CN108609964A - 一种采空区注浆充填材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采空区注浆充填材料，所述注浆充填材料包括：水、硅酸盐水泥、粉煤灰、膨胀剂和外加剂：水固比：所述水与固相含量硅酸盐水泥与粉煤灰重量和的重量比为：0.7‑0.9；固相比：硅酸盐水泥与粉煤灰的质量比为5:5、4:6、3:7的其中一种；膨胀剂为氧化钙，其质量比是硅酸盐水泥与粉煤灰重量和的4％‑8％；外加剂为磺化褐煤(SMC)或分散剂(DFZ)的其中一种；其质量比为硅酸盐水泥与粉煤灰重量和的0.1‑0.4％。本发明的优点在于：浆体体积膨胀和强度发展有良好的协调性，减小了浆液的扩散范围，大幅度降低了材料成本。

Description

一种采空区注浆充填材料

技术领域

本发明涉及注浆充填材料技术领域，特别涉及一种采空区注浆充填材料。

背景技术

矿山的地下采矿活动形成的采空区对高速铁路、高速公路和其他地面建筑物的建设和安全使用会产生非常大的威胁。我国地质矿产资源丰富，经过矿产资源开发整合之后，大小矿山数量仍有10万多座。位于地下的矿产资源被开采后，采空区围岩原始应力发生变化，如不采取相应的支护措施，围岩就会出现不同程度的变形。地表在采空区的影响下则出现地面塌陷、地裂缝以及山体崩滑等地质灾害，严重破坏了自然环境，并威胁附近相关人员的生命财产安全。

工程实践证明，注浆是采空区治理最常用也最有效的技术手段。注浆就是采用相应的设备将配置好的浆材注入到岩土体中。浆液在刚刚配置好时具有流动性，当到达岩土体的空隙、裂隙或孔隙中之后就逐渐凝结硬化为具有强度的固结体。这些固结体与原本的岩土体粘结在一起形成一个整体，达到提高岩土体承载力和防渗性能，控制其变形的目的。

对注浆工程来说，注浆材料的造价是一个非常重要的问题。尤其是对采空区、岩溶溶洞和城市废弃防空壕等大空间进行注浆充填施工时，由于其注浆量非常大，降低注浆材料的造价具有重要的经济意义。以瓮安生物群地质遗迹下伏采空区注浆治理为例，勘察设计单位在进行注浆材料方案设计时，发现使用水泥净浆作为注浆材料的费用达到数亿元，如此巨额成本是难以接受的。目前应对注浆材料成本高昂的方法主要在原浆液中掺入大量价格低廉的外掺料，但是单纯使用这种方法会使浆液在性能上出现较大的下滑，无法取得满意的注浆效果。

目前国内外学者的目光更多地聚焦在性能优异的化学注浆材料，这使得大量的新型注浆材料得以问世并被应用于各种防渗堵漏和加固工程中。与此形成对比的是，人们对采空区注浆充填材料的研究则不够系统和深入。目前应用于采空区注浆的材料主要是水泥净浆、水泥砂浆、水泥粉煤灰浆等材料。这些材料应用于采空区注浆工程时，不同程度地存在析水率高、稳定性差和结石率低等性能缺陷，注浆效果往往无法令人满意，材料成本也居高不下。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种采空区注浆充填材料，能有效的解决上述现有技术存在的问题。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种采空区注浆充填材料，所述注浆充填材料包括：水、硅酸盐水泥、粉煤灰、膨胀剂和外加剂：

水固比：所述水与固相含量硅酸盐水泥与粉煤灰重量和的重量比为：0.7-0.9；

固相比：硅酸盐水泥与粉煤灰的质量比为5:5、4:6、3:7的其中一种；

膨胀剂为氧化钙，其质量比是硅酸盐水泥与粉煤灰重量和的4％-8％；

外加剂为磺化褐煤(SMC)或分散剂(DFZ)的其中一种；其质量比为硅酸盐水泥与粉煤灰重量和的0.1-0.4％。

作为优选；

水固比为：0.7；

固相比为：4:6；

氧化钙质量比为硅酸盐水泥与粉煤灰重量和的8％；

外加剂为分散剂(DFZ)，其质量比为硅酸盐水泥与粉煤灰重量和的0.3％。

作为优选；

水固比为：0.8；

固相比为：3:7；

氧化钙质量比为硅酸盐水泥与粉煤灰重量和的6％；

外加剂为分散剂(DFZ)，其质量比为硅酸盐水泥与粉煤灰重量和的0.2％。

与现有技术相比本发明的优点在于：浆体体积膨胀和强度发展有良好的协调性，减小了浆液的扩散范围，大幅度降低了材料成本。

浆液析水率不高于10％，浆液结石率不低于90％；浆液流动度在160mm和200mm之间，初凝时间不小于10h，终凝时间不大于36h。浆液固结体具有良好的抗压强度，3d抗压强度不小于0.3MPa，7d抗压强度不小于1MPa。

附图说明

图1为本发明实施例采空区注浆充填材料的析水率和结石率对比图；

图2为本发明实施例注浆充填材料的流动度随时间变化折线图；

图3为本发明实施例注浆充填材料的浆液流变曲线示意图；

图4为本发明实施例注浆充填材料的凝结时间示意图；

图5为本发明实施例注浆充填材料的强度随时间变化趋势图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明做进一步详细说明。

实施例1

一种采空区注浆充填材料，所述注浆充填材料包括：水、硅酸盐水泥、粉煤灰、膨胀剂和外加剂：

水固比：所述水与固相含量(硅酸盐水泥与粉煤灰重量和)的重量比为：0.7；

固相比：硅酸盐水泥与粉煤灰的质量比为4:6；

膨胀剂为氧化钙，其质量比是硅酸盐水泥与粉煤灰重量和的8％；

外加剂为磺化褐煤(SMC)或分散剂(DFZ)的其中一种；其质量比为硅酸盐水泥与粉煤灰重量和的0.3％；

实施例2

一种采空区注浆充填材料，所述注浆充填材料包括：水、硅酸盐水泥、粉煤灰、膨胀剂和外加剂：

水固比：所述水与固相含量(硅酸盐水泥与粉煤灰重量和)的重量比为：0.8；

固相比：硅酸盐水泥与粉煤灰的质量比为3:7；

膨胀剂为氧化钙，其质量比是硅酸盐水泥与粉煤灰重量和的8％；

外加剂为磺化褐煤(SMC)或分散剂(DFZ)的其中一种；其质量比为硅酸盐水泥与粉煤灰重量和的0.2％；

(1)稳定性与结石率

对两个实施例的析水率和结石率进行测试，结果如图1所示。

由图可以看出，两个实施例均表现出析水率较小，结石率较高的特性，这对采空区注浆是非常有利的。实施例1浆液析水率小于5％，结石率超过了95％，可以认为是稳定浆液，实施例2结石率略低，但也超过了90％。在对结石率要求较高的工程中应优选实施例1。

(2)流动性与流变性

1)流动性

根据试验数据，绘制流动度随时间变化的关系曲线如图2所示。

由图可以看出，两个实施例都具有较理想的流动度，其中实施例1流动度略大于实施例2；两个实施例的流动度均随着时间逐渐减小，而实施例1的减小幅度更大，在5h后其流动度已经小于实施例2，这是由于实施例1中水泥和氧化钙含量更高，水化反应便更快，更早的失去可塑性。两个实施例分别在5.8h和6.5h之后流动度才减小到140mm以下，均满足采空区注浆要求。

2)流变性

根据试验数据，得到浆液流变曲线，如图3所示。并对数据按照宾汉姆流型和赫巴模型流变方程进行拟合，流变方程各参数如表1所示。

表1优化方案流变参数表

由图3可以看出，赫巴流变曲线的拟合度较宾汉姆流变曲线高。在实际生产中，为了便于计算，常常使用较为简单的宾汉姆模式来表征浆液流变性。由表1可以看出，实施例2的动切力、稠度系数均小于实施例1，这说明实施例2可泵性略优于实施例1，这主要是由于实施例1的水固比较高；实施例2的流性指数大于实施例1，说明实施例2剪切稀释性较实施例1小；实施例2塑性黏度较实施例1小，说明实施例2在扩散过程中能量损失更小。

(3)凝结特性

对两个实施例进行凝结时间测试，结果如图4所示。

由图可以看出，实施例2的初、终凝时间均小于实施例1，这是由于实施例1的水化反应相对较快造成的。两个实施例的初凝时间均在10h-12h左右，这表明两个实施例可以保证浆液在地面搅拌、运输、泵送等过程中不失去流动性，并可以扩散到一定的范围，而且当浆液质量出现问题时，也给相关技术人员提供了一定的时间来纠错。此外，两个实施例的终凝时间不超过36h，这表明浆液可以尽早的终凝产生一定的力学强度，达到抵抗后序注浆压力的破坏和支撑采空区上覆岩体控制其变形的目的。

(4)强度特性

对不同养护龄期的固结体试样进行抗压强度测试，结果如图5所示。

由图5可以看出，两个实施例的抗压强度均随着龄期增长逐渐提高，其中实施例1的3d、7d、14d抗压强度均高于实施例2，其14d抗压强度分别超过3.5MPa和3MPa，均满足采空区注浆对浆液固结体后期强度的要求。实施例13d抗压强度比实施例2更高，说明实施例1抵抗后续注浆压力破坏的能力更强。

(5)经济性

对得到的两种注浆充填材料实施例与纯水泥浆和水泥-水玻璃双浆进行经济性对比，评价方法为对比得到单位体积固结体所花费的材料成本C。经过计算，各方案成本计算结果如表2所示。

表2各方案成本计算结果

注：计算时水泥和粉煤灰质量之和取值为1000kg。水泥净浆水灰比为0.8，根据前述试验，其结石率为78.3％。水泥-水玻璃浆方案水灰比1.0，根据相关资料，其结石率为95％。

从表2中可以看出，水泥净浆方案的成本最高，但其注浆充填效果最差。在剩余的三种方案当中，优化实施例2的成本最低，较水泥净浆方案节约了42％的材料费用。

综上所述，两实施例均可满足采空区注浆的性能要求。其中，从对上覆岩体的支撑效果来看，实施例1由于强度和结石率更高，在这一方面要优于实施例2；当需要更大的浆液扩散范围时，实施例2由于流动性更好，在这一方面表现更胜一筹。此外，由于价格较高的氧化钙和外加剂的加量更少，实施例2有一定的成本优势。相对于使用纯水泥浆的方案，可节约42％左右的投资。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种采空区注浆充填材料，其特征在于：所述注浆充填材料包括：水、硅酸盐水泥、粉煤灰、膨胀剂和外加剂：

水固比：所述水与固相含量硅酸盐水泥与粉煤灰重量和的重量比为：0.7-0.9；

固相比：硅酸盐水泥与粉煤灰的质量比为5:5、4:6、3:7的其中一种；

膨胀剂为氧化钙，其质量比是硅酸盐水泥与粉煤灰重量和的4％-8％；

外加剂为磺化褐煤(SMC)或分散剂(DFZ)的其中一种；其质量比为硅酸盐水泥与粉煤灰重量和的0.1-0.4％。

2.根据权利要求1所述的一种采空区注浆充填材料，其特征在于：

水固比为：0.7；

固相比为：4:6；

氧化钙质量比为硅酸盐水泥与粉煤灰重量和的8％；

外加剂为分散剂(DFZ)，其质量比为硅酸盐水泥与粉煤灰重量和的0.3％。

3.根据权利要求1所述的一种采空区注浆充填材料，其特征在于：

水固比为：0.8；

固相比为：3:7；

氧化钙质量比为硅酸盐水泥与粉煤灰重量和的6％；

外加剂为分散剂(DFZ)，其质量比为硅酸盐水泥与粉煤灰重量和的0.2％。