CN108715526A - 一种煤矿开采和隧道工程用可控注浆液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属隧道及煤层开采技术领域，为解决目前的浆液不容易进入裂隙，易发生堵塞注浆孔等问题，提供一种煤矿开采和隧道工程用可控注浆液及其制备方法，由超细硫酸盐水泥、可再分散乳胶粉、高效减水剂FDN、纳米二氧化硅、烧石膏、明矾石粉、碳酸锂、木钙和水按一定比例混合制备而成。原料易得、浆液凝结速度可调控、和易性好、泵送效果好、析水性低、表面硬度高、后期强度稳定不倒缩、生产成本低、施工速度快、作业效率高，保护环境。浆液能有效灌入细微裂隙，扩大注浆半径，对隧道快速衬砌支护加固及煤炭的无污染、安全、高效开采具有重要意义。易于应对紧急突发抢险工程，施工速度快、作业效率高、节约施工时间。
Description
技术领域
本发明属于隧道及煤层开采技术领域，具体涉及一种煤矿开采和隧道工程用可控注浆液及其制备方法。
背景技术
在煤层开采中，经常会遇到煤层厚、松软破碎，而且采高大，由于工作面在过构造带时受采动应力作用影响，易出现片帮冒顶事故，影响工作面的正常采煤工作，减少了工作面的出煤量，也增加了安全生产的难度，大部分矿主要依靠在松软煤层中注入瑞米、马丽散等有机注浆材料来避免煤层片帮给工作面安全开采带来的麻烦。虽然可以解决问题，但是它们的工艺与价格对成本和环境均造成不利影响。
在隧道开挖过程中，由于地下水的影响会导致隧道施工过程围岩坍塌、变形、失稳，特别是在富水砂层中可能引起隧道涌水、突泥，危及施工安全，此外还会引起隧道运营过程中基底翻浆冒泥和不均匀沉降，严重时还会引起地表沉降、水土流失、地面塌陷，造成环境破坏；因此，在隧道施工过程中对地层的堵水和加固非常重要，不仅可以提高地层的强度和完整性，而且可以防止隧道涌水突泥。在隧道施工中，除需采用合理的开挖、支护等措施外，还必须辅以特殊的施工方法。根据已经建造隧道的经验，注浆法是防涌水、防塌方的一种有效方法，它可以通过浆液使原来松散软弱的围岩得到胶结硬化，变得相对密实，使裂隙空洞密实，截断围岩渗水通路，从而为开挖，衬砌创造较好的作业条件。
目前我国的煤矿开采和隧道工程中常用的注浆材料相同，绝大多数是常规水泥浆或水泥－水玻璃双液浆。常规水泥浆凝结时间长，流动性好，但不利于封堵裂隙，造成浆液大量流失，污染地下水环境；而水泥－水玻璃双液浆凝结时间过快，流动性、可泵性差，不容易进入裂隙，容易发生堵塞注浆孔等问题。为实现无污染、安全、高效作业，需要研发一种既能满足隧道及煤层开采对注浆的要求，又价格低廉、可注性强、速凝早强、凝结时间可控可调、和易性好、不析水、不倒缩、防渗固结效果好、无污染、不老化的新型可控注浆浆液及其注浆施工方法。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种煤矿开采和隧道工程用可控注浆液及其制备方法，该注浆液以超细硫酸盐水泥作为主要原料，通过添加外加剂，使注浆浆液具有凝结速度可调控、和易性好、泵送效果好、析水率低、表面硬度高、后期强度稳定不倒缩、生产成本低、施工速度快，作业效率高，绿色环保等优点。
本发明由如下技术方案实现的：一种煤矿开采和隧道工程用可控注浆液，由如下重量份的原料制成：超细硫酸盐水泥100份、可再分散乳胶粉0-3份、高效减水剂FDN 0-0.4份、纳米二氧化硅0.5份、烧石膏6-9份、明矾石粉6-9份、碳酸锂0.05-0.08份、木钙0.3-0.5份和水80份。
优选配比1为：由如下重量份的原料制成：超细硫酸盐水泥100份、纳米二氧化硅0.5份、烧石膏6份、明矾石粉6份、碳酸锂0.05份、木钙0.3份和水80份。
优选配比2为：由如下重量份的原料制成：超细硫酸盐水泥100份、可再分散乳胶粉3份、高效减水剂FDN 0.4份、纳米二氧化硅0.5份、烧石膏6份、明矾石粉6份、碳酸锂0.05份、木钙0.3kg和水80份。
优选配比3为：由如下重量份的原料制成：超细硫酸盐水泥100份、可再分散乳胶粉3份、高效减水剂FDN 0.4份、纳米二氧化硅0.5份、烧石膏7份、明矾石粉7份、碳酸锂0.05份、木钙0.3kg和水80份。
优选配比4为：由如下重量份的原料制成：超细硫酸盐水泥100份、可再分散乳胶粉3份、高效减水剂FDN 0.4份、纳米二氧化硅0.5份、烧石膏9份、明矾石粉9份、碳酸锂0.08份、木钙0.5份和水80份。
所述超细硫酸盐水泥的粒径为0.2μm。
制备所述的一种煤矿开采和隧道工程用可控注浆液的方法，步骤如下：
（1）将超细硫酸盐水泥加水配制成水灰比为0.8的浆料备用；
（2）将可再分散乳胶粉、高效减水剂FDN、纳米二氧化硅、烧石膏和明矾石粉加入步骤（1）的浆料中搅拌至完全溶解备用；
（3）将碳酸锂和木钙加入步骤（2）的混合物中搅拌至完全溶解。
本发明以超细硫酸盐水泥为主要原料，本发明采用的超细硫酸盐水泥粒径为0.2μm，它具有良好的渗透性及可灌性，具有比有机化学灌浆液更高的强度及耐久性，不存在老化现象。能有效的灌入细微裂隙，可适用于各种土质环境的地基加固处理、砂土层的固化处理、各种复杂的基础加固处理。
本发明添加的外加剂为碳酸锂、木钙、可再分散乳胶粉、高效减水剂FDN、纳米二氧化硅、烧石膏和明矾石。通过添加碳酸锂、木钙能使浆料凝固时间在30s-2h内可调。通过添加可再分散乳胶粉、纳米二氧化硅可降低析水率，并提高浆液的抗折及抗压强度，降低脆性。通过添加烧石膏和明矾石后期强度不断增加，抑制了水泥 28d 抗压强度倒缩。
本发明的原料易得、注浆浆液具有凝结速度可调控、和易性好、泵送效果好、析水性低、表面硬度高、后期强度稳定不倒缩、生产成本低、施工速度快、作业效率高，保护环境等优点。能使浆液有效的灌入细微裂隙，扩大注浆半径，对隧道快速衬砌支护加固及煤炭的无污染、安全、高效开采具有非常重要的意义。本发明生产工艺简单、易于应对紧急突发抢险工程，具有施工速度快、作业效率高、节约施工时间和经济成本的特点。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
超细硫酸盐水泥的粒径为0.2μm。
实施例1：一种煤矿开采和隧道工程用可控注浆液，由如下重量的原料制成：超细硫酸盐水泥100kg、纳米二氧化硅0.5kg、烧石膏6kg、明矾石粉6kg、碳酸锂0.05kg、木钙0.3kg和水80kg。
制备所述的一种煤矿开采和隧道工程用可控注浆液的方法，步骤如下：
（1）将超细硫酸盐水泥加水配制成水灰比为0.8的浆料备用；
（2）将纳米二氧化硅、烧石膏和明矾石粉加入步骤（1）的浆料中搅拌至完全溶解备用；
（3）将碳酸锂和木钙加入步骤（2）的混合物中搅拌至完全溶解。
实施例2：一种煤矿开采和隧道工程用可控注浆液，由如下重量的原料制成：超细硫酸盐水泥100kg、可再分散乳胶粉3kg、高效减水剂FDN 0.4kg、纳米二氧化硅0.5kg、烧石膏6kg、明矾石粉6kg、碳酸锂0.05kg、木钙0.3kg和水80kg。
制备所述的一种煤矿开采和隧道工程用可控注浆液的方法，步骤如下：
（1）将超细硫酸盐水泥加水配制成水灰比为0.8的浆料备用；
（2）将可分散乳胶粉、高效减水剂FDN、纳米二氧化硅、烧石膏和明矾石粉加入步骤（1）的浆料中搅拌至完全溶解备用；
（3）将碳酸锂和木钙加入步骤（2）的混合物中搅拌至完全溶解。
实施例3：一种煤矿开采和隧道工程用可控注浆液，由如下重量的原料制成：超细硫酸盐水泥100kg、可再分散乳胶粉3kg、高效减水剂FDN 0.4kg、纳米二氧化硅0.5kg、烧石膏7kg、明矾石粉7kg、碳酸锂0.05kg、木钙0.3kg和水80kg。制备方法同实施例2所述制备方法。
实施例4：一种煤矿开采和隧道工程用可控注浆液，由如下重量的原料制成：超细硫酸盐水泥100kg、可再分散乳胶粉3kg、高效减水剂FDN 0.4kg、纳米二氧化硅0.5kg、烧石膏9kg、明矾石粉9kg、碳酸锂0.08kg、木钙0.5kg和水80kg。制备方法同实施例2所述制备方法。
实施例5：一种煤矿开采和隧道工程用可控注浆液，由如下重量的原料制成：超细硫酸盐水泥100kg、可再分散乳胶粉1.5kg、高效减水剂FDN 0.2kg、纳米二氧化硅0.5kg、烧石膏8kg、明矾石粉8kg、碳酸锂0.06kg、木钙0.4kg和水80kg。制备方法同实施例2所述制备方法。
所制备的煤矿开采和隧道工程用可控注浆液的性能测试：注浆浆液各项性能是在河南理工大学实验室所测，实验浆液分别为实施例1-4的浆液，采用的是单液注浆法，注浆管外径为42mm，内径为34 mm，注浆管长6m，采用的注浆泵为BW-150型，档位一档，压力4.8MPa。
浆液性能测试数据如下：
本发明可以根据工程实际需要，调节浆液的各项性能，特别是凝结时间。通过调整碳酸锂、木钙的含量可以有效控制浆液的初凝和终凝时间，调节范围为在30s-2h。
现场注浆实验是在山西潞安环保能源开发股份有限公司某矿进行，实验浆液分别为实施例1-4的浆液，采用的是单液注浆法，注浆管外径为42mm，内径为34 mm，注浆管长6m，采用的注浆泵为BW-150型，档位一档，压力4.8MPa。两注浆孔之间间距5m，在两相邻注浆孔之间打入孔径为100mm的释放孔。通过取芯和压水试验发现，取芯率较好，裂隙中浆液的固结体完整，裂隙充填率达85-92%，扩散半径可达2.32m，超过现有技术的加固效果。
现工程中常用的注浆材料水泥-水玻璃浆液，水泥-水玻璃浆液其性能和水泥浆的水灰比及水泥和水玻璃的体积比有关。为方便比较，取水泥浆的水灰比与上述实施实例的浆液的水灰比相同，均为0.8，测试得到水泥-水玻璃浆液的性能如下表：
注：体积比1:0表示为纯水泥浆；测试所用水玻璃浓度为38Be′
对新型材料与常规注浆材料对比可看出，相同水灰比的两种注浆材料，新型浆液的结石率、析水率、28天抗压强度方面均优于常规注浆材料。而水泥-水玻璃浆液的早期强度优于新型浆液，主要是因为水灰比0.8的水泥浆配置的水泥-水玻璃浆液终凝时间短，仅为不到一分钟，如调整配比，使两种浆液的终凝时间相同，则新型浆液的早期强度也优于常规浆液。
Claims (7)
1.一种煤矿开采和隧道工程用可控注浆液，其特征在于：由如下重量份的原料制成：超细硫酸盐水泥100份、可再分散乳胶粉0-3份、高效减水剂FDN 0-0.4份、纳米二氧化硅0.5份、烧石膏6-9份、明矾石粉6-9份、碳酸锂0.05-0.08份、木钙0.3-0.5份和水80份。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿开采和隧道工程用可控注浆液，其特征在于：由如下重量份的原料制成：超细硫酸盐水泥100份、纳米二氧化硅0.5份、烧石膏6份、明矾石粉6份、碳酸锂0.05份、木钙0.3份和水80份。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿开采和隧道工程用可控注浆液，其特征在于：由如下重量份的原料制成：超细硫酸盐水泥100份、可再分散乳胶粉3份、高效减水剂FDN 0.4份、纳米二氧化硅0.5份、烧石膏6份、明矾石粉6份、碳酸锂0.05份、木钙0.3kg和水80份。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿开采和隧道工程用可控注浆液，其特征在于：由如下重量份的原料制成：超细硫酸盐水泥100份、可再分散乳胶粉3份、高效减水剂FDN 0.4份、纳米二氧化硅0.5份、烧石膏7份、明矾石粉7份、碳酸锂0.05份、木钙0.3kg和水80份。
5.根据权利要求1所述的一种煤矿开采和隧道工程用可控注浆液，其特征在于：由如下重量份的原料制成：超细硫酸盐水泥100份、可再分散乳胶粉3份、高效减水剂FDN 0.4份、纳米二氧化硅0.5份、烧石膏9份、明矾石粉9份、碳酸锂0.08份、木钙0.5份和水80份。
6.根据权利要求1-5所述的任意一种煤矿开采和隧道工程用可控注浆液，其特征在于：所述超细硫酸盐水泥的粒径为0.2μm。
7.制备权利要求1-5所述的任意一种煤矿开采和隧道工程用可控注浆液的方法，其特征在于：步骤如下：
（1）将超细硫酸盐水泥加水配制成水灰比为0.8的浆料备用；
（2）将可再分散乳胶粉、高效减水剂FDN、纳米二氧化硅、烧石膏和明矾石粉加入步骤（1）的浆料中搅拌至完全溶解备用；
（3）将碳酸锂和木钙加入步骤（2）的混合物中搅拌至完全溶解。
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| 蔡兵团: "超细硫铝酸盐水泥基注浆材料的应用研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》 * |
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