CN102603220A - 灌浆用高分子复合胶凝剂的制备和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地质灾害治理和煤矿、其他品种矿山开采后的采空区及废旧巷道、塌陷坑填充治理中的胶凝剂技术领域，提供一种新型灌浆用高分子复合胶凝剂配方和方法。胶凝剂的成分和重量百分比如下：10～25％的膨润土，5～20％的纤维素，5～20％的植物胶，10～15％的氢氧化钙，10～25％的无机吸湿剂，0.5～1.5％的无机分散剂，0.5～2％的无机絮凝剂，6～18％的有机絮凝剂，5～15％的碱金属碳酸盐，通过加工粉碎，与水混合注入到泥浆中进行胶凝，本发明充分吸收和利用高吸水矿物质和吸水性合成树脂的特性，引进各种离子基团通过调节得到特定的性能，达到水溶性强但在泥浆中能形成亲水而水不溶性的凝胶，并对泥浆中的固体和溶解物质有良好的粘附力，成胶性好，束水功能强，胶凝速度快且可调，成本低，无污染。

Description

灌浆用高分子复合胶凝剂的制备和使用方法

[技术领域]

本发明属于地质灾害治理和煤矿、其他品种矿山开采后的采空区及废旧巷道、塌陷坑填充治理中胶凝剂技术领域，具体的说是灌浆用高分子复合胶凝剂。

[背景技术]

在地质灾害治理中主要有泥石流控制、河道淤泥浆清除作业等，目前在这方面没有使用胶凝剂技术的报道。泥石流控制主要采用种植草皮、水泥砂浆对山体提前进行加固等措施，对已形成的泥石流没有很好的控制措施，存在治理成本高、技术手段少等缺陷。目前可通过本材料的使用进行治理和预防：一是提前在易发区域播撒高分子胶凝剂使泥土在雨水来临时形成胶泥减少土壤流动和水的渗透来实现；二是在形成泥石流的区域及时喷洒胶凝剂减少泥浆的流动性并及时从泥浆中析出清水来减轻泥石流的危害。河道泥浆清除作业目前主要通过挖泥船挖掘来进行，效率低成本高。目前可通过高压水制作成泥浆水，然后用泥浆泵输送到远处后用胶凝剂使泥浆中的泥土固化，并及时析出清水排入河道循环往复实现清淤。

矿山开采后的采空区及废旧巷道、塌陷坑填充治理，除煤矿外大部分矿山企业主要通过灌注水泥砂浆、粉煤灰等建筑材料外加水玻璃和碳酸氢氨做胶凝剂来实现。但存在着用量大，效果差、成本特高、效率低等问题。部分企业为降低成本，采用粘土为灌浆材料外加水玻璃和碳酸氢氨做胶凝剂，但由于该类型胶凝材料缺乏固水功能，灌浆后脱水量大，形成大量空区水仓，容易形成溃浆和水害，影响周围和矿井的后续开采作业，造成新的安全隐患。

煤矿地质灾害治理除同以往矿山采空区治理有相同之处外还必须考虑到采空区瓦斯、火、水等灾害的防治，所以对治理方法和材料要求就更高。目前有用黄土、粉煤灰等材料制作成液体泥浆外加聚丙烯酸钠或者水玻璃、碳酸氢铵等组合做胶凝剂使用的先例，但存在使用时胶凝效果差，时效期短，粘弹性和堆积性无法调制，特别是聚丙烯酸钠做胶凝剂使用后由于产生较强的溶水性，组份单一，缺乏一定粘弹性，除防灭火效果与本产品性能相近外，填充和防治水的效果较弱，成本也较高，工艺较复杂，其配方组合在整个地质灾害、采空区治理、煤矿开采使用综合性方面有着一定的局限性。

总之，目前采空区填充及灌浆技术要求胶凝剂在使用上，要求适应性广、各种类型黄土、泥土甚至到水泥砂浆等都可使用，工艺上简单易行，性能上有向填充、堵漏、降温、惰化、阻燃等综合性能发展的趋势。核心就是将各种填充材料与水混合后在注入空区和破碎体、裂隙带等区域前混入胶凝剂，形成粘稠状的浆液或胶体。其中的水分或化学物质能形成阻化膜降低氧化反应，同时，水分蒸发可降低温度，形成的胶体能密实填充于空体和缝隙，堵住漏风的通道和渗水的裂隙，达到高效、广泛应用的目的。并且使用上要考虑到矿山条件的复杂，水、土不便，多数山高路远，注浆区域隐蔽复杂，所以要求使用工艺简单易行，能远距离输送，液固转化方便等。目前用于填充、堵漏、固化、防火、防水化学凝胶技术所用的胶凝剂主要有无机凝胶、高分子胶体、复合胶体三类：1)、无机凝胶如Ba(SCN)与MnSO4制得的BaSO4凝胶及硅酸凝胶，例如湖南大学发布的发明专利《一种用于矿山充填的高含水泥浆固化剂及使用方法》专利号CN102211917A)、许多吸水性树脂也能形成有机凝胶，像蛋白质、明胶、表面处理增强了亲水性的淀粉、纤维素等天然高分子材料，都能够形成水凝胶。近年来人工合成的高吸水树脂也越来越多，它们也能吸附大量水而形成凝胶，例如徐精彩等老师发布的《煤层火灾灭火复合胶体》专利号CN1500535A)第三类凝胶是由微量的有机和无机材料组成复合胶凝剂与基料通过反应生成。原理是泥浆中的颗粒充填在胶凝剂形成的网状胶体结构之间，起充填和增强作用，由于吸水材料吸收了大量水分，体积膨胀与泥浆颗粒相互接触而形成假凝胶，再通过加入线型高分子基料，控制大量分子和分子链段与泥浆颗粒间架桥作用形成复合泥浆胶体，所形成的泥浆胶体其综合性能都大大优于单纯的无机和有机添加剂形成的泥浆凝胶。

能形成复合胶体的基料及添加的胶凝剂组合很多，但是出于降低复合胶体成本、方便操作工艺等考虑，许多高吸水矿物和吸水性树脂等高分子材料都是较理想制作泥浆复合胶体的胶凝添加剂。有关方面在胶凝剂方面进行了研究，并取得了一定的成绩。但现有技术或多或少存在这样或那样的不足，如注入空区后容易溃桨、成本高、胶凝强度低、综合性能差，防火不能防水、防水不能防火，且添加使用中工艺比较复杂，混合不均匀，制作的胶体泥浆不太理想等。

[发明内容]

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，综合有机、无机凝胶材料的优点，通过高分子材料的复合化、功能化，提供一种新型复合胶凝剂配方和制作方法以及使用方法。

为实现上述目的设计一种灌浆用高分子复合胶凝剂，所述的胶凝剂的成分和重量百分比如下：10～25％的膨润土，5～20％的纤维素，5～20％的植物胶，10～15％的氢氧化钙，10～25％的无机吸湿剂，0.5～1.5％的无机分散剂，0.5～2％的无机絮凝剂，6～18％的有机絮凝剂，5～15％的碱金属碳酸盐。

所述的纤维素是羧甲基纤维素。

所述的无机吸湿剂优选硫酸钙。

所述的无机絮凝剂优选氯化铁。

所述的有机絮凝剂优选聚丙烯酰胺。

所述的碱金属碳酸盐优选碳酸氢钠。

所述的复合凝胶还可以与水按1∶10～1∶100混合形成混合液。

本发明还包括一种制备灌浆用高分子复合胶凝剂的方法，所述的方法包含以下步骤，

a.将膨润土、硫酸钙、氢氧化钠、碳酸氢钠加工粉碎成150目及以上的细粉，

b.将植物胶、纤维素、聚丙烯酰胺、氢氧化钠氯化铁加工粉碎成40目及以上的细粉，

c.将步骤(a)和步骤(b)得到的细粉混合30分钟后得到复合胶凝剂。

灌浆用高分子复合胶凝剂的使用方法步骤如下：

i.将粘土或粉煤灰加工成粒度小于8mm的粉状物；

ii.将所述的粉状物与水以0.3∶1～1∶1的比例混合，得到浆液；

iii.将所述的胶凝剂与水按1∶10～1∶100的比例混合，得到胶凝剂混合液；

iv.将所述的胶凝剂混合液与所述的浆液混合，添加比例如下，与水混合前的胶凝剂重量为浆液重量的0.6～6‰。

本发明的胶凝剂中加入的各组分以及各组分之间的配合作用具有以下有益效果：

膨润土属廉价无机吸水材料，具有很强的吸湿性，能吸附相当于自身体积数倍的水而膨胀至30倍，在水介质中能分散呈胶体悬浮液，并具有一定的粘滞性、触变性和润滑性，它和泥沙等的掺和物具有可塑性和粘结性，特别是其与聚丙烯酰胺配合使用，在泥浆液聚合中，可吸附于树脂交联网络，使凝胶刚性增强，提高复合泥浆胶体的强度，减少聚丙烯酰胺使用量，降低复合胶凝剂原料成本；

植物胶、羧甲基纤维素都是天然高分子材料，在泥浆中具有耐盐碱、悬浊等特性，且不产生盐析现象。植物胶遇水能溶胀水合形成高粘度的溶胶液，其粘度随粉剂浓度增加而显著增加，水合后可与泥浆中的多种离子发生交联作用，形成具有一定粘弹性水基凝胶，能极大提高了泥浆胶体的粘度。羧甲基纤维素遇水可形成高粘度的胶体溶液、有粘着、增稠、流动、乳化分散、赋形作用，在泥浆胶体中起着薄膜成型保护胶体的作用。植物胶、羧甲基纤维素形成高粘度的溶胶液与其他高吸水矿物质(指膨润土、硫酸钙等)结合形成一定的粘弹性胶黏体，再与泥沙基料混合作用，能有效提高泥浆的粘弹性、致密性和堆积性；

聚丙烯酰胺是合成高分子材料，有着极强的絮凝作用，其通过引进各种离子基团调节，其亲水基团与泥浆中其他亲水基团架桥吸附，使泥浆中形成亲水而水不溶性的凝胶，极大的增加了吸水性和束水性，使极易流动泥浆在一定的时间、地点很快实现了液固转化(一般从加入复合胶凝剂到泥浆成胶状短则仅需要2分钟，时间长可控制在30分钟)，进一步极大的提高了泥浆的粘弹性、致密性、堆积性和防水性，使形成的泥浆胶体完全具备了填充空区所具备的堆积性，裂隙封堵和防风所具备的粘弹性、致密性，裂隙漏水所具备防水封堵功能。

复合胶凝剂中的硫酸钙是一种无机胶凝剂，其亲水基团能在泥浆中起固化吸水作用。另外硫酸钙与氢氧化钙形成的亲水基团，具备一定的阻化性能，对煤矿采空区浮煤具备一定的阻燃特性。复合胶凝剂中含有碳酸氢钠，当泥浆遇高温后其中可产生二氧化碳惰性气体，填充空间提高填充效率，使该材料进一步具备煤矿采空区火区治理性能。复合胶凝剂中的氢氧化钠是分散剂可有效帮助高分子吸水材料和高吸水矿物质均匀渗透到泥浆颗粒中，帮助快速成胶。复合胶凝剂中氯化铁是无机絮凝剂和促凝剂，与聚丙烯酰胺联合作用，不仅能更大提高胶凝效果，而且能提高胶体的高温特性。

通过以上组合配方制作的复合胶凝剂，经粉碎成不同的粒度混合(40和150目)，使得不同溶解或胶凝反应速度的物质，在泥浆中基本一致，混合的泥浆在管道和钻孔中能充分的流动混合，流出钻孔或管道进入空区和裂隙后，能基本按设定的时间立刻同时凝固成胶体泥浆，使得远距离输送泥浆，就地制胶的灌浆工艺变得非常容易。特别在地质灾害治理，矿山采空区、塌陷区治理和煤矿采空区及采空区火区治理方面有很好的技术效果。配方组合所选用的材料基本都是市场常用产品，用量少，基本无毒无害环保，成本比其他相同材料要低30％。性能广，作用强，应用广泛，特别针对施工人员不能到达的工作区域、有危险的区域、地下空区、矿山采空区等的填充、堵漏、防风、防火、防水的治理工程有很好的应用前景。

[具体实施方式]

对本发明做进一步说明，但是本发明不局限于实施例，其中的生产装置的制造技术对本专业的人来说是非常清楚的。

实施例1

(A)复合胶凝剂

按照重量百分比，分别称取20％的膨润土、20％硫酸钙、10％的氢氧化钙、12％的植物胶、12％的羧甲基纤维素、16％的聚丙烯酰胺，8％的碳酸氢钠、0.6％的氢氧化钠、1.4％氯化铁混合均匀制备胶凝剂。

(B)浆液制备(按照质量份计)

(1)将黄土筛分成粒度小于8mm的粉状物，称取500份土400份水匀混合成浆液；

(2)再将胶凝剂称取1份；

(3)将称取的胶凝剂加入100份水中并均匀混合成胶凝剂水溶液；

(4)将混合好的胶凝剂水溶液以一定的压力注入到泥水浆液中。

(5)将注入胶凝剂水溶液的泥水浆液进一步混合搅拌，3分钟后形成凝胶，并同时注入到空区和裂隙及破损的煤体表面进行治理。

实施例2

(A)复合胶凝剂

按照重量百分比，分别称取22％的膨润土、18％硫酸钙、5％的氢氧化钙、20％的植物胶、20％的羧甲基纤维素、8％的聚丙烯酰胺，5％的碳酸氢钠、1％的氢氧化钠、1％氯化铁混合均匀制备胶凝剂。

(B)浆液制备(按照质量份计)

(1)将黄土筛分成粒度小于8mm的粉状物，称取500份土与400份水均匀混合成浆液；

(2)再将复合胶凝剂称取5份；

(3)将称取的胶凝剂加入100份水中并均匀混合成胶凝剂水溶液；

(4)将混合好的胶凝剂水溶液注入到泥水浆液中；

(5)将注入胶凝剂水溶液的泥水浆液进一步混合搅拌6分钟后形成凝胶，并同时注入到空区和裂隙及破损的煤体表面进行治理。

实施例3

(A)复合胶凝剂

按照重量百分比，分别称取18％的膨润土、16％硫酸钙、15％的氢氧化钙、10％的植物胶、12％的羧甲基纤维素、16％的聚丙烯酰胺，10％的碳酸氢钠、1％的氢氧化钠、2％氯化铁混合均匀制备胶凝剂。

(B)浆液制备(按照质量份计)

(1)将黄土筛分成粒度小于8mm的粉状物，称取550份土与350份水均匀混合成浆液；

(2)再将胶凝剂称取2份；

(3)将称取的胶凝剂加入100份水中并均匀混合成胶凝剂水溶液；

(4)将混合好的胶凝剂水溶液添加到泥水浆液中。

(5)将注入胶凝剂水溶液的泥水浆液进一步混合搅拌5分钟后形成有堆积性泥浆胶体，并同时注入到空区和裂隙及破损的煤体表面进行治理工作。

Claims (9)

1.灌浆用高分子复合胶凝剂，其特征在于所述的胶凝剂的成分和重量百分比如下：10～25％的膨润土，5～20％的纤维素，5～20％的植物胶，10～15％的氢氧化钙，10～25％的无机吸湿剂，0.5～1.5％的无机分散剂，0.5～2％的无机絮凝剂，6～18％的有机絮凝剂，5～15％的碱金属碳酸盐。

2.如权1所述的灌浆用高分子复合胶凝剂，其特征在于所述的纤维素是羧甲基纤维素。

3.如权1所述的灌浆用高分子复合胶凝剂，其特征在于所述的无机吸湿剂是硫酸钙。

4.如权1所述的灌浆用高分子复合胶凝剂，其特征在于所述的无机絮凝剂是氯化铁。

5.如权1所述的灌浆用高分子复合胶凝剂，其特征在于所述的有机絮凝剂是聚丙烯酰胺。

6.如权1所述的灌浆用高分子复合胶凝剂，其特征在于所述的碱金属碳酸盐是碳酸氢钠。

7.如权1所述的灌浆用高分子复合胶凝剂，其特征在于所述的复合凝胶与水按1∶10～1∶100混合形成混合液。

8.一种制备灌浆用高分子复合胶凝剂的方法，其特征在于所述的方法包含以下步骤，

a.将膨润土、硫酸钙、氢氧化钠、碳酸氢钠加工粉碎成150目及以上的细粉，

b.将植物胶、纤维素、聚丙烯酰胺、氢氧化钠氯化铁加工粉碎成40目及以上的细粉，

c.将步骤(a)和步骤(b)得到的细粉混合30分钟后得到复合胶凝剂。

9.一种权1所述灌浆用高分子复合胶凝剂的使用方法，其特征在于该方法步骤如下，

i.将粘土或粉煤灰加工成粒度小于8mm的粉状物，

ii.将所述的粉状物与水以0.3∶1～1∶1的比例混合，得到浆液，

iii.将所述的胶凝剂与水按1∶10～1∶100的比例混合，得到胶凝剂混合液；

iv.将所述的胶凝剂混合液与所述的浆液混合，添加比例如下，与水混合前的胶凝剂重量为浆液重量的0.6～6‰。