CN107915455B

CN107915455B - 灌浆填充用的复合悬砂剂及其制备和使用方法

Info

Publication number: CN107915455B
Application number: CN201710986522.7A
Authority: CN
Inventors: 贾新勇; 魏军; 赵浚延; 包兴东; 刘振东; 闫军
Original assignee: Jichang Xiandao Engineering Material Co ltd; Xinjiang Uygur Autonomous Region Coalfield Fire Extinguishing Engineering Bureau
Current assignee: Jichang Xiandao Engineering Material Co ltd; Xinjiang Uygur Autonomous Region Coalfield Fire Extinguishing Engineering Bureau
Priority date: 2017-10-20
Filing date: 2017-10-20
Publication date: 2020-10-27
Anticipated expiration: 2037-10-20
Also published as: CN107915455A

Abstract

本发明属于煤田火灾治理工程和地质灾害、煤矿等矿山开采后的采空区及废旧巷道、塌陷坑填充治理领域，特别是一种灌浆填充用的复合悬砂剂及其制备和使用方法，膨润土(钠基型)45‑70%、植物胶25‑40%、纤维素2‑8%、聚丙烯酸钠0.3‑3%、聚丙烯酰胺0.3‑3%、十二烷基苯磺酸钠0.05‑2%、含水硅酸镁0.5‑2%、氢氧化钙0.2‑1%、硫酸钙0.5‑2%、碳酸氢钠0.5‑5%，所有百分数为重量百分数。本发明还公开了灌浆填充用的复合悬砂剂的制备方法和使用方法。本发明重点解决砂土、粉煤灰制浆填充材料通过与水和少量悬砂剂混合后，实现长距离管道或钻孔输送，防止泥沙浆料在输送过程中沉淀堵塞管道，从而顺利到达填充空间并起到密闭裂隙、降温灭火、安全高效、防止火区复燃的目的。

Description

灌浆填充用的复合悬砂剂及其制备和使用方法

技术领域

本发明属于煤田火灾治理工程和地质灾害、煤矿等矿山开采后的采空区及废旧巷道、塌陷坑填充治理领域，特别是一种灌浆填充用的复合悬砂剂及其制备和使用方法。

背景技术

煤田火灾治理工程除同以往地质灾害及煤矿采空区治理有相同之处外还必须考虑到采空区瓦斯、火、水、高温等灾害的防治，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水玻璃、碳酸氢铵等组合或者聚丙烯酸钠做胶凝剂使用的先例，但存在着使用时对黄土、粉煤灰要求很高，不能有砂石或较大粒径的颗粒物，使得该类技术在整个煤田火灾治理、地质灾害、采空区治理综合性方面有着一定的局限性。当前国内外煤田火区治理的技术主要还是以注水、注浆为主。但在实际的治理过程中遇到了一个新的难题，黄泥灌浆会消耗大量黄土，形成与耕地争土源的局面，很多火区黄土较少，主要以砂土颗粒为主。在注水、注浆过程中，当土质中泥砂颗粒大、量多时，就会出现沉淀堵塞输浆管道无法输送，而且制作的泥浆，砂和泥浆分层离析严重，输送距离特短，填充覆盖后不能形成致密的密闭层，干燥后又成为松散体，依然漏风供氧，造成灌浆治理后的火区非常容易复燃。所以在该类煤田火区灌浆技术中，只能采用发泡水泥、防灭火泡沫等灌浆填充技术。但是发泡水泥填充造成防灭火成本急剧上升，防灭火泡沫技术存在稳定时间相对较短，且无法固化、不耐高温等缺陷。目前在煤田常规防灭火灌浆技术上，仍然以简单易操作、成本低廉的黄泥灌浆赢得广泛认可。但由于黄土注浆方式造成和耕地争土源，而部分施工场地附近没有符合灌浆要求的黄土, 所以砂质土注浆成为防灭火注浆可能的选择。目前国内有报道使用砂浆进行煤矿防灭火的研究与工作，但一般都是采用常规的注砂方法，为使砂子不在管路中沉淀，需大量消耗水源。也有使用水泥砂浆进行充填的报道，但是如果用来进行防灭火则存在工艺复杂，管道磨损较大, 悬浮时间不到且砂子容易沉淀、成本极高等一系列问题，不足以满足煤田灭火或防治煤炭自燃的要求。目前国外暂无悬砂材料用于煤田火区治理和防治煤炭自燃方面的相关报道。所以针对砂质类土壤施工环境，开发一种在工艺上简单易行，性能上能针对泥浆中砂石颗粒物具有一定的悬浮作用，另外还具备一定的填充、堵漏、降温、惰化、阻燃等综合性能的悬沙添加材料就显得尤为重要。该技术的核心就是将砂质土与水、悬沙添加剂混合后形成一定悬浮性的稠状浆液注入空区和破碎体、裂隙带。其中的水份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，浆液具备一定的悬浮性，防止泥砂颗粒沉淀堵管，形成的胶体砂质泥浆能密实填充于空体和缝隙，堵住漏风的通道和裂隙，达到高效、广泛应用的目的。并且使用上要考虑到煤田火区水、土不便多数山高路远，注浆区域隐蔽复杂等环境条件，使用工艺符合简单易行远距离管道输送等要求。

目前适应砂质土壤制浆方面的专业悬砂剂很少，目前类似专利产品主要有高分子稠化剂类材料做悬浮剂和高分子复合胶凝剂兼顾悬浮性能等类型：1）.例如上海伊索热能技术有限公司发布的发明专利《云母矿物在水溶液中的悬浮剂》专利号 CN101265112 B。该技术是用聚丙烯酰胺溶液、聚丙烯酸酯乳液、阳离子乳胶等类型高分子材料，通过其分子链很长，大数量级的长链在水中有巨大的吸附表面积，而且它的某些官能团可与许多物质亲和、吸附形成一定的化学键，这就使它能在吸附的粒子之间架桥，使数个甚至数十个粒子连接在一起，生成絮团，阻止或减缓矿物颗粒的沉淀，起到悬浮颗粒物的作用；2）.许多稠化胶凝材料，在一定的范围也能起到悬浮颗粒的作用。例如昌吉市先导工程材料有限责任公司发布的《灌浆用高分子复合胶凝剂及制备方法》专利号CN102603220A。他们是由基料与微量有机和无机复合胶凝剂通过反应生成。原理是泥浆中的颗粒充填在网状胶体结构之间，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，再通过线型高分子为基料加入，通过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，起到悬浮颗粒物的作用。由于该发明专利技术主要是解决泥浆胶凝固化等功能兼顾悬浮性能，方便输浆，所以悬砂能力有限。

能形成悬浮作用的技术材料组合很多，但是出于降低添加剂的成本、方便操作工艺等考虑，需要考虑材料的性能、价格、用量等综合配比关系。目前许多高吸水矿物和高分子吸水性树脂、表面活性剂等都是较理想制作泥砂浆悬浮剂的材料，许多单位在这方面进行了研究，并取得了一定的成绩。但现有的发明主要应用在悬浮颗粒物比重较轻、粒径较小材料环境中，悬浮能力有限，对砂质土壤制浆而言，存在着悬浮剂使用量过大，成本高、悬浮稳定时间短，缺乏煤田防灭火所要求的堵漏、降温、惰化、阻燃等综合性能等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种灌浆填充用的复合悬砂剂及其制备和使用方法，本发明重点解决砂土、粉煤灰制浆填充材料通过与水和少量悬砂剂混合后，实现长距离管道或钻孔输送，防止泥沙浆料在输送过程中沉淀堵塞管道，从而顺利到达填充空间并起到密闭裂隙、降温灭火、安全高效、防止火区复燃的目的。

本发明的目的是这样实现的：一种灌浆填充用的复合悬砂剂,其组分及含量为：膨润土(钠基型)45-70%、植物胶25-40%、纤维素2-8%、聚丙烯酸钠0.3-3%、聚丙烯酰胺0.3-3%、十二烷基苯磺酸钠0.05-2%、含水硅酸镁0.5-2%、氢氧化钙0.2-1%、硫酸钙0.5-2%、碳酸氢钠0.5-5%，所有百分数为重量百分数。

植物胶优选桉树粉。

纤维素为羧甲基羟乙基纤维素。

灌浆填充用的复合悬砂剂的制备方法,有如下步骤：

(1)将膨润土、含水硅酸镁、硫酸钙、碳酸氢钠加工粉碎成150目以上细粉；

(2)将植物胶、纤维素、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、十二烷基苯磺酸钠加工粉碎成40目细粉；

(3)将上述加工成细粉的原料加入常温混料机混合15-30分钟后成为灌浆填充用的复合悬砂剂。

制备灌浆填充用的复合悬砂剂的使用方法, 有如下步骤：

(1)将复合悬砂剂分两次加入到砂质泥浆中，第一次在混合泥浆搅拌时加入添加总量的30-45%；

(2)在制浆过程中，复合悬砂剂第一次加入是先将复合悬砂剂与水混合，其中复合悬砂剂为1.2-2.4%，其余为水，并充分搅拌混合成复合悬浮胶液，以重量百分数计；

(3)将砂质土与百分比浓度为1.2-2.4%的复合悬浮胶液按重量份0.3-1:1进行混合搅拌制浆，并将粒度大于10mm的颗粒物通过滤浆机或筛分装置滤除；

(4)将搅拌混合并滤过的泥浆液通过泥浆泵加压泵送；

(5)泵送后，复合悬砂剂开始第二次加入，加入量为加入复合悬砂剂添加总量的55-70%，加入时先将复合悬砂剂与水混合，混合重量百分比复合悬砂剂为12.5%，其余为水，并充分搅拌混合成复合悬浮胶液；

(6)将浓度为12.5%的复合悬浮胶液经泥浆泵泵送后，立即与泥浆浆液在管道内再进行二次混合，添加量为管道流量的4-6%；

(7)将上述二次混合加入所形成的粘稠状的复合胶体悬砂泥浆注入治理区或煤田火区。

砂质土为粉砂或细砂或中砂或粘土和砂土混合物或砂土和粉煤灰混合物。

本发明通过多次反复实验选择出一种新型复合悬砂剂配方和制作方法和使用方法，主要创新点在于：1).充分利用高分子材料中的絮凝、增粘特性，引进高浮水性材料和高吸水矿物质，通过吸附性树脂离子基团良好的粘附力与泥浆中的固相颗粒通过絮凝、粘合、悬浮，达到减缓固相颗粒由于重力的作用,在浆体中不断下沉的趋势；2).新型复合悬砂剂配方中选用大量比重小、悬浮力大的木质纤维颗粒材料，在与泥浆中的砂质固相颗粒通过高分子材料的絮凝粘合成团状物后，极大的增强了絮凝粘合胶团悬浮力，有力防止砂粒的快速下沉; 3）.通过不同材料的细度控制和不同材料的选配，使配方中的各种材料在泥浆中的胶凝反应的时间基本一致，新型复合悬砂剂与水混合快速、不结块混合均匀，很快能形成均匀的悬浮液体；4）.新型复合悬砂剂配方中既有高分子有机材料,也有无机材料,性能各有优势,相互取长补短，且原料来源广泛，调节范围广，综合性能优于单一性能的悬浮材料；5）.新型复合悬砂剂配方加入了其他煤田灭火性能相关的制剂材料，与砂质泥浆混合应用于煤田火区后具备一定的降温、惰化、阻燃综合性能，特别是极大的改善了砂质泥浆填充覆盖后不能形成致密的密闭层，火区容易复燃的问题； 6）.新型复合悬砂剂配方中有机和无机材料配合，制作的悬砂胶体在满足屈服假塑性流体的流动特性，可使砂浆在静止或流动状态下，固相颗粒稳定悬浮，同时稠化材料的增稠作用，悬砂胶体具有较高的表观粘度，使得当砂粒沉降时具有足够缓慢的速度，提高悬浮稳定性；7）.配方中的高分子材料和无机材料绝大部分都是高吸水材料，在一定的灭火周期时间内具有保水功能，能够长时间对煤炭自燃过程起到阻化抑制作用，另外在失水后能够固化，覆盖浮煤，从而隔绝煤氧接合；8）.新型复合悬砂剂与砂质泥浆通过絮凝、粘合、悬浮胶凝后能析出有一定粘度具备一定润滑性的水溶液，从而减少砂质泥浆的流动阻力，满足长距离管线输送的要求； 9）.在配方选择上，综合考虑单价成本用量的关系，且无污染，绿色环保。

使用效果：

钠基膨润土具有很强的亲水性，能吸附相当于自身体积数倍的水而膨胀至12～30倍；在水介质中能分散呈胶体悬浮液，并具有一定的悬浮性、粘滞性、触变性和润滑性，特别是具有较强的高温悬浮能力，且低温增稠不明显，它和泥沙等的掺和物具有可塑性和粘结性，其与砂土配合使用，有利于成胶填充封堵裂隙。

植物胶（桉树粉）MC，主含纤维素、半纤维素和木质素和大量木质纤维颗粒组成，能遇水溶胀水，在水中具备高浮水性，与纤维素形成高粘度的溶胶液，与泥浆砂质颗粒絮凝成胶团颗粒，从而整体提高胶团颗粒的悬浮能力。

纤维素（羧甲基羟乙基纤维素）CMC和聚丙烯酸钠PAANa都是高分子材料，相互作用配合，在泥浆中具有耐盐碱、悬浊等特性，且不产生盐析现象，遇水可形成高粘度的胶体溶液、有粘着、增稠、流动、乳化分散、悬浮、润滑作用，在泥浆胶体中起着薄膜成型保护胶体并提高流动性的作用。

聚丙烯酰胺PAM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絮凝胶团，其中聚丙烯酰胺PAM通过引进各种离子基团调节与植物胶MC、纤维素CMC、膨润土、结合形成一定的亲水而不溶水的絮状粘弹性胶黏体，并将砂土颗粒粘合在一块，悬浮在液体泥浆中，其中植物胶（桉树粉）MC中的木质纤维颗粒，比重轻悬浮性强，与砂质颗粒通过絮凝成粘弹性胶黏体；纤维素CMC在絮状粘弹性胶黏体上起着提高粘结强度的作用，防止砂质颗粒物从絮状粘弹性胶黏体上由于比重大而脱离下沉。

为了使悬砂剂进一步具备煤矿采空区火区治理综合性能。复合悬砂剂中加入了十二烷基苯磺酸钠SDBS、含水硅酸镁、氢氧化钙Ca(OH)₂、硫酸钙CaSO₄、碳酸氢钠NaHCO₃五种辅助材料。其中：碳酸氢钠NaHCO₃和十二烷基苯磺酸钠SDBS是分散剂和表面活性剂，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，帮助快速均匀成胶，十二烷基苯磺酸钠SDBS通过乳化发泡进一步提升泥浆的悬浮填充效果；硫酸钙CaSO₄是一种无机胶凝剂，能在泥浆中固化吸水作用，特别是硫酸钙与氢氧化钙的亲水基团与泥浆中其他亲水基团作用，具备了一定的阻化性能，对煤矿采空区火区或者燃烧过的过火煤具备阻燃特性；复合悬砂剂中含有碳酸氢钠，当泥浆遇高温后可产生二氧化碳惰性气体，起到加大填充空间提高填充效率；复合悬砂剂中的含水硅酸镁，与聚丙烯酸钠PAANa、聚丙烯酰胺PAM联合作用主要提高泥浆的絮凝效果和稳定性，而且能提高灭火泥浆的高温特性。

分二次加入工艺，混合泥浆搅拌和泵送过程中，复合悬砂剂中有大量高分子材料，复合悬砂剂的溶解应避免过强的剪切力搅拌，过强的搅拌会使高分子的分子链断裂，从而降低使用效果。由于泥砂颗粒沉淀主要发生在管道输送阶段，为此，在使用工艺上采用二次加入工艺，即在混合泥浆搅拌和泵送过程中只加入添加总量30～45%的复合悬砂剂，通过减少浓度防止混合泥浆搅拌和泵送过程中损害，然后在泵送后通过管道再将添加总量55～70%的复合悬砂剂加入混合。

通过以上组合配方制作的复合悬砂剂，经粉碎成不同的粒度混合（40和150目），通过两次混合加入，使得不同溶解速度材料或絮凝、悬浮反应的物质，在泥浆中基本反应一致。混合的泥浆通过管道和钻孔，充分悬浮泥砂颗粒进入空区和裂隙后，实现远距离输送泥浆，就地解决制浆材料问题。另外在复合悬砂剂辅助材料的配合作用下，可以使极易沉淀的砂粒泥浆提高一定流动性、悬浮性、粘弹性、致密性和堆积性，使进入空区或者火区的泥浆胶体，内聚力大，堆积角度大，完全具备了填充煤田灭火所具备的远距离输送、防风堵漏、裂隙封堵，堆积填充、阻化降温等功能。该复合悬砂剂性能广、作用强、应用广泛，特别针对施工人员不能到达的工作区域或有危险的区域、煤田高温火区、矿山采空区、崆峒区等的填充、堵漏、防风、防火治理工程有很好的应用前景。配方组合中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％，达到减少煤田灭火施工成本目的。

本发明重点解决砂土、粉煤灰制浆填充材料通过与水和少量悬砂剂混合后，实现了长距离管道或钻孔输送，防止了泥沙浆料在输送过程中沉淀堵塞管道，从而顺利到达填充空间并起到密闭裂隙、降温灭火、安全高效、防止火区复燃的目的。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案

实施例1

一种灌浆填充用的复合悬砂剂及其制备和使用方法，具体步骤如下：

A).复合悬砂剂制备

1）.按照重量百分比，分别称取64％的膨润土（钠基）、25％的植物胶（桉树粉）MC、4％的纤维素（羧甲基羟乙基纤维素）CMC、0.5％的聚丙烯酸钠PAANA、0.5%聚丙烯酰胺PAM、0.5％十二烷基苯磺酸钠SDBS、2％含水硅酸镁、0.5％的氢氧化钙、1％硫酸钙、2％的碳酸氢钠；

2）.将膨润土、含水硅酸镁、氢氧化钙、硫酸钙、碳酸氢钠加工粉碎成150目以上细粉；

3).将植物胶（桉树粉）MC、纤维素（羧甲基羟乙基纤维素）CMC、聚丙烯酸钠PAANA、聚丙烯酰胺PAM、十二烷基苯磺酸钠SDBS加工粉碎成40目细粉；

4).然后混合均匀制备成为复合悬砂剂

B).复合悬砂剂使用(按照质量份计)

1）.将砂土筛分成粒度小于8mm 的粉状物，称取250份土250份水；

2）.再将复合悬砂剂称取4份与250份土、180份水混合成的砂质胶体泥浆；

3）.将称取的复合悬砂剂6份加入70份水中并均匀混合成复合悬砂剂水溶液；

4）.将混合好的砂质胶体泥浆通过渣浆泵泵送到灌浆管路中，同时在泵送出口处，将复合悬砂剂水溶液以一定的压力注入到灌浆管路中实现悬砂剂与泥砂浆液的二次混合；

5）.砂质泥浆与悬砂剂在输浆管道中混合、搅拌、悬浮、稠化，形成灭火稠化悬浮泥浆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).复合悬砂剂制备

1）.按照重量百分比，分别称取55.6％的膨润土（钠基）、35％的植物胶（桉树粉）MC、4.6％的纤维素（羧甲基羟乙基纤维素）CMC、0.6％的聚丙烯酸钠PAANA、0.62%聚丙烯酰胺PAM、0.08％十二烷基苯磺酸钠SDBS、1％含水硅酸镁、0.5％的氢氧化钙、0.5％硫酸钙、1.5％的碳酸氢钠；

2）.将膨润土、含水硅酸镁、硫酸钙、氢氧化钙、碳酸氢钠加工粉碎成150目以上细粉；

4).然后混合均匀制备成为复合悬砂剂

B).复合悬砂剂使用(按照质量份计)

2）.再将复合悬砂剂称取3.5份与250份土、200份水混合成的砂质胶体泥浆;

3）.将称取的复合悬砂剂4份加入50份水中并均匀混合成复合悬砂剂水溶液;

实施例3

A).复合悬砂剂制备

1）.按照重量百分比，分别称取50％的膨润土（钠基）、40％的植物胶（桉树粉）MC、3％的纤维素（羧甲基羟乙基纤维素）CMC、2％聚丙烯酰胺PAM、1.5的聚丙烯酸钠PAANA、0.1％十二烷基苯磺酸钠SDBS、1.5％含水硅酸镁、0.2％的氢氧化钙、0.5％硫酸钙、1.2％的碳酸氢钠；

3).将植物胶（桉树粉）MC、纤维素（羧甲基羟乙基纤维素）CMC、聚丙烯酰胺PAM、聚丙烯酸钠PAANA、十二烷基苯磺酸钠SDBS加工粉碎成40目细粉；

4).然后混合均匀制备成为复合悬砂剂

B).复合悬砂剂使用(按照质量份计)

2）.再将复合悬砂剂称取4份与250份土、200份水混合成的砂质胶体泥浆；

3）.将称取的复合悬砂剂4.5份加入50份水中并均匀混合成复合悬砂剂水溶液;

Claims

1.一种灌浆填充用的复合悬砂剂,其特征是，其组分及含量为：钠基型膨润土45-70%、桉树粉25-40%、羧甲基羟乙基纤维素2-4.6%、聚丙烯酸钠0.3-3%、聚丙烯酰胺0.3-3%、十二烷基苯磺酸钠0.05-2%、含水硅酸镁0.5-2%、氢氧化钙0.2-1%、硫酸钙0.5-2%、碳酸氢钠0.5-2%，所有百分数为重量百分数。

2.根据权利要求1所述的制备灌浆填充用的复合悬砂剂的使用方法,其特征是，有如下步骤：

(4)将搅拌混合并滤过的泥浆液通过泥浆泵加压泵送；

(7)将上述二次混合加入所形成的粘稠状的复合胶体悬砂泥浆注入治理区。

3.根据权利要求2所述的制备灌浆填充用的复合悬砂剂的使用方法,其特征是：砂质土为粉砂或细砂或中砂或粘土和砂土混合物或砂土和粉煤灰混合物。