CN105174886A - 一种适用于超长距离泵送的灰岩含水层注浆改造材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于超长距离泵送的灰岩含水层注浆改造材料，所述材料由煤矸石、硫铝酸盐水泥熟料、钢渣微粉、外掺活性引发剂组成。所述材料组分和质量比为：过火煤矸石65-70份，硫铝酸盐水泥熟料20-25份，钢渣微粉8-15份，外掺活性引发剂9-12份。活性引发剂组分和质量比为：明矾13-19份，滑石粉20-28份，瓜尔胶8-13份，羟丙基甲基纤维素5-8份，石膏粉40-55份。本发明材料具有浆液稳定性高，受环境温度影响弱，适于长距离泵送，具有良好可注性，结石体致密度高，抗渗性强，原材料来源广泛且价格低廉等特点。

Description

一种适用于超长距离泵送的灰岩含水层注浆改造材料

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，涉及一种适用于超长距离泵送的灰岩含水层注浆改造材料。

背景技术

近年来，随着煤炭开采逐渐向深部发展，奥陶系灰岩水害问题不断凸显，特别是在煤炭开采过程中，极易发生以煤层底部奥陶系岩溶水为水源的突涌水事故，严重影响煤炭资源的安全高效开采。注浆作为预防和治理奥陶系灰岩水危害的有效方式，通过提高隔水层厚度和防水性，或将含水层改造为隔水层，在矿井建设和煤炭开采中获得了广泛应用。由于该方法注浆材料使用量具大，且受井下环境空间限制，均采用地面制浆经长距离泵送至工作面钻孔的方式进行。传统的水泥材料因价格较高导致工程造价巨大，矿井企业难以承受；水泥-黏土浆液由于其结石体抗渗性较差，强度较低，难以抵抗高压地下水的作用，且需消耗土地资源，不能保证治理效果；水泥-粉煤灰、水泥-黏土-粉煤灰等复合材料由于浆液稳定性差，极易造成管道或钻孔堵塞，难以实现长距离泵送，且其结石体在地下水侵蚀作用下后期强度出现降低现象；化学类浆液不仅价格高，在长距离输送过程中极易挂壁阻塞管道，特别在大埋深灰岩含水层注浆改造施工过程中，由于受到温度梯度大幅变化、高温高压的影响，现有的注浆材料难以满足加固要求，易出现加固失败或地下水污染的问题。

专利文件CN201310045985.5公开了一种用于地下结构堵水的注浆材料及其制备方法，采用水玻璃(硅酸钠)和硅酸盐水泥作为超细矿渣粉的激发剂，用高效减水剂降低注浆料的用水量，用纤维素醚作为注浆材料的保水剂、触变剂和增稠剂。但其浆液易堵塞注浆管，搅拌后的浆液必须在30分钟内使用完毕，难以实现长距离输送，水玻璃作为激发剂受温度影响严重，在具有高温高压特点的深部灰岩含水层注浆改造工程难以广泛应用。

发明内容

现有研究中由于未充分考虑灰岩含水层温度梯度变化和高温高压条件对注浆材料的影响，导致注浆效果不理想，本发明综合分析灰岩含水层的地质特征后发现：对于灰岩含水层而言，在较宽温度范围内或高温高压条件下保持浆料性质的稳定对实现含水层注浆改造效果具有重要意义。

基于上述理论，本方明开发了一种适用于超长距离泵送的灰岩含水层注浆改造材料，该种材料不仅具有浆液稳定性好、抗渗性强、可长距离泵送、价格低廉、环保无毒的优点，而且能够在较宽温度范围内或高温高压条件下保持浆液性质的稳定，实现对灰岩含水层有效的注浆改造效果。

硫铝酸盐水泥熟料具有水化速度极快、体积微膨胀的特点，但存在抗水冲刷性、抗酸性侵蚀及与活性引发剂适应性差的问题，为克服上述缺点，本发明通过调控水泥熟料粒径和引发剂的优选，改善了水泥熟料颗粒级配和表面性能，控制水泥熟料颗粒与水的接触方式和反应速率，提高水泥熟料与引发剂的相适应性，节省引发剂用量。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种适用于超长距离泵送的灰岩含水层注浆改造材料，其特征是，各组分重量份数如下：煤矸石为65-70份，硫铝酸盐水泥熟料为20-25份，钢渣微粉8-15份，外掺活性引发剂9-12份；所述外掺活性引发剂中，各组分重量份数如下：明矾13-19份，滑石粉20-28份，瓜尔胶8-13份，羟丙基甲基纤维素5-8份，石膏粉40-55份。

硫铝酸盐水泥熟料为水硬性胶凝材料，其与水反应后生成钙矾石和CSH凝胶，CSH凝胶是结石体强度的主要来源，能够将材料其他组分紧密胶结在一起，提高材料结石体粘接能力和抗渗性能。

其中，当硫铝酸盐水泥熟料的含量低于20重量份时，结石体强度较低、致密度和抗渗性能不良。如果硫铝酸盐水泥熟料的含量高于25重量份，则会导致成本升高。本发明已确认了下述结果：如果硫铝酸盐水泥熟料的含量在20重量份以上且25重量份以下的范围时，

浆液结石体密度和抗渗性能能够满足工程需求。

羟丙基甲基纤维素能在材料颗粒表面产生表面活性和极性作用，减弱材料粒子间的凝絮团聚，同时自身具有保水性能；选用瓜尔胶与羟丙基甲基纤维素共同作用，可提高浆液的和易性，使浆液不易分层离析，保证浆液具有较高的工作性能，还可以提高浆液的粘度和动水冲刷时浆液留存率。当羟丙基甲基纤维素的含量低于5重量份时，浆液保水性能降低，和易性变差，易分层离析。羟丙基甲基纤维素的含量高于8重量份时，导致浆液凝结时间变长，且粘度过高，不利于浆液的在长距管路中离泵送和地层中扩散。因此，本申请中将羟丙基甲基纤维素的加入量限定在8重量份以下，因此不会产生上述问题。

明矾和石膏粉的复合作用，可以有效调控浆液的凝结时间，激发煤矸石和钢渣微粉中具有潜在胶凝特性矿物的水化活性，实现了矿井和冶金企业副产品的高效利用，极大降低了注浆材料成本，可广泛应用于矿井灰岩含水层注浆改造治理工程中。

明矾和石膏粉的总含量低于53重量份时，浆液的凝结时间过短，且难以实现对煤矸石和钢渣微粉中活性矿物的有效激发。如果明矾和石膏粉的总含量高于74重量份时，则会导致浆液凝结时间过长，浆液容易出现假凝结块现象，不利于浆液泵送和扩散。当明矾和石膏粉总含量在53重量份以上且74重量份以下的范围时，浆料各组分间相适应性良好，浆液性能稳定。

选用滑石粉可降低浆液的表面能，提高浆液流动性能，保证浆液注入地层后能够有效扩散。当滑石粉和羟丙基甲基纤维素的重量比为20-28:5-8时，通过滑石粉和羟丙基甲基纤维素共同作用解决了浆液硬化后结石体开裂问题，并提高了结石体致密度，提高了抗渗性能。

其中，当滑石粉的含量低于20重量份时，浆料流动性和扩散性不良。如果硅灰石粉和滑石粉的总含量高于28重量份，则会导致成本升高。本发明已确认了下述结果：如果滑石粉的含量在20重量份以上且28重量份以下的范围时，可获得理想的浆液流动度和扩散性。

优选的是，各组分重量份数如下：煤矸石为68-70份，硫铝酸盐水泥熟料为20-22份，钢渣微粉10-12份，外掺活性引发剂10-12份；所述外掺活性引发剂中，各组分重量份数如下：明矾13-16份，滑石粉20-24份，瓜尔胶10-12份，羟丙基甲基纤维素6-8份，石膏粉40-45份。

更优选的是，各组分重量份数如下：煤矸石68份，硫铝酸盐水泥熟料为20份，钢渣微粉12份，外掺活性引发剂10.5份；所述的活性引发剂中，各组分重量份数如下：明矾15份，滑石粉24份，瓜尔胶11份，羟丙基甲基纤维素6份，石膏粉44份。

在本发明的一些实施方式中，煤矸石优选为过火煤矸石。过火后煤矸石内部含有硅酸三钙、硅酸二钙等具有胶凝活性的矿物，可以作为活性组分参与浆液后期水化，提高结石体后期强度。

在本发明的一些实施方式中，所述硫铝酸盐水泥熟料和煤矸石混磨后的比表面积为380-395m²/kg。该细度可以实现浆液结石体具有良好的抗渗性，结石体致密度高，能够满足煤层底板灰岩含水层注浆改造要求。

在注浆施工过程中，浆液的凝结时间控制非常重要，特别是在长距离泵送过程中，凝结时间过短极易导致管路堵塞，注入地层后难以实现有效扩散；若凝结时间过长，导致浆液极易离析分层，注入地层后受地下水的稀释等因素影响造成浆液浪费，强度难以发挥。因此，本发明对注浆改造材料的终凝时间进行优选，当凝胶时间为287-300min，能够同时满足浆液扩散和长距离泵送要求。

传统注浆材料在长距离输送过程中浆液极易挂壁堵塞管道，特别是在高压高温和地下水作用下浆液粘度、流动度易出现较大波动，进入地层后难以有效扩散，因此，本发明对浆液的流动度进行调整，所述适用于超长距离泵送的灰岩含水层注浆改造材料的流动度为455-494mm，能够满足高压高温和地下水作用下浆液的长距离泵送要求。

一种适用于超长距离泵送的灰岩含水层注浆改造材料，其制备方法是按比例称取硫铝酸盐水泥熟料和煤矸石置入球磨机进行粉磨，粉磨至比表面积为380-395m²/kg，然后按比例加入钢渣微粉、复合活性外加剂在搅拌机中加水搅拌，水灰比控制在1～1.5:1之间，直至搅拌均匀即可。

本发明的注浆改造材料能够同时满足可注性、可控性、稳定性、无污染性、经济性等多方面的要求，因此，可以广泛应用于煤层底板灰岩含水层，或隧道、地铁等底板含水层的注浆改造。

本发明的有益效果是:

(1)本发明材料通过瓜尔胶和羟丙基甲基纤维素提高了浆体和易性，使浆液不会离析分层，能够实现超长距离泵送，保证了浆液注入地层后能够有效扩散。

(2)本发明材料通过滑石粉和羟丙基甲基纤维素解决了浆液硬化后结石体开裂问题，并提高了结石体致密度，渗透系数均小于1.527*10^-8m/s。

(3)本发明材料通过明矾和石膏粉的复合作用，激发了煤矸石和钢渣微粉中具有潜在胶凝特性矿物的水化活性，实现了矿井和冶金企业副产品的高效利用，极大降低了注浆材料成本，可广泛应用于矿井灰岩含水层注浆改造治理工程中。

具体实施方式

具体实施实例一

1、组份及质量比：煤矸石68份，硫铝酸盐水泥熟料为20份，钢渣微粉12份，外掺复合活性引发剂9.5份。活性引发剂组分和质量比为：明矾17份，滑石粉24份，瓜尔胶11份，羟丙基甲基纤维素6份，石膏粉42份。

2、制备方法：煤矸石和硫铝酸盐水泥熟料粉磨细度385m²/kg，按水灰比1.2:1混合搅拌均匀。

3、指标参数如下表1：

表1

将上述制备的注浆改造材料用于改造煤层底板灰岩含水层，实现了由地面至埋深-960米长距离泵送，环境温差变化为20℃，有效的将含水层改造为隔水层。

具体实施实例二

1、组份及质量比：煤矸石68份，硫铝酸盐水泥熟料为20份，钢渣微粉12份，外掺复合活性引发剂9.5份。活性引发剂组分和质量比为：明矾14份，滑石粉20份，瓜尔胶9份，羟丙基甲基纤维素8份，石膏粉46份。

2、制备方法：煤矸石和硫铝酸盐水泥熟料粉磨细度383m²/kg，按水灰比1.2:1混合搅拌均匀。

3、指标参数如下表2：

表2

将上述制备的注浆改造材料用于隧道底板含水层注浆改造，浆液注入后形成的结石体强度高，抗渗性好，改造后隔水层能够抵抗3MPa水压，起到了较好的注浆治理效果。

具体实施实例三

1、组份及质量比：煤矸石66份，硫铝酸盐水泥熟料为24份，钢渣微粉10份，外掺复合活性引发剂11份。活性引发剂组分和质量比为：明矾17份，滑石粉24份，瓜尔胶11份，羟丙基甲基纤维素6份，石膏粉42份。

2、制备方法：煤矸石和硫铝酸盐水泥熟料粉磨细度395m²/kg，按水灰比1.2:1混合搅拌均匀。

3、指标参数如下表3：

表3

将上述制备的注浆改造材料用于地铁等底板含水层注浆改造，浆液注入后形成的结石体强度高，起到了较好的注浆治理效果。

上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种适用于超长距离泵送的灰岩含水层注浆改造材料，其特征是，各组分重量份数如下：煤矸石为65-70份，硫铝酸盐水泥熟料为20-25份，钢渣微粉8-15份，外掺活性引发剂9-12份；所述外掺活性引发剂中，各组分重量份数如下：明矾13-19份，滑石粉20-28份，瓜尔胶8-13份，羟丙基甲基纤维素5-8份，石膏粉40-55份。

2.根据权利要求1所述的注浆改造材料，其特征是，各组分重量份数如下：煤矸石为68-70份，硫铝酸盐水泥熟料为20-22份，钢渣微粉10-12份，外掺活性引发剂10-12份；所述外掺活性引发剂中，各组分重量份数如下：明矾13-16份，滑石粉20-24份，瓜尔胶10-12份，羟丙基甲基纤维素6-8份，石膏粉40-45份。

3.根据权利要求1所述的注浆改造材料，其特征是，各组分重量份数如下：煤矸石68份，硫铝酸盐水泥熟料为20份，钢渣微粉12份，外掺活性引发剂10.5份；所述的活性引发剂中，各组分重量份数如下：明矾15份，滑石粉24份，瓜尔胶11份，羟丙基甲基纤维素6份，石膏粉44份。

4.根据权利要求1-3任一所述的注浆改造材料，其特征是，所述硫铝酸盐水泥熟料和煤矸石粉的比表面积为380-395m²/kg。

5.根据权利要求1-3任一所述的注浆改造材料，其特征是，所述的钢渣微粉的比表面积为600m²/kg。

6.根据权利要求1-3任一所述的注浆改造材料，其特征是，所述适用于超长距离泵送的灰岩含水层注浆改造材料的终凝时间为287-300min。

7.根据权利要求1-3任一所述的注浆改造材料，其特征是，所述适用于超长距离泵送的灰岩含水层注浆改造材料的流动度为455-494/mm。

8.一种适用于超长距离泵送的灰岩含水层注浆改造材料的制备方法，其特征是，按权利要求1-3任一所述重量份数称取原料组分，取硫铝酸盐水泥熟料和煤矸石粉磨至比表面积为380-395m²/kg，然后加入钢渣微粉、外掺活性引发剂和水，控制水灰比为1～1.5:1，搅拌均匀，即得。

9.权利要求8所述的方法制备的适用于超长距离泵送的灰岩含水层注浆改造材料。

10.权利要求1-6任一所述的注浆改造材料或权利要求9中所述的注浆改造材料在煤层底板灰岩含水层，或隧道地铁底板含水层注浆改造中的应用。