CN105753414A - 一种基于磁化水的底板防水注浆材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于磁化水的底板防水注浆材料，包括组分A和组分B，其中，组分A为磁化水，组分B为粘土或水泥或粘土与水泥的混合物。本发明利用磁化水配制煤层底板防水注浆材料，避免或降低了化学添加剂使用量，有效控制了浆液成本；且磁化水改性的粘土浆液，提高了强度和防渗效果，缩短了凝结时间和增大了早期强度，提高了注浆的效率。

Description

一种基于磁化水的底板防水注浆材料及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及矿井水文地质领域，尤其涉及利用磁化水制备底板防水注浆材料的方法。
【背景技术】
我国华北地区煤矿开采普遍受到煤层底板的承压含水层突水威胁，通常需要在采煤工作面开采前对煤层底板地层进行注浆防渗、防突改造。常规注浆的材料多选用水泥、粘土或两者混合为主的浆液。其中，为进一步提高粘土浆液注入后的强度和防渗效果，常在粘土为主的浆液中加入化学改性剂来提高相关性能。然而，加入化学改性剂必然使得注浆材料的综合造价显著提高，且存在对注入地层的污染的可能；当底板天然防水条件更差时，会在粘土注浆材料中加入水泥或采用水泥单浆液，而为进一步提高水泥浆液或粘土水泥浆液的凝结速度和早期强度会在浆液中加入化学改性剂来提高相关性能。同样，加入水泥和化学改性剂必然使得注浆材料的综合造价显著提高，且存在对注入地层的污染的可能。
【发明内容】
本发明为了解决上述问题，提供一种基于磁化水的底板防水注浆材料及其制备方法。
本发明采用以下技术方案：
一种基于磁化水的底板防水注浆材料，包括组分A和组分B，其中，组分A为磁化水，组分B为粘土或水泥或粘土与水泥的混合物。
优选地，所述粘土为普通粘土与纯粘土矿物组成。
优选地，当组分B为粘土时，所述粘土与磁化水的质量比为1:1～1:1.5；当组分B为粘土与水泥的混合物时，粘土与磁化水的质量比为1:1～1:1.5，水泥与磁化水的质量比为1:6～1:11；当组分B为水泥时，磁化水与水泥的质量比为1:1～1:1.5。
优选地，所述粘土的塑性指数达到10以上。
优选地，所述的磁化水是将水源在0.6～1T强度磁场中磁化而成，所述水源就地选取。
一种基于磁化水的底板防水注浆材料的制备方法，将组分A和组分B混合后即可。
优选地，所述组分A磁化水的制备方法为：在水管某一段设置0.6～1T强度磁场，运用水泵将水形成封闭回路循环通过磁场，其中，水流速为0.04～0.08L/s。
优选地，当组分B中含有粘土时，组分A和组分B混合后再次磁化。
优选地，组分A和组分B混合后再次磁化采用与磁化水相同的方法，混合的浆液流速为0.04～0.08L/s。
优选地，组分A和组分B的搅拌时间小于10分钟。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1)利用磁化水配制煤层底板防水注浆材料，避免或降低了化学添加剂使用量，有效控制了浆液成本；2)利用磁化水改性的粘土浆液，提高了强度和防渗效果；3)利用磁化水改性的水泥浆液或粘土水泥浆液缩短了凝结时间和增大了早期强度，提高了注浆的效率；4)磁化水注浆材料无任何添加剂污染。
【具体实施方式】
第一实施方式：
本发明所述的注浆材料，包括A、B两部分，其中A组分由普通粘土和纯粘土矿物组成，B组分为磁化水，A组分与B组分按照质量比为1:1～1:1.5进行混合使用。
A组分制备方法是将普通粘土振动除砂，去除大部分的砂粒，然后可加入蒙脱石等粘土矿物搅拌均匀，使得A组分的塑性指数达到10以上。
B组分制备方法是就地选取水源，矿井涌水、自来水亦可，将水在0.6～1T强度磁场中磁化10～20分钟，具体方式为在水管某一段设置0.6～1T强度磁场，运用水泵将水形成封闭回路循环通过该磁场，水流速为0.04～0.08L/s，磁化时间为10～20分钟。
A组分与B组分按照质量比为1:1～1:1.5充分搅拌混合后再次通过0.6～1T强度磁场，磁化时间为20～30分钟，具体方式与制备磁化水方式相同即在水管某一段设置0.6～1T强度磁场，运用水泵将混合好的浆液形成封闭回路循环通过该磁场，浆液流速为0.04～0.08L/s，磁化时间为20～30分钟。该种注浆材料需即配即用，B组分与A组分搅拌时间需小于10分钟。
实施例：
实施例1：
A组分选用普通粘土1000g，B组分选用自来水1500g循环经过0.6T强度磁场，水流速为0.08L/s，磁化时间为10分钟，水磁化完毕后即刻与1000g粘土混合搅拌均匀再次通过0.6T强度磁场，磁化时间为20分钟，具体方式与制备磁化水方式相同即在水管某一段设置0.6T强度磁场，运用水泵将混合好的浆液形成封闭回路循环通过该磁场，浆液流速为0.08L/s，磁化时间为20分钟。将磁化完毕的浆液选取若干毫升通过1006型漏斗式泥浆粘度计测定浆液的粘度，并制作成土样通过55型渗透仪测试土样的渗透系数，剩余浆液注入目标地层。
实施例2：
A组分选用普通粘土1000g，B组分选用自来水1400g循环经过0.6T强度磁场，水流速为0.04L/s，磁化时间为15分钟，水磁化完毕后即刻与1000g粘土混合搅拌均匀再次通过0.6T强度磁场，磁化时间为25分钟，具体方式与制备磁化水方式相同即在水管某一段设置0.6T强度磁场，运用水泵将混合好的浆液形成封闭回路循环通过该磁场，浆液流速为0.08L/s，磁化时间为25分钟。将磁化完毕的浆液选取若干毫升通过1006型漏斗式泥浆粘度计测定浆液的粘度，并制作成土样通过55型渗透仪测试土样的渗透系数，剩余浆液注入目标地层。
实施例3：
A组分选用普通粘土1000g，B组分选用自来水1300g循环经过1T强度磁场，水流速为0.04L/s，磁化时间为20分钟，水磁化完毕后即刻与1000g粘土混合搅拌均匀再次通过1T强度磁场，磁化时间为20分钟，具体方式与制备磁化水方式相同即在水管某一段设置1T强度磁场，运用水泵将混合好的浆液形成封闭回路循环通过该磁场，浆液流速为0.04L/s，磁化时间为20分钟。将磁化完毕的浆液选取若干毫升通过1006型漏斗式泥浆粘度计测定浆液的粘度，并制作成土样通过55型渗透仪测试土样的渗透系数，剩余浆液注入目标地层。
实施例4(对比例)：
A组分选用普通粘土1000g，B组分选用自来水1500g混合搅拌均匀，选取若干毫升通过1006型漏斗式泥浆粘度计测定浆液的粘度，并制作成土样通过55型渗透仪测试土样的渗透系数，剩余浆液注入目标地层。
上述4个实施例测试结果如下表：
实施例 1 2 3 4
渗透系数/m/d 0.0073 0.0061 0.0046 0.0089
粘度/s 17.45 17.01 16.13 19
按照本发明利用磁化水制备粘土浆液，有效降低了浆液的粘度，提高了浆液的可注性，使得通过增加粘土含量来提高浆液的防渗性能变为可能。
运行原理：
在磁场作用下，洛伦兹力使极性水分子从聚合体中重新排列成整齐的水分子，这样水分子就由较大的水分子团簇变成单个的水分子或者是较小的水分子团簇，从而增强了水分子的活性，而粘土晶胞中的-OH基极化后更易于在碱性条件下电离，使粘土颗粒表面的负电荷增多，浆液以一定流速通过磁场时，粘土颗粒表面吸附的正电荷受到磁场力的作用会产生解吸，从而降低吸附层中的正电荷量。粘土颗粒表面发生电荷变化，表明其中电动电位提高了。浆液中的粘土颗粒以无序排列形成边—边、边—面、面—面结合的网状结构。经磁化处理后，粘土颗粒在磁场力的作用下趋于有序排列，从而破坏了原有的网状结构，使流动阻力减小。
第二实施方式：
本发明所述的注浆材料，包括A、B、C两部分，其中A组分由普通粘土和纯粘土矿物组成，B组分为磁化水，C组分为普通硅酸盐水泥，A组分与B组分按照质量比为1:1～1:1.5进行混合使用。C组分与A组分按照质量比为1:6～1:11将三种组分进行混合使用。
A组分制备方法是将普通粘土振动除砂，去除大部分的砂粒，然后可加入蒙脱石等粘土矿物搅拌均匀，使得A组分的塑性指数达到10以上。
B组分制备方法是就地选取水源，矿井涌水、自来水亦可，将水在0.6～1T强度磁场中磁化10～20分钟，具体方式为在水管某一段设置0.6～1T强度磁场，运用水泵将水形成封闭回路循环通过该磁场，水流速为0.04～0.08L/s，磁化时间为10～20分钟。
C组分为普通硅酸盐水泥。
将三种组分进行混合充分搅拌后再次通过0.6～1T强度磁场，磁化时间为20～30分钟，具体方式与制备磁化水方式相同即在水管某一段设置0.6～1T强度磁场，运用水泵将混合好的浆液形成封闭回路循环通过该磁场，浆液流速为0.04～0.08L/s，磁化时间为20～30分钟。该种注浆材料需即配即用，B组分与A组分搅拌时间需小于10分钟。
实施例：
实施例1：
A组分选用普通粘土1000g，B组分选用自来水1500g，C组分选用普通硅酸盐水泥167g，B组分循环经过0.6T强度磁场，水流速为0.08L/s，磁化时间为10分钟，水磁化完毕后即刻与1000g粘土和167g硅酸盐水泥混合搅拌均匀再次通过0.6T强度磁场，磁化时间为10分钟，具体方式与制备磁化水方式相同即在水管某一段设置0.6T强度磁场，运用水泵将混合好的浆液形成封闭回路循环通过该磁场，浆液流速为0.08L/s，磁化时间为10分钟。将磁化完毕的浆液选取若干毫升通过1006型漏斗式泥浆粘度计测定浆液的粘度，并制作成土样通过55型渗透仪测试土样的渗透系数，利用试锥测定浆液试验样2h、6h、10h、14h、18h的塑性强度，剩余浆液注入目标地层。
实施例2：
A组分选用普通粘土1000g，B组分选用自来水1300g，C组分选用普通硅酸盐水泥125g，B组分循环经过0.6T强度磁场，水流速为0.06L/s，磁化时间为15分钟，水磁化完毕后即刻与1000g粘土和125g硅酸盐水泥混合搅拌均匀再次通过0.6T强度磁场，磁化时间为15分钟，具体方式与制备磁化水方式相同即在水管某一段设置0.6T强度磁场，运用水泵将混合好的浆液形成封闭回路循环通过该磁场，浆液流速为0.08L/s，磁化时间为15分钟。将磁化完毕的浆液选取若干毫升通过1006型漏斗式泥浆粘度计测定浆液的粘度，并制作成土样通过55型渗透仪测试土样的渗透系数，利用试锥测定浆液试验样2h、6h、10h、14h、18h的塑性强度，剩余浆液注入目标地层。
实施例3：
A组分选用普通粘土1000g，B组分选用自来水1200g，C组分选用普通硅酸盐水泥91g，B组分循环经过1T强度磁场，水流速为0.04L/s，磁化时间为20分钟，水磁化完毕后即刻与1000g粘土和91g硅酸盐水泥混合搅拌均匀再次通过1T强度磁场，磁化时间为20分钟，具体方式与制备磁化水方式相同即在水管某一段设置1T强度磁场，运用水泵将混合好的浆液形成封闭回路循环通过该磁场，浆液流速为0.04L/s，磁化时间为20分钟。将磁化完毕的浆液选取若干毫升通过1006型漏斗式泥浆粘度计测定浆液的粘度，并制作成土样通过55型渗透仪测试土样的渗透系数，利用试锥测定浆液试验样2h、6h、10h、14h、18h的塑性强度，剩余浆液注入目标地层。
实施例4(对比例)：
A组分选用普通粘土1000g，B组分选用自来水1500g，C组分选用普通硅酸盐水泥167g充分搅拌混合使用，选取若干毫升通过1006型漏斗式泥浆粘度计测定浆液的粘度，并制作成土样通过55型渗透仪测试土样的渗透系数，利用试锥测定浆液试验样2h、6h、10h、18h、22h的塑性强度，剩余浆液注入目标地层。
上述4个实施例测试结果如下表：
按本发明的利用磁化水制备的粘土水泥浆液较普通水配制的粘土水泥浆液的同期塑性强度显著增加，且粘度降低，增强了浆液的可泵性。
运行原理：
在磁场作用下，洛伦兹力使极性水分子从聚合体中重新排列成整齐的水分子，这样水分子就由较大的水分子团簇变成单个的水分子或者是较小的水分子团簇，从而增强了水分子的活性，可渗入到水泥颗粒内部促进了水泥的水化过程，使得水泥浆液的水化活动更为及时与彻底，表现在塑性强度上为增强。粘土颗粒在磁场力的作用下趋于有序排列，从而破坏了原有的网状结构，使流动阻力减小。粘土与水泥结合的浆液总体表现为强度增强而流动性却更好，使得浆液的可泵性提高。
第三实施方式：
本发明所述的注浆材料，包括B、C两部分，其中B组分为磁化水，C组分为普通硅酸盐水泥，B组分与C组分按照质量比为1:1～1:1.5进行混合使用。两种组分搅拌混合时间不能大于10分钟。
B组分制备方法是就地选取水源，矿井涌水、自来水亦可，将水在0.6～1T强度磁场中磁化10～30分钟，具体方式为在水管某一段设置0.6～1T强度磁场，运用水泵将水形成封闭回路循环通过该磁场，水流速为0.04～0.08L/s，磁化时间为10～20分钟。
C组分为普通硅酸盐水泥。
实施例：
实施例1：
B组分选用自来水1000g，C组分选用普通硅酸盐水泥1500g，B组分循环经过0.6T强度磁场，水流速为0.08L/s，磁化时间为10分钟，水磁化完毕后即刻与1500g水泥混合搅拌均匀使用，利用维卡仪测定其初凝时间，制样后利用压力机测定3d、7d、28d单轴抗压强度，利用砂浆渗透仪测试渗透系数，剩余浆液注入目标地层。
实施例2：
B组分选用自来水1000g，C组分选用普通硅酸盐水泥1300g，B组分循环经过0.6T强度磁场，水流速为0.06L/s，磁化时间为20分钟，水磁化完毕后即刻与1300g水泥混合搅拌均匀使用，利用维卡仪测定其初凝时间，制样后利用压力机测定3d、7d、28d单轴抗压强度，利用砂浆渗透仪测试渗透系数，剩余浆液注入目标地层。
实施例3：
B组分选用自来水1000g，C组分选用普通硅酸盐水泥1100g，B组分循环经过1T强度磁场，水流速为0.04L/s，磁化时间为30分钟，水磁化完毕后即刻与1100g水泥混合搅拌均匀使用，利用维卡仪测定其初凝时间，制样后利用压力机测定3d、7d、28d单轴抗压强度，利用砂浆渗透仪测试渗透系数，剩余浆液注入目标地层。
实施例4(对比例)：
B组分选用自来水1000g，C组分选用普通硅酸盐水泥1500g混合搅拌均匀使用，利用维卡仪测定其初凝时间，制样后利用压力机测定3d、7d、28d单轴抗压强度，利用砂浆渗透仪测试渗透系数，剩余浆液注入目标地层。
上述4个实施例测试结果如下表：
实施例 1 2 3 4
初凝时间 7h20min 8h30min 8h40min 11h15min
3d 9.9 9.4 9.3 8.1
7d 18.7 17.9 17.5 15.9
28d 27.1 26.6 25.4 22.8
渗透系数/cm/s 0.437*10-8 0.516*10-8 0.547*10-8 0.562*10-8
按本发明的利用磁化水制备的水泥浆液较普通水配制的水泥浆液的早期和后期的强度均有明显提高，初凝时间明显减小，且抗渗性能明显提高，浆液注入效率提高、稳定性好。
运行原理：
在磁场作用下，洛伦兹力使极性水分子从聚合体中重新排列成整齐的水分子，这样水分子就由较大的水分子团簇变成单个的水分子或者是较小的水分子团簇，从而增强了水分子的活性，可渗入到水泥颗粒内部促进了水泥的水化过程，使得水泥浆液的水化活动更为及时与彻底，使得浆液的初凝时间大大提前，而更为彻底的水化过程使得浆液总体的抗压强度提高。

Claims (10)

1.一种基于磁化水的底板防水注浆材料，其特征在于：包括组分A和组分B，其中，组分A为磁化水，组分B为粘土或水泥或粘土与水泥的混合物。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁化水的底板防水注浆材料，其特征在于：所述粘土为普通粘土与纯粘土矿物组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁化水的底板防水注浆材料，其特征在于：当组分B为粘土时，所述粘土与磁化水的质量比为1:1～1:1.5；当组分B为粘土与水泥的混合物时，粘土与磁化水的质量比为1:1～1:1.5，水泥与磁化水的质量比为1:6～1:11；当组分B为水泥时，磁化水与水泥的质量比为1:1～1:1.5。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁化水的底板防水注浆材料，其特征在于：所述粘土的塑性指数达到10以上。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种基于磁化水的底板防水注浆材料，其特征在于：所述的磁化水是将水源在0.6～1T强度磁场中磁化而成，所述水源就地选取。
6.一种基于权利要求1所述的基于磁化水的底板防水注浆材料的制备方法，其特征在于：将组分A和组分B混合后即可。
7.根据权利要求6所述的一种基于磁化水的底板防水注浆材料，其特征在于：所述组分A磁化水的制备方法为：在水管某一段设置0.6～1T强度磁场，运用水泵将水形成封闭回路循环通过磁场，其中，水流速为0.04～0.08L/s。
8.根据权利要求6所述的一种基于磁化水的底板防水注浆材料，其特征在于：当组分B中含有粘土时，组分A和组分B混合后再次磁化。
9.根据权利要求8所述的一种基于磁化水的底板防水注浆材料，其特征在于：组分A和组分B混合后再次磁化采用与磁化水相同的方法，混合的浆液流速为0.04～0.08L/s。
10.根据权利要求6所述的一种基于磁化水的底板防水注浆材料，其特征在于：组分A和组分B的搅拌时间小于10分钟。
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