料浪费的技术问题。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种高掺量粉煤灰基充填材料的充填适用性评价方法，该方法以高掺量粉煤灰基充填材料的标准养护条件下的抗压强度计算值和渗透系数计算值作为评价指标：

当所述标准养护条件下的抗压强度计算值与工程要求抗压强度值的比值大于等于1且所述准养护条件下的渗透系数小于工程要求的渗透强度时，高掺量粉煤灰基充填材料适用于充填；

当所述标准养护条件下的抗压强度计算值与工程要求抗压强度值的比值小于1或所述准养护条件下的渗透系数计算值大于等于工程要求的渗透强度值时，高掺量粉煤灰基充填材料不适用于充填。

具体的，所述标准养护条件下的抗压强度计算值通过下式确定：

式中，f_cu ^t为高掺量粉煤灰基充填材料养护t天的抗压强度计算值，单位为MPa；ω为高掺量粉煤灰基充填材料中粉煤灰的百分含量；t为高掺量粉煤灰基充填材料的养护时间，单位为d。

更进一步的，所述标准养护条件下的渗透系数通过下式确定：

式中，k_cu ^t为高掺量粉煤灰基充填材料养护t天的渗透系数计算值，单位10^-6cm/s。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(1)本发明方法建立了高掺量粉煤灰基充填材料的抗压强度、渗透系数与养护时间的关系，同时考虑了粉煤灰掺量对材料性能的影响，有效缩短了标准养护测试的室内试验周期，有助于施工设计人员提前获取材料性能参数，合理设计不同注浆工况的材料配比，科学留设材料的安全储备系数。

(2)本发明方法简便、快捷、准确、实用可靠，实现了对高掺量粉煤灰基充填材料适用性的快速评估，可指导不同注浆工况条件下，高掺量粉煤灰基充填材料配比的合理设计，从而可以科学留设充填材料的安全储备系数，减少材料的浪费，避免不必要的制浆、养护和室内测试等环节时间。

以下结合附图及实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

附图说明

图1为实施例1中利用本发明方法的抗压强度计算值与实测值的比较图；

图2为实施例1中利用本发明方法的渗透系数计算值与实测值的比较图。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

下面对本申请所涉及的专业术语进行解释：

工程要求抗压强度：是指达到工程设计要求，充填材料在承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形能力。

高掺量粉煤灰充填材料：主要由粉煤灰、水泥和水混合搅拌制备，流动度在22cm～32cm，结石率85％～100％，粉煤灰掺量达到粉煤灰与水泥质量之和的50～95％。

实施例1

遵从上述技术方案，本发明给出一种高掺量粉煤灰基充填材料的充填适用性评价方法，该方法以高掺量粉煤灰基充填材料的标准养护条件下的抗压强度计算值和渗透系数计算值作为评价指标：

当所述标准养护条件下的抗压强度计算值与工程要求抗压强度值的比值大于等于1且所述准养护条件下的渗透系数小于工程要求的渗透强度时，高掺量粉煤灰基充填材料适用于充填；

当所述标准养护条件下的抗压强度计算值与工程要求抗压强度值的比值小于1或所述准养护条件下的渗透系数计算值大于等于工程要求的渗透强度值时，高掺量粉煤灰基充填材料不适用于充填。

作为本实施例的一种优选方案，所述标准养护条件下的抗压强度计算值通过下式确定：

式中，f_cu ^t为高掺量粉煤灰基充填材料养护t天的抗压强度计算值，单位为MPa；ω为高掺量粉煤灰基充填材料中粉煤灰的百分含量；t为高掺量粉煤灰基充填材料的养护时间，单位为d。

作为本实施例的一种优选方案，所述标准养护条件下的渗透系数通过下式确定：

式中，k_cu ^t-高掺量粉煤灰基充填材料养护t天的渗透系数计算值，单位10^-6cm/s。

本实施例中的某采空区充填治理项目的工程要求(标准养护的工况要求)为：充填材料的90天抗压强度达到2MPa、渗透系数小于3×10^-6cm/s。

首先，确定标准养护条件下的抗压强度计算值：

通过以下公式得到标准养护条件下养护7d、28d、60d、90d、120d、150d和180d后试样抗压强度计算值：

式中，f_cu ^t为高掺量粉煤灰基充填材料养护t天的抗压强度计算值，单位为MPa；ω为高掺量粉煤灰基充填材料中粉煤灰的百分含量，取值50％～90％；t为高掺量粉煤灰基充填材料的养护时间，单位为d，在本实施例中ω为80％，结果如表1所示：

试样序号	龄期/d	抗压强度/MPa
			1	28	1.19904
2	60	1.8992
			3	90	2.6672
4	120	3.5432
			5	150	4.5272
6	180	5.6192

表1、高掺量粉煤灰基充填材料标养条件下的抗压强度计算值

然后，确定标准养护条件下的渗透系数计算值：

通过以下公式得到标准养护条件下养护7d、28d、60d、90d、120d、150d和180d后试样抗压强度计算值：

试样序号	龄期/d	渗透系数(10-6cm/s)
			1	28	3.7820657
2	60	2.3873495
			3	90	1.6453483
4	120	1.1188901
			5	150	0.7105374
6	180	0.376889

表2、高掺量粉煤灰基充填材料标养条件下的渗透强度计算值

根据本实施例得到的数据可以看出：用本发明方法计算出的抗压强度与实测值的误差在合理误差范围内，90d的抗压强度计算值与工程要求的抗压强度的比值为1.33，大于1，渗透系数为1.6453483，小于工程要求的3×10^-6cm/s，说明粉煤灰掺量为80％的高掺量粉煤灰基充填材料适用于充填。

实施例2

本实施例中的某采空区充填治理项目的工程要求(标准养护的工况要求)为：充填材料的90天抗压强度达到2MPa、渗透系数小于3×10^-6cm/s。

与实施例1的区别在于，本实施例中对高掺量粉煤灰基充填材料进行标准养护，然后实测养护后试样的抗压强度和渗透系数。

即，在标准养护条件下，对高掺量粉煤灰基充填材料进行了7d、28d、60d、90d、120d、150d和180d养护，然后测量高掺量粉煤灰基充填材料在养护后的抗压强度和渗透系数，得到测量值，测量结果如表3和表4所示：

试样序号	龄期/d	抗压强度/MPa
			1	28	1.06
2	60	2.023
			3	90	2.96
4	120	3.13
			5	150	4.38
6	180	5.64

表3、高掺量粉煤灰基充填材料标养条件下的抗压强度测量值

试样序号	龄期/d	渗透系数(10-6cm/s)
			1	28	4
2	60	2.3
			3	90	1.8
4	120	1.26
			5	150	0.8
6	180	0.44

表4、高掺量粉煤灰基充填材料标养条件下的抗压强度测量值

通过实测获得的数据可以看出，高掺量粉煤灰基充填材料90d的抗压强度值为2.96Mpa，大于工程要求的2MPa，渗透系数为1.86×10^-6cm/s，小于工程要求的3×10^-6cm/s，说明粉煤灰掺量为80％的高掺量粉煤灰基充填材料适用于该工况条件下的充填。

通过实施例1和实施例2的结果还可以看出，本发明法计算得到的标准养护条件下的高掺量粉煤灰基充填材料的抗压强度和渗透系数的计算值与实测值均满足该工况条件下的要求，且抗压强度和渗透系数的计算值与实测值的误差小于15％，属于填充作业参数预估的合理误差范围，可以通过调整充填材料的水灰比或水泥掺量来校正。

与标准养护相比，实施例1中通过上述公式快速估算出高掺量粉煤灰基充填材料试样在标准养护条件下养护7d、28d、60d、90d、120d、150d和180d后的抗渗强度和渗透系数，从而大大节省了实际工程作业中的等待时间，从而提高了工程效率，节约了企业的成本。

实施例3

某煤矿截水帷幕工程要求充填材料的28天抗压强度达到2MPa、90天的渗透系数小于0.8×10^-6cm/s；

根据工况要求，确定高掺量粉煤灰基充填材料的水灰比为0.7:1.0，水泥掺量为30％和粉煤灰掺量70％，然后，通过本发明方法确定准养护条件下的抗压强度和渗透系数计算公式确定28天的抗压强度为2.12MPa、90天的渗透系数0.578×10^-6cm/s。

根据本发明的评价方法，计算出水泥掺量为30％和粉煤灰掺量70％的高掺量粉煤灰基充填材料标准养护28d的抗压强度计算值与工程要求抗压强度的比值为1.06，标准养护90天的渗透系数计算值为0.578×10^-6cm/s，低于工程要求强度，说明水泥掺量为30％和粉煤灰掺量70％的高掺量粉煤灰基充填材料符合该工况的要求，可以用于充填。

实施例4

本实施例中，某煤矿底板超前区域治理项目通过定向钻孔在煤层底板注入高掺量粉煤灰基充填材料填充岩溶裂隙、溶隙，改造透水性强的底板岩层。

要求充填材料28天抗压强度达到1.0MPa、渗透系数小于9×10^-6cm/s。

采用本发明方法确定水灰比0.7:1，水泥掺量20％、粉煤灰掺量80％的高掺量粉煤灰基充填材料28d的抗压分别为1.19MPa，渗透系数为3.78×10^-6cm/s。

根据本发明的评价方法，水泥掺量为20％、粉煤灰掺量80％的高掺量粉煤灰基充填材料标准养护28d的抗压强度计算值与工程要求抗压强度的比值为1.19，标准养护90天的渗透系数计算值为0.578×10^-6cm/s，低于工程要求的于9×10^-6cm/s，说明水泥掺量为30％和粉煤灰掺量70％的高掺量粉煤灰基充填材料符合该工况的要求，可以用于充填。

综上所述，使用本发明方法能够计算高掺量粉煤灰基充填材料在不同粉煤灰掺量、不同龄期情况下的抗压强度和渗透系数，对高掺量粉煤灰基充填材料的适用性做快速出评估，从而有效减少了对充填材料进行标准养护后进行评价所需的等待时间。

使用本发明方法可得到高掺量粉煤灰基充填材料不同龄期的抗压强度和渗透系数，从而可以评价高掺量粉煤灰基充填材料不同龄期的强度和抗渗性能，缩短室内试验周期，提前获取材料性能参数，合理设计不同注浆工况的材料配比，科学留设材料的安全储备系数，减少材料的浪费，促进粉煤灰在露天煤矿截水帷幕、金属矿山注浆帷幕、井工矿防渗截流、煤矿底板超前区域治理、采空区充填治理以及公路、铁路、地铁突水突泥治理中的应用，充分利用电厂废弃物粉煤灰，减少粉煤灰排放，保护环境，实现绿色环保可持续发展。

Claims (1)

1.一种高掺量粉煤灰基充填材料的充填适用性评价方法，其特征在于，该方法以高掺量粉煤灰基充填材料的标准养护条件下的抗压强度计算值和渗透系数计算值作为评价指标：

当所述标准养护条件下的抗压强度计算值与工程要求抗压强度值的比值大于等于1且所述准养护条件下的渗透系数小于工程要求的渗透强度时，高掺量粉煤灰基充填材料适用于充填；

当所述标准养护条件下的抗压强度计算值与工程要求抗压强度值的比值小于1或所述准养护条件下的渗透系数计算值大于等于工程要求的渗透强度值时，高掺量粉煤灰基充填材料不适用于充填；

所述标准养护条件下的抗压强度计算值通过下式确定：

式中，f_cu ^t为高掺量粉煤灰基充填材料养护t天的抗压强度计算值，单位为MPa；ω为高掺量粉煤灰基充填材料中粉煤灰的百分含量；t为高掺量粉煤灰基充填材料的养护时间，单位为d；

所述标准养护条件下的渗透系数通过下式确定：

式中，k_cu ^t为高掺量粉煤灰基充填材料养护t天的渗透系数计算值，单位10^-6cm/s。