CN102757206B - 矿用裂隙注浆材料及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了矿用裂隙注浆材料及其使用方法，矿用裂隙注浆材料由下列重量份比的原料组成：超细水泥5.5～6.0kg、硅粉0.5～1.0kg、粉煤灰2.5～3.0kg、膨润土0.3～0.5kg、减水剂0.05～0.12kg。矿用裂隙注浆材料以超细水泥为基质材料，辅以其他材料，具有高结石率、微膨胀性、低析水率，稳定性良好等优点；在水灰比为1∶1时，28天抗压强度可达15MPa；矿用裂隙注浆材料能很好地注入、渗入岩体细小裂隙；既不存在化学浆液的对地下水环境污染问题，又保有满足加固和抗渗效果的工程要求；通过矿用裂隙注浆材料制成的浆液不仅用于矿山防治水，也可用于水利水电工程岩体微孔裂隙岩体加固工程。

Description

矿用裂隙注浆材料及其使用方法

技术领域

本发明属于岩体裂隙注浆工程领域，具体地说是矿用裂隙注浆材料及其使用方法。

背景技术

注浆堵水是煤矿防治水害的重要手段之一。我国北方煤矿在深部开采过程中，遇到各种灰岩水害的威胁，目前采取两种措施，一种是疏水降压，本方法受到水环境的保护与吨煤成本增高的限制，用得较少；二是注浆改造加固，即对受底部灰岩水威胁的底板隔水层进行注浆加固改造，增加其防渗强度，得到改善底板强度的作用。

深部煤层底板岩体裂隙发育，且承受较大水压力，底板突水一直威胁着煤炭的安全开采。所以，煤层底板注浆是最重要的防治手段。目前所用的注浆材料主要有两大类，一类是化学浆液，该浆液可注性好，能注入岩层中的细小裂隙或孔隙。其缺点是结石体强度较低、耐久性较差、价格较贵，尤其对周围地下水源有严重的污染。因此，以加固为目的的工程一般较少采用化学浆材，故应用面不广。另一类就是水泥类浆液，是一种使用面最广的基本注浆材料。水泥类浆液虽然具有价格较低且结石体强度高等优点，但是由于粒径较粗，岩体中微细裂隙难以注入，初凝与终凝时间较长且不能准确控制、强度增长速度慢，且易沉降析水等缺点，并且在大孔隙地层中注浆易出现漏浆现象，因而，注浆质量难以保证。因此，目前在水泥类浆液的应用上也有一定的局限性。近年来国内、外在改善水泥类浆液性能方面做了大量的研究工作，如用各种化学添加剂来缩短水泥类浆液的胶凝时间及提高其可注性；为了提高水泥浆液的可注性，开发了超细水泥注浆材料等。超细水泥注浆材料，其粒度约为普通水泥的十分之一，但其价格大约是普通水泥的十倍，在大量使用的情况下，工程费用较高。因此，按照现有市场急需，开发一种既能满足实际工程需要、又经济适用的注浆材料。

目前，在煤层底板加固和含水层改造工程中应用较多的有纯水泥浆液、水泥粘土浆液、粉煤灰水泥浆液等。水泥粘土浆液中粘土占到60—80%，浆液具有高分散性、高结石率、低成本等优点，但是在粘土掺入量较大时，浆液的强度低、粘度高，只适用于充填注浆，难以应用于煤层底板加固；粉煤灰水泥浆液的优点是浆液的和易性好，缺点是粉煤灰在浆液中容易产生分层现象，并且强度较低；纯水泥浆液优点是强度较高，缺点是浆液的析水率高、结石率低、成本高。

发明内容

基于深部煤层底板岩体裂隙发育非均匀性、各向异性、微空隙性等特点及承受较大的水压应力条件，本发明提供一种矿用裂隙注浆材料及其使用方法，具体为以超细水泥为基质材料，通过添加其它不同性能材料，使其具有高渗透性、低析水率、高结石率、微膨胀性等性能，从而满足煤层底板岩体裂隙注浆需要的煤矿用微细高性能复合微裂隙注浆材料及其使用方法。

本发明是这样实现的，矿用裂隙注浆材料，其由下列重量份比的原料组成：超细水泥5.5～6.0kg、硅粉0.5～1.0kg、粉煤灰2.5～3.0kg、膨润土0.3～0.5kg、减水剂0.05～0.12kg。

作为上述方案的进一步改进，该减水剂为聚羧酸系减水剂。

本发明还提供上述矿用裂隙注浆材料的使用方法，矿用裂隙注浆材料在使用时，按水灰比为1∶1进行混合，经搅拌调制成浆液。

本发明的有益效果是：

1)本发明以超细水泥为基质材料，其粒径在零点几微米到几十微米之间，辅以其他材料，既能降低材料成本，又能能很好地注入、渗入岩体细小裂隙；既不存在化学浆液的对地下水环境污染问题，又保有满足加固和抗渗效果的工程要求；

2)本发明具有高结石率、微膨胀性、低析水率，稳定性良好等优点，在水灰比为1∶1时，28d抗压强度可达15MPa；

3)矿用裂隙注浆材料中粉煤灰占的比例较大，不仅使得浆液性质发生良性改变，同时，降低了成本，将废物进行有效的利用，保护了环境；

4)利用矿用裂隙注浆材料制成的浆液不仅用于矿山防治水，也可用于水利水电工程岩体微孔裂隙岩体加固工程；

5)本发明具有高渗透性、低粘度、低析水率、高结石率、强度适中等优点。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明结合生产实际和以往应用于此类工程中的经验与不足，研究了大量原材料的性能，选定其中四种原材料进行浆液的制配，通过材料的不同配比混合，测试其物理性能，并用正交试验方法找出了最优的配比方案，且还找出最优的使用方法。

本发明提供的矿用裂隙注浆材料（亦称之为矿用微细高性能复合微裂隙注浆材料）由超细水泥、硅粉、粉煤灰、膨润土、减水剂组成。最佳配比方案为超细水泥5.0～6.0kg、硅粉0.5～1.0kg、粉煤灰2.5～3.0kg、膨润土0.3～0.5kg，减水剂0.05～0.12kg，即超细水泥∶硅粉∶粉煤灰∶膨润土∶减水剂为5.5～6.0∶0.5～1.0∶2.5～3.0∶0.3～0.5∶0.05～0.12。矿用微细高性能复合微裂隙注浆材料在使用时，选择水灰比在1∶1时，粘度19～25S、析水率0.5%～2%、初凝时间6h10min～6h35min、终凝时间8h15min～8h50min，28d结石体强度能达到15MPa以上。该减水剂优选为聚羧酸系减水剂。

接下去，对矿用微细高性能复合微裂隙注浆材料的主要成分比例及其作用做一个详细的介绍。

（1）超细水泥（专业术语，有特定的粒径要求，目前规定为：超细水泥，其中位粒径D50可细至1μm以下，达到次纳米级，最大粒径Dmax不超过18um，80％以上颗粒尺寸在5μm以下，颗粒细度水平达到或超过国外同类产品先进水平）。在本实施方式中，超细水泥的粒径在零点几微米到几十微米之间。超细水泥是一种理想的高性能超细颗粒水泥基灌浆材料，它具有与有机化学灌浆液相似的良好渗透性和可灌性，具有更高的强度和耐久性，其比例约为60%。

（2）粉煤灰。在浆液中掺加粉煤灰主要是为了改善浆液的和易性，增强浆液的可泵性，减少水化热、热能膨胀性，提高浆液抗渗能力，且节约超细水泥用量，降低成本。其掺量约在25%～30%之间。

（3）硅粉。硅粉是一种颗粒比超细水泥还要细的电厂副产品，它能够填充水泥颗粒间的孔隙，同时与水化产物Ca（OH）₂生成凝胶体，与碱性材料氧化镁反应生成凝胶体。本次掺入适量的硅灰可显著提高抗压、抗折、抗渗、防腐、抗冲击及耐磨性能；具有保水、防止离析、泌水、大幅降低泵送阻力的作用；提高浆液的结石率和结石体的致密性，降低浆液的析水率；有效防止发生浆液与碱骨料反应，其掺量约为5～10%。

（4）膨润土。膨润土是一种以蒙脱石为主要成分的粘土，具有一定的膨胀性和较好的稳定性，在水灰比一定的情况下，随着膨润土掺量的增加，浆液的粘度增大、析水率降低，所以膨润土是一种较好的稳定剂和膨胀剂。膨润土的掺入对水泥浆液的强度有一定影响，只要掺量在5%以内，对浆液强度影响是允许的。含有膨润土的水泥浆溶液，其保水性、分层度都有较大改善，含水量增大，使得水泥浆溶液的工作性能得到更好的保持，其掺量为5%左右。

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细描述。

实施例1：

矿用微细高性能复合微裂隙注浆材料由下列重量份的原料组成：

组分：超细水泥5.0kg、硅粉0.5kg、粉煤灰2.5kg、膨润土0.5kg、减水剂0.05kg。超细水泥粒径在零点几微米到几十微米之间，硅粉是一种颗粒比超细水泥还要细的电厂副产品。

工艺：将上述原料混合均匀，加入水，按水灰比为1∶1进行混合，经充分搅拌即调制成浆液。

浆液性能：析水率1.2%、粘度19.53S、初凝时间7h14min、终凝时间8h55min、结石体7d抗压强度7.2MPa、28d抗压强度12.5MPa。

实施例2：

组分：超细水泥6.0kg、硅粉1.0kg、粉煤灰3.0kg、膨润土0.4kg、减水剂0.07kg。

工艺：将上述原料混合均匀，加入水，按水灰比为1∶1进行混合，经充分搅拌即调制成浆液。

浆液性能：析水率1.0%、粘度25.63S、初凝时间6h18min、终凝时间8h25min、结石体7d抗压强度9.4MPa、28d抗压强度15.6MPa。

实施例3：

组分：超细水泥5.5kg、硅粉1.0kg、粉煤灰2.5kg、膨润土1.0kg、减水剂0.10kg。

工艺：将上述原料混合均匀，加入水，按水灰比为1:0.8进行混合，经充分搅拌即调制成浆液。

浆液性能：析水率1.7%、粘度23.72S、初凝时间6h48min、终凝时间9h15min、结石体7d抗压强度6.7MPa、28d抗压强度13.8MPa。

实施例4：

组分：超细水泥5.5kg、硅粉1.5kg、粉煤灰2.5kg、膨润土1.5kg、减水剂0.10kg。

工艺：将上述原料混合均匀，加入水，按水灰比为1∶1进行混合，经充分搅拌即调制成浆液。

浆液性能：析水率1.3%、粘度38.06S、初凝时间7h14min、终凝时间9h45min、结石体7d抗压强度5.2MPa、28d抗压强度13.5MPa。

实施例5：

组分：超细水泥5.5kg、硅粉1.5kg、粉煤灰2.5kg、膨润土1.5kg、减水剂0.12kg。

工艺：将上述原料混合均匀，加入水，按水灰比为1∶0.8进行混合，经充分搅拌即调制成浆液。

浆液性能：析水率0.5%、粘度38.06S、初凝时间7h14min、终凝时间9h45min、结石体7d抗压强度5.5MPa、28d抗压强度12.2MPa。

综上所述，本发明提供的矿用裂隙注浆材料（亦称之为矿用微细高性能复合微裂隙注浆材料）具有以下有益效果：

1)本发明注浆材料以超细水泥为基质材料，其粒径在零点几微米到几十微米之间，辅以其他材料，既能降低材料成本，又能能很好地注入、渗入岩体细小裂隙；既不存在化学浆液的对地下水环境污染问题，又保有满足加固和抗渗效果的工程要求；

2)本发明具有高结石率、微膨胀性、低析水率，稳定性良好等优点，在水灰比为1∶1时，28d抗压强度可达15Mpa；

3)注浆材料中粉煤灰占的比例较大，不仅使得浆液性质发生良性改变，同时，降低了成本，将废物进行有效的利用，保护了环境；

4)利用矿用微细高性能复合微裂隙注浆材料制成的浆液不仅用于矿山防治水，也可用于水利水电工程岩体微孔裂隙岩体加固工程；

5)本发明具有高渗透性、低粘度、低析水率、高结石率、强度适中等优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.矿用裂隙注浆材料，其特征在于，其由下列重量份比的原料组成：超细水泥5.5～6.0kg、硅粉0.5～1.0kg、粉煤灰2.5～3.0kg、膨润土0.3～0.5kg、减水剂0.05～0.12kg。

2.如权利要求1所述的矿用裂隙注浆材料，其特征在于，该减水剂为聚羧酸系减水剂。

3.矿用裂隙注浆材料的使用方法，其特征在于，该矿用裂隙注浆材料为如权利要求1至2中任意一项所述的矿用裂隙注浆材料，矿用裂隙注浆材料在使用时，按水灰比为1∶1进行混合，经搅拌调制成浆液。