CN102060487B - 一种超深冻结孔置换用缓凝水泥浆组合物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超深冻结孔置换用缓凝水泥浆组合物及制备方法。该组合物由硅酸盐水泥、缓凝剂、稳定剂，水组成，按质量比由水∶水泥＝1份∶0.7份～1份∶1.5份制备成缓凝硅酸盐水泥浆，其中添加的缓凝剂应占水泥质量的0.1份～0.3份，添加的稳定剂应占水泥质量的0份～10份。上述的缓凝剂为JS-1型缓凝剂由羟基羧酸及其盐类及无机盐类组成，其中羟基羧酸及其盐类占50份～70份，无机盐类占30份～50份。制备方法为称取水重量，将水倒入搅拌箱内；称取缓凝剂重量，搅拌；称取膨润土重量，继续搅拌；称取水泥的重量，继续搅拌均匀即可。具有缓凝时间长、可置换性好、结石体强度高的综合优点。广泛用于煤矿，石油等行业。

Description

一种超深冻结孔置换用缓凝水泥浆组合物及其制备方法

技术领域

本发明涉及缓凝水泥浆组合物，具体涉及一种超深冻结孔置换用缓凝水泥浆组合物。

背景技术

冻结法凿井是在井筒开凿前，用人工制冷的方法，将井筒周围地层冻结成封闭的圆筒冻结壁，以抵抗地压，隔绝地下水和井筒的联系，然后在冻结壁的保护下进行掘砌工作的一种特殊施工方法。

近年来，随着深层煤炭及各种矿体的开发，井筒深度不断加大。为确保井筒安全顺利施工，常采用表土段冻结和基岩段注浆的方法施工。这种做法需要冻结、注浆两套工艺，工期长、投资多、速度慢，为此，不少井筒采用一次冻全深的方法，将冻结深度延长到井筒底部10m左右，对表土层和基岩一起冻结，为打干井创造条件，都取得了很好的效果。特别是西部地区部分井筒上覆岩层均为破碎软岩，含水量大，也基本采用一次冻全深的方法进行施工。采用一次冻全深方法施工时，由于冻结管需穿过井底马头门等硐室，井筒到底后，冻结壁自然解冻，大量涌水和泥砂可能通过冻结管与围岩间的环形空间涌入井底，严重时可能造成突水淹井事故。如山东兖州杨庄煤矿，就曾因大量涌水通过冻结管与围岩间的环形空间涌入井底而发生淹井事故，不仅造成了严重的经济损失，还延长了建井工期。为了保证施工安全，防止突水淹井事故发生，应在冻结孔施工时采取一定措施，实际工程中，常采用缓凝水泥浆置换冻结孔内粘土浆，封堵冻结管与围岩间的环形空间，做到既不影响冻结管下放，又能使环形空间不透水。但是随着一次冻全深井筒冻结深度的不断加深，对置换用缓凝水泥浆浆液稳定性、浆液凝固时间、水泥浆固结体强度等都有了更高的要求，因此开展超深冻结孔置换用缓凝水泥浆对冻结法施工具有重要的意义和很强的实用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种浆液稳定，初凝时间＞20小时，水泥浆结石体28天抗压强度达到地下水压力的2倍以上，有良好的和易性与可泵性，结石率要大于90％，泌水率为3％～9％的一种深冻结孔置换用缓凝水泥浆组合物。

本发明的另一目的是提供组合物的制备方法。

为了实现发明目的，本发明的技术方案是这样解决的：一种超深冻结孔置换用缓凝水泥浆组合物，该组合物由硅酸盐水泥、缓凝减水剂、稳定剂，水组成，本发明的特殊之处在于按质量比由水∶水泥＝1份∶0.7份～1份∶1.5份制备成缓凝硅酸盐水泥浆，其中添加的缓凝减水剂应占水泥质量的0.1份～0.3份，添加的稳定剂应占水泥质量的0份～10份，所述稳定剂为膨润土。

所述的缓凝减水剂为JS-1型缓凝剂，所述的JS-1型缓凝剂由羟基羧酸及其无机盐类组成，所述的羟基羧酸为柠檬酸或酒石酸的一种，或两种同时添加，所述的无机盐类为硫酸盐、硼酸盐的一种，或两种同时添加，按质量比其中羟基羧酸占50份～70份，无机盐类占30份～50份。

一种缓凝水泥浆组合物的制备方法，按下述步骤进行：

(1)、制作搅拌箱，安装电动搅拌器；

(2)、按比例称取水的重量，将水倒入搅拌箱内；

(3)、按比例称取缓凝剂的重量，倒入搅拌箱内，搅拌3分钟～5分钟；

(4)、按比例称取膨润土的重量，倒入搅拌箱内，继续搅拌6分钟～10分钟；

(5)、按比例称取水泥的重量，倒入搅拌箱内，继续搅拌10分钟～20分钟。

本发明具有以下特点：浆液稳定，初凝时间＞20小时，水泥浆结石体28天抗压强度达到地下水压力的2倍以上，有良好的和易性与可泵性，结石率要大于90％泌水率为3％～9％。具有缓凝时间长、可置换性好、结石体强度高的综合优点，广泛用于煤矿，石油等行业。

附图说明

图1为本发明井筒主视剖面结构示意图：

图2为不同掺量JS-1型缓凝剂各配比初凝时间曲线图；

图3为掺JS-1型缓凝剂0.1％时各配比浆体的泌水率曲线图；

图4为掺JS-1型缓凝剂0.2％时各配比浆体的泌水率曲线图；

图5为不掺JS-1型缓凝剂时各配比浆体的泌水率曲线图；

图6为不同JS-1掺量情况下各配比浆体的初凝时间曲线图；

图7为不同水灰比各龄期的抗压强度曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对发明内容作进一步说明：

实施例1

一种超深冻结孔置换用缓凝水泥浆组合物，该组合物由硅酸盐水泥、缓凝减水剂、稳定剂，水组成，该组合物由硅酸盐水泥、缓凝减水剂、稳定剂，水组成，按质量比由水∶水泥＝1份∶0.7份～1份∶1.5份制备成缓凝硅酸盐水泥浆，其中添加的缓凝减水剂应占水泥质量的0.1份～0.3份，添加的稳定剂应占水泥质量的0份～10份，所述稳定剂为膨润土。

所述的缓凝减水剂为JS-1型缓凝剂，所述的JS-1型缓凝剂由羟基羧酸及其无机盐类组成，所述的羟基羧酸为柠檬酸或酒石酸的一种，或两种同时添加，所述的无机盐类为硫酸盐、硼酸盐的一种，或两种同时添加，按质量比其中羟基羧酸占50份～70份，无机盐类占30份～50份。

一种缓凝水泥浆组合物的制备方法，按下述步骤进行：

(1)、制作搅拌箱，安装电动搅拌器；

(2)、按比例称取水的重量，将水倒入搅拌箱内；

(3)、按比例称取缓凝剂的重量，倒入搅拌箱内，搅拌3分钟～5分钟；

(4)、按比例称取膨润土的重量，倒入搅拌箱内，继续搅拌6分钟～10分钟；

(5)、按比例称取水泥的重量，倒入搅拌箱内，继续搅拌10分钟～20分钟。

实施例2

一种超深冻结孔置换用缓凝水泥浆组合物，按质量比由水∶水泥＝1份∶0.8份～1份∶1.4份制备成缓凝硅酸盐水泥浆，其中添加的缓凝减水剂应占水泥质量的0.2份～0.25份，添加的稳定剂应占水泥质量的2份～8份，制备方法同实施例1。

实施例3

一种超深冻结孔置换用缓凝水泥浆组合物，按质量比由水∶水泥＝1份∶1.5份制备成缓凝硅酸盐水泥浆，其中添加的缓凝减水剂应占水泥质量的0.3份，添加的稳定剂应占水泥质量的10份，所述稳定剂为膨润土，制备方法同实施例1。

实施例4

一种超深冻结孔置换用缓凝水泥浆组合物，该组合物由硅酸盐水泥、缓凝减水剂、稳定剂，水组成，该组合物由硅酸盐水泥、缓凝减水剂、稳定剂，水组成，按质量比由水∶水泥＝0.7份∶1份制备成缓凝硅酸盐水泥浆，其中添加的缓凝减水剂应占水泥质量的0.2份，添加的稳定剂应占水泥质量的8份，所述稳定剂为膨润土，制备方法同实施例1。

实施例5

一种超深冻结孔置换用缓凝水泥浆组合物，该组合物由硅酸盐水泥、缓凝减水剂、稳定剂，水组成，该组合物由硅酸盐水泥、缓凝减水剂、稳定剂，水组成，按质量比由水∶水泥＝0.9份∶1.1份制备成缓凝硅酸盐水泥浆，其中添加的缓凝减水剂应占水泥质量的0.25份，添加的稳定剂应占水泥质量的7份，所述稳定剂为膨润土，制备方法同实施例1。

参照图1所示为本发明井筒主视剖面结构示意图，在井筒圆周上至少布置外圈冻结钻孔1和内圈冻结钻孔2，所述外圈冻结钻孔1的下部已被置换成缓凝硅酸盐水泥浆，上部还剩余有粘土4，内圈冻结钻孔2已全部被置换成缓凝硅酸盐水泥浆。

图2为不同掺量JS-1型缓凝剂各配比初凝时间曲线图；

(1)、与HN-1缓凝剂比较，JS-1型高效缓凝剂的掺入可在保证浆液稳定性良好的前提下大幅度的延缓其凝结时间。

(2)、当缓凝剂掺量为水泥重量的0.2％时，对于不同水灰比浆体的凝结时间可延缓至35-40小时。当掺量为水泥重量的0.1％时，对于不同水灰比浆体的凝结时间可延缓至16-24小时。

(3)、同时可以看出，JS-1型高效缓凝剂的掺入提高了浆液的流动性，6h可插入程度与HN-1缓凝剂比较有明显提高，大大有利于冻结管的沉降。

图3、图4为掺JS-1型缓凝剂0.1份和0.2份时各配比浆体的泌水率曲线图；掺入JS-1型缓凝剂后，水泥浆液的初始流动性提高到30～32.5cm；浆液6h泌水率一般不大于10％，6h结石率达到90％以上，从实验结果可以看出，JS-1型缓凝剂不但能较大幅度的延缓浆体的初凝时间，同时也具有较大减水作用，提高浆体的初始流动性，浆液的初凝时间也随水灰比的减小而加快，当JS-1掺量为0.1时，一般在14～24小时之间。当JS-1掺量为0.2时，初凝时间可达35～41小时之间。

图5为不掺缓凝剂时水泥浆液性能试验结果可以看出，浆液的初始流动性23～24.5cm；浆液6h泌水率一般小于5％，6h结石率达到95％以上。

图6为不同JS-1掺量情况下各配比浆体的初凝时间曲线图，浆液的初凝时间也随水灰比的减小而加快，当JS-1掺量为0.1时，一般在14～24小时之间。当JS-1掺量为0.2时，初凝时间可达35～41小时之间。

图7为不同水灰比各龄期的抗压强度曲线图，图7给出的抗压强度试验结果来看，浆体的各龄期强度总体上实随着水灰比的减小而提高，当水灰比从1∶0.8减小到1∶1.4时，其抗压强度可从5.00MPa提高到12.00MPa。

原材料的技术要求：

一、缓凝水泥浆的技术要求

1.浆液稳定性：在工地下放冻结管的要求时间内，浆液在孔内沉淀少而不离析，一般充填材料结石率要大于95％，沉淀厚度也能达到设计要求。

2.凝固时间：根据井筒冻结深度确定每根冻结管从置换钻孔内粘土浆—提钻—下放冻结管—焊接—打压试漏整个过程施工约需的时间，再确定缓凝水泥浆的初凝时间。设计的缓凝水泥浆初凝时间，一定要满足下放冻结管最长时间的要求，初凝时间20小时或30小时以上。

3.固结体强度：水泥浆结石体28天抗压强度应达到地下水压力的2倍以上。

4.缓凝剂：(缓凝减水剂)

缓凝减水剂为JS-1型缓凝剂，由羟基羧酸(柠檬酸、酒石酸)及无机盐类(硫酸盐、硼酸盐等)成分组成，按质量比其中羟基羧酸及其盐类占50份～70份，无机盐类占30份～50份。通过无机与有机缓凝剂的复合可以得到适合工程的缓凝剂。

主要技术性能：外观：白色粉末；细度：0.315mm筛上筛余量≤15％；PH值：9±1；减水率10～15％，抗压强度比：R3≥120％，R7≥115％，R28≥110％；缓凝：在常温下掺JS-1型缓凝剂，比不掺者延长水泥凝结时间15～30小时，增塑：水泥浆体的流动性可增大约10cm，有良好的和易性与可泵性；降低温升：掺本剂的混凝土内部温升比不掺者的低5～7℃，温峰推迟15-20小时左右。该剂具有超缓凝、早强、降低温升、推迟热峰、提高结石体抗渗性的综合效益。适用于特殊工程超缓凝水泥浆液的配制，也适用于夏季炎热气候条件下的砼施工。

5.浆液稳定剂：工业用膨润土。

6.浆液稳定性初步优化试验

要使缓凝水泥浆满足浆液稳定性要求，必须加入适量的浆液稳定剂。为确保实验结果的合理性，分别按照表1中配比添加缓凝剂、稳定剂，并按相应水灰比制作缓凝水泥浆液8组，对每组浆液泌水率、结石率及流动性进行了测试。加入稳定剂后浆液各性能测试结果如表1所示。

7、采用JS-1型高效缓凝剂配制的浆液凝结时间试验：

根据浆液稳定性和凝结时间的测定结果分析，可以看出，要使浆液稳定必须根据水灰比的变化掺加0-10％的膨润土，凝结时间采用HN-1缓凝剂显然不能达到30小时以上的使用要求，配置的JS-1型高效缓凝剂。分别按照表1中配比添加缓凝剂、稳定剂膨润土，并按相应水灰比制作缓凝水泥浆液8组，对每组浆液泌水率、6h可插入程度、初始流动性及初凝时间进行了测试。试验结果如表1所示。

表1 掺JS-1缓凝水泥浆液凝结时间试验

4	0.2	0	1∶1.4	3.5	容易	30.5	41h25min
								5	0.1	10	1∶0.8	4	较容易	30.5	24h20min
6	0.1	6	1∶1	3	较容易	30.5	21h40min
								7	0.1	3	1∶1.2	4	较容易	30.0	16h05min
8	0.1	0	1∶1.4	3	较容易	31.0	14h05min

从实验结果可以看出：

(1)与现有市售HN-1缓凝剂比较，JS-1型高效缓凝剂的掺入可在保证浆液稳定性良好的前提下大幅度的延缓其凝结时间。

(2)当缓凝剂掺量为水泥重量的0.2份时，对于不同水灰比浆体的凝结时间可延缓至35-40小时。当缓凝剂掺量为水泥重量的0.1份时，对于不同水灰比浆体的凝结时间可延缓至16-24小时。

(3)同时可以看出，JS-1型高效缓凝剂的掺入提高了浆液的流动性，6h可插入程度与HN-1缓凝剂比较有明显提高，大大有利于冻结管的沉降。

8.浆液抗压强度初步试验

浆体的抗压强度试验是在以上性能试验的同时对其抗压强度进行基本的测试，分别测定了水灰比为1∶0.8和1∶1时的3天、28天抗压强度，试验结果如表2、表3所示。

表2 水灰比为(1∶0.8)时浆液固结体抗压强度

5	0	0	1∶0.8	25.3	38.0	13h25min	1.64	3.85
									6	0.3	9	1∶0.8	11.8	28.5	18h11min	1.18	3.97
7	0.6	9	1∶0.8	7.9	30.0	17h40min	1.04	3.62
									8	0.9	9	1∶0.8	10.6	31.5	18h10min	1.17	4.74

表3 水灰比为(1∶1)时浆液固结体抗压强度

从实验结果可以看出：

(1)当水灰比为1∶0.8时，浆体3天的抗压强度1.04～2.03MPa之间，28天抗压强度3.62～5.23MPa之间；

(2)当水灰比为1∶1时，浆体3天的抗压强度1.17～3.10MPa之间，28天抗压强度5.76～10.20MPa之间；

(3)从整体情况来看，浆体的强度与浆体水灰比的大小有直接的关系，也就是说水灰比是影响浆体强度的主要因素。

(4)水灰比相同时，抗压强度之间的差异主要来源于其它原材料配比的相互影响和实验误差，但其影响较小。

9、缓凝水泥浆各性能优化试验

置换冻结孔内粘土浆用缓凝水泥浆的稳定性、凝结时间、结石强度等各种性能要求必须满足施工工艺技术的基本要求，而且各种性能与使用的原材料、外加剂的种类和性能以及它们之间的比例关系都有很大的关系，通过以上的试验分析，从中优化了能满足要求的几组配合比进行了系统的各性能参数测试。

1.配合比优化的依据原则

满足使用单位对浆体凝结时间大于20小时和大于30小时的基本要求，并使浆体具有较良好的稳定性，达到顺利下放冻结管的目的。

2.缓凝水泥浆各性能参数的确定

根据以上缓凝水泥浆各性能参数的初步试验结果分析，缓凝水泥浆各性能参数应满足下列条件：浆液的初始流动性30～32cm；浆液6h泌水率不大于10％(6h结石率不小于90％)；浆液的初凝时间大于20小时；28天具有较高的抗压强度，满足结石体防水、抗渗、固结的基本要求。

3.配合比优化试验及结果分析

根据冻结孔置换用缓凝水泥浆各性能参数的要求，我们确定了优化实验方案，并进行了系统的各性能参数测试。配比及试验结果如表1、2、3所示。

从实验结果可以看出：

(1)从不掺缓凝剂时水泥浆液性能试验结果可以看出，浆液的初始流动性23～24.5cm；浆液6h泌水率一般小于于5％，6h结石率达到95％以上(如图5所示)；

(2)掺入JS-1型缓凝剂后，水泥浆液的初始流动性提高到30～32.5cm；浆液6h泌水率一般不大于10％，6h结石率达到90％以上(如图3、4)所示。从实验结果可以看出，JS-1型缓凝剂不但能较大幅度的延缓浆体的初凝时间，同时也具有较大减水作用，提高浆体的初始流动性。

3)浆液的初凝时间也随水灰比的减小而加快(如图2所示)，当JS-1掺量为0.1时，一般在14～24小时之间。当JS-1掺量为0.2时，初凝时间可达35～41小时之间；

(4)从图6给出的抗压强度试验结果来看，浆体的各龄期强度总体上随着水灰比的减小而提高，当水灰比从1∶0.8减小到1∶1.4时，其抗压强度可从5.00MPa提高到12.00MPa。

(4)从图7给出的抗压强度试验结果来看，浆体的各龄期强度总体上实随着水灰比的减小而提高，当水灰比从1∶0.8减小到1∶1.4时，其抗压强度可从5.00MPa提高到12.00MPa。

(5)通过以上各配比浆液的性能实验，较大范围的给出了缓凝水泥浆液的性能参数，使用单位可根据具体要求合理的选择使用。

缓凝水泥浆实验主要结论及说明

1、主要结论：

(1)单独采用HN-1型缓凝剂所配制的缓凝水泥浆液泌水率大，结石率低，6h可插入性差，不能满足浆液稳定性要求，初凝时间较短，不能满足超深冻结孔置换用缓凝水泥浆的基本要求。

(2)要使缓凝水泥浆满足浆液稳定性要求，必须加入适量的浆液稳定剂，稳定剂的掺入可大大改善浆液的稳定性，随着稳定剂掺量的增大，结石率大幅度提高。

(3)JS-1型高效缓凝剂的掺入可在保证浆液稳定性良好的前提下大幅度的延缓其凝结时间，同时可提高了浆液的流动性，6h可插入程度与HN-1缓凝剂比较有明显提高，大大有利于冻结管的沉降。

(4)从抗压强度试验结果来看，浆体的各龄期强度总体上实随着水灰比的减小而提高，当水灰比从1∶0.8减小到1∶1.4时，其抗压强度可从5.00MPa提高到12.00MPa。

(5)通过优化各配比浆液的性能实验，较大范围的给出了缓凝水泥浆液的性能参数，使用单位可根据具体要求合理的选择使用。

2、几点说明：

(1)试验方法是按照国家有关标准和行业有关规范进行的。

(2)试验结果受原材料的变化影响而有所变化，使用单位必须进行使用前的浆液性能试验，可适当调整配比，以满足使用要求。

置换冻结孔内粘土浆施工工艺技术要求

1.严格按照室内配方试验结果配制浆液，计量上料、搅拌都必须按规定进行。配制浆液程序如下：制作搅拌箱→加水→加缓凝剂→加膨润土→加水泥→搅拌均匀。

2.灌注缓凝水泥浆置换粘土浆应严把质量关。配制缓凝水泥浆所用的材料，如水泥、缓凝剂等必须选用正规厂家产品，质量有保证。要按规定顺序上料，要计量准确、搅拌均匀得使用过期或结块的水泥。

3.灌注缓凝水泥浆时，要一气呵成，不能中断，必要时将孔内粘土浆全部置换掉。缓凝水泥浆灌注完毕，要立即提钻下放冻结管。冻结钻孔施工到设计深度后，用泥浆泵将缓凝水泥浆通过钻杆灌注到孔底，灌满基岩冻结段地层部分。在自然压力下，水泥浆逐渐脱水凝固与冻结段地层固结在一起，并具有一定强度，起到堵水作用。

4.冻结管和地层间环形空间的灌浆充填主要用于基岩冻结段含水层中，不能用于冲积层冻结段地层中。

不掺缓凝剂时水泥浆液性能试验结果见表4，掺缓凝剂时水泥浆液性能试验结果见表5，掺缓凝剂时水泥浆液抗压强度试验结果见表6

Claims (3)

1.一种超深冻结孔置换用缓凝水泥浆组合物，该组合物由硅酸盐水泥、缓凝减水剂、稳定剂，水组成，其特征在于按质量比由水∶水泥＝1份∶0.7份～1份∶1.5份制备成缓凝硅酸盐水泥浆，其中添加的缓凝减水剂应占水泥质量的0.1份～0.3份，添加的稳定剂应占水泥质量的0份～10份，所述稳定剂为膨润土，所述的缓凝减水剂为JS-1型缓凝剂，所述的JS-1型缓凝剂由羟基羧酸及无机盐类组成，所述的羟基羧酸为柠檬酸或酒石酸的一种，或两种同时添加，所述的无机盐类为硫酸盐、硼酸盐的一种，或两种同时添加，按质量比其中羟基羧酸占50份～70份，无机盐类占30份～50份。

2.根据权利要求1所述的一种超深冻结孔置换用缓凝水泥浆组合物，其特征在于按质量比由水∶水泥＝1份∶0.8份～1份∶1.4份制备成缓凝硅酸盐水泥浆，其中添加的缓凝减水剂应占水泥质量的0.2份～0.25份，添加的稳定剂应占水泥质量的2份～8份。

3.一种权利要求1所述的缓凝水泥浆组合物的制备方法，按下述步骤进行：

(1)、制作搅拌箱，安装电动搅拌器；

(2)、按比例称取水的重量，将水倒入搅拌箱内；

(3)、按比例称取缓凝剂的重量，倒入搅拌箱内，搅拌3分钟～5分钟；

(4)、按比例称取膨润土的重量，倒入搅拌箱内，继续搅拌6分钟～10分钟；

(5)、按比例称取水泥的重量，倒入搅拌箱内，继续搅拌10分钟～20分钟。

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