CN105084835A - 一种煤矿奥灰高承压水底板裂隙注浆材料及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿奥灰高承压水底板裂隙注浆材料及其制作方法，其特征在于，它由60份的煤矸石粉、25-30份的普通硅酸盐水泥和10-15重量份的粘土先混合后再粉磨而成；要求混合前的煤矸石粉的颗粒粒径小于45un。本发明在满足煤矿具体深部高承压灰岩改造的基础上，充分利用煤矸石降低注浆材料成本，粘土是一种相对廉价且容易获取的原材料，在节约成本的同时，又达到注浆材料的各项指标要求，使煤矿可以充分利用废弃煤矸石对奥灰隔水层进行治理，可有效降低注浆治理成本，提高企业效收益，有利于改善矿区周围环境。<!-- 2 -->

Description

一种煤矿奥灰高承压水底板裂隙注浆材料及其制作方法

技术领域

本发明涉及注浆材料。

背景技术

奥灰是指奥陶纪灰岩。地壳中的奥陶纪灰岩存在大量的储水溶洞，有些煤矿长期受奥灰水的威胁。当奥灰水处于高位时，通过自生裂隙和隔水层采动裂隙涌入煤矿工作面，造成淹井事故。目前的治理方法是对奥灰底板进行注浆，封堵裂隙。现有的底板注浆工程，注浆材料普遍采用单液水泥浆和粘土水泥混合浆，其中水泥-粘土浆液的材料中，水泥含量40％、粘土含量60％。而对于煤矿企业在开展大规模注浆工程中，特别是在高承压奥灰隔水层注浆改造工程中，不仅需要消耗大量水泥，为降低注浆成本提高浆液性能，通常加入粘土节约成本，对自然资源破坏大。

煤矸石作为矿山企业生产的副产品，大量堆弃于矿井周围，其内部由于具有部分潜在的活性组分，时常用于建材产品的生产。是否可以考虑利用矿山周围堆弃的煤矸石，作为注浆，减少对环境的危害，减轻煤炭企业对环境的污染治理成本，是值得研究的问题。目前，有的对注浆材料添加煤矸石，但在早期强度和富裕强度方面不稳定，所以煤矸石掺量极少。废弃矸石山作为煤炭企业主要的工艺废弃物大量堆积于煤炭企业周围给环境造成了严重的污染和危害，并同时带来占用了土地、资源浪费等诸多问题。在当今世界经济、社会发展和我国改革建设面临的人口、资源、环境三大问题中，矿山废弃煤矸石就与其中两项相关。因此，综合利用矿山煤矸石，使之变废为宝、化害为利，对节约资金、改善环境、提高效益，对于促进经济增长方式的转变，实现矿产资源的优化配置和矿业开发可持续发展，具有十分重要的作用，也是我国矿业工作者面临的重要使命。

另外，注浆材料的强度是一个重要的性能指标，国家相关标准对不同的注浆工程都有明确的要求。特别是在矿山领域，注浆工程的安全要求极高，对注浆材料的强度提出了更高的要求，不仅要求注浆材料达到相关标准，而且根据施工的需要，在早期强度和富裕强度方面提出新的要求。另外，浆液的流动度和和易性是注浆材料的一个重要指标，特别是对于大埋深高水压注浆工程，良好的流动度和和易性，可以有效提高注浆工程效率，保证注浆工程效果，同时便于施工人员操作，有利于注浆设备使用。还有，浆液结石体的抗渗性能是注浆材料的一个重要指标，特别是在奥灰隔水层注浆改造工程中，当浆液注入岩层后，在水压作用下浆液结石体的抗渗能力是保证后续安全开采施工的重要保证。所以在注浆材料中添加掺加煤矸石后，在凝胶时间、结石体强度、流动度、抗渗性能、和易性和可注性等发明要符合上述要求。因此，对煤矸石的掺量、物理粉磨粒度、活性还要进一步研究。

发明内容

本发明的目的是为了将大量废置的煤矸石材料资源化利用，减少对环境的危害，减轻煤炭企业对环境的污染，节约注浆材料成本，提出一种以煤矸石为主要原料的煤矿奥灰高承压水底板裂隙注浆材料。

一种煤矿奥灰高承压水底板裂隙注浆材料，其特征在于，它由60份的煤矸石粉、25-30份的普通硅酸盐水泥和10-15份的粘土先混合后再粉磨而成；要求混合前的煤矸石粉的颗粒粒径小于45un，上述份数为重量份。

上述原料最优配比为：煤矸石粉60份、普通硅酸盐水泥30份、粘土10份。

上述煤矿奥灰高承压水底板裂隙注浆材料制作方法，其特征在于：

第一步、用球磨机将煤矸石球磨25min后，过200目方孔筛，取筛下煤矸石粉状物备用；用勃氏透气仪测定其粉状物料堆积密度应为2.45g/cm³，比表面积应为330m²/kg；

第二步、取60重量份的煤矸石粉状物、25-30重量份的普通硅酸盐水泥、10-15重量份的粘土充分混合；

第三步、将上述混合物再粉磨25min后，称重分装，制得成品。

本发明的积极效果是：

1.由于煤矸石提到地面后经过风化日晒或自燃，化学性质发生了显著变化，硅含量高，CaO含量较低，SiO₂的含量一般在50％左右，活性较低；铝含量高，Al₂O₃含量高达16％以上，说明煤矸石组分较为稳定性，但活性矿物较少；煤矸石中(CaO+MgO+K₂O+Na₂O)/(SiO₂+P₂O₅)比值较低，属于低碱度矿物；所以通过采用物理粉磨方法提高了材料各组分的活性，加速材料的水化速度，提高了注浆材料的早期强度。

2.经试验，用球磨机分别将煤矸石粉磨20min、25min、30min，200目过筛后，通过对三组煤矸石粉的细度、粒度及比表面积测试发现，粉磨25min和30min时的粒度分布差异微小，约98％的颗粒粒径小于45un，1～90um区间分布的颗粒明显比粉磨20min的稳定，堆积密度为2.45g/cm³，比表面积为330m²/kg；所以煤矸石粉磨时间定为25min。该粒度对提高硬化浆体的密度和抗渗性具有显著效果，对结石体力学性能提高有一定的积极作用，增加了对奥灰底板裂隙注浆的可行性。

另外25min粉磨时间为经济时间，超过25min意义不大，浪费能耗。

3.采用先将煤矸石粉磨至一定细度，再与粘土、水泥混合粉磨相同时间制得成品，即避免了物料的过细粉磨，降低了粉磨能耗，又使所制备的注浆材料具有良好的颗粒级配，水化后结石体孔隙率低、密实度高，从而大幅度提高了材料的强度和注浆效果。

4.所用粘土一般比重约为1.70g/cm³，外观呈暗红色，粘土中大部分为氧化物，以硅氧化物和铝氧化物为主，其中还含有少量镁氧化物。所以注浆材料中加入适量粘土可以有效提高浆液的流动度和和易性，改善浆液工作性能。

5.本发明经济与社会效益显著，在满足煤矿具体深部高承压灰岩改造的基础上，充分利用煤矸石(60％)降低注浆材料成本，粘土是一种相对廉价且容易获取的原材料，在节约成本的同时，又达到注浆材料的各项指标要求，使煤矿可以充分利用废弃煤矸石对奥灰隔水层进行治理，可有效降低注浆治理成本，提高企业效收益，有利于改善矿区周围环境。

成本对比：按普通硅酸盐水泥42.5为300元/吨，粘土为75元/吨，煤矸石为25元/吨(只计算设备折旧费、人工费，煤矸石本身不计费)，可以得出：

现有的水泥(40％)-粘土(60％)浆液成本：300*0.4+75*0.6＝165元/吨。

本发明的水泥(25％)-粘土(15％)-煤矸石(60％)浆液成本：

300*0.25+75*0.15+25*0.6＝101元

本发明的水泥(30％)-粘土(10％)-煤矸石(60％)浆液成本：300*0.3+75*0.1+25*0.6＝112元

具体实施方式

实施例一：

一种煤矿奥灰高承压水底板裂隙注浆材料，它由25份的普通硅酸盐水泥、15份的粘土和60份的煤矸石粉先混合后再粉磨而成，要求混合前的煤矸石粉为球磨机物理粉磨的粉状物，保证98％的颗粒粒径小于45un，上述份数为重量份。

该注浆材料与水泥40％、粘土60％浆液相比，后期强度与后者相差不显著，流动度高于后者，但早期强度较低，适合于对奥灰高承压水底板裂隙微小的矿井注浆。

上述煤矿奥灰高承压水底板裂隙注浆材料制作方法如下：

第一步、用球磨机将煤矸石粉磨25min后，过200目方孔筛，取筛下煤矸石粉状物备用；用勃氏透气仪测定其粉状物料堆积密度应为2.45g/cm³，比表面积应为330m²/kg，有98％的颗粒粒径小于45un；

第二步、取60重量份的煤矸石粉状物、25重量份的普通硅酸盐水泥、15重量份的粘土充分混合；

第三步、将上述混合物再粉磨25min后，称重分装，制得成品。

实施例二：

一种煤矿奥灰高承压水底板裂隙注浆材料，它由60份的煤矸石粉、30份的普通硅酸盐水泥和10份的粘土先混合后再粉磨而成，要求混合前的煤矸石粉为球磨机物理粉磨的粉状物，保证98％的颗粒粒径小于45un，上述份数为重量份。

该注浆材料与水泥40％、粘土60％浆液相比，早期强度与后期强度均高于后者，流动度与后者相当，渗透系数与后者相近，适合于对任何奥灰高承压水底板的矿井注浆。

上述煤矿奥灰高承压水底板裂隙注浆材料制作方法如下：

第一步、用球磨机将煤矸石粉磨25min后，过200目方孔筛，取筛下煤矸石粉状物备用；用勃氏透气仪测定其粉状物料堆积密度应为2.45g/cm³，比表面积应为330m²/kg，有98％的颗粒粒径小于45un；

第二步、取60重量份的煤矸石粉状物、30重量份的普通硅酸盐水泥、10重量份的粘土充分混合；

第三步、将上述混合物再粉磨25min后，称重分装，制得成品。

下面对本发明注浆材料各项技术指标的测定分析方法进一步说明：

一、试验浆液的制备

把500ml水和500g注浆材料加入容器中，低速搅拌120s后，停拌15s，再高速搅拌120s制成浆液。

二、注浆材料强度的测定

将浆液装入40×40×160mm的试模；水平放在养护箱中养护24h后脱模。脱模后放在20℃±1℃水中养护。养护中进行各龄期强度检验：时间分别为72小时±2小时，7天±4小时，28天±8小时。

三、注浆材料流动度分析

选用L＝600mm方形玻璃板，放置于水平桌面，用水使其表面均匀湿润。在玻璃板下放置扩散开度记录纸，在玻璃板中心位置放置浆液试模，将搅拌好的浆液倒入抹平。此时缓慢提起试模并同时开始计时。在30s时从三个不同方向记录下浆液扩散开度，求其平均值即为浆液的有效扩散开度。

四、注浆材料抗渗特性分析

将浆液倒入上口直径70mm、下口直径80mm、高30mm的试模，轻微震动模具，震毕后在空气中养护30分钟左右，放入养护箱内湿气养护24±2小时，脱模并放入养护箱中保持20±3℃继续养护2天，将试体从湿箱中取出，用蜡将试体封闭在试模内，将试模放入压力容器进行水压渗透试验，水压控制在2.5MP--7.4MP,在加压2小时内，如实体无渗水现象，则继续加压,直至试体开始渗水为止，试验时需记录透水的压力、流量与时间。

Claims (4)

1.一种煤矿奥灰高承压水底板裂隙注浆材料，其特征在于，它由60份的煤矸石粉、25-30份的普通硅酸盐水泥和10-15份的粘土先混合后再粉磨而成；要求混合前的煤矸石粉的颗粒粒径小于45un，上述份数为重量份。

2.如权利要求1所述的注浆材料，其特征在于，材料配比为，煤矸石粉60重量份、普通硅酸盐水泥30重量份、粘土10重量份。

3.如权利要求1所述的注浆材料，其特征在于，材料配比为，煤矸石粉60重量份、普通硅酸盐水泥25重量份、粘土15重量份。

4.一种权利要求1-3任一所述的煤矿奥灰高承压水底板裂隙注浆材料的制作方法，其特征在于：

第一步、用球磨机将煤矸石球磨25min后，过200目方孔筛，取筛下煤矸石粉状物备用；用勃氏透气仪测定其粉状物料堆积密度应为2.45g/cm³，比表面积应为330m²/kg；

第二步、取煤矸石粉状物、普通硅酸盐水泥和粘土充分混合；

第三步、将上述混合物再粉磨25min后，称重分装，制得成品。