CN109851309B - 一种二氧化碳封存注浆材料及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二氧化碳封存注浆材料及其施工方法。该注浆材料按质量份计包括以下原料：水泥100‑110份，微硅粉或高炉矿渣粉或粉煤灰24‑26份，水玻璃1‑5份，烷基酚聚氧乙烯醚1‑5份，减水剂2.5‑3.0份，月桂醇硫酸酯钠1‑5份，水90‑100份。本发明利用了水玻璃与高浓度二氧化碳反应生成的硅胶可加固底层，并于后期强度提升较快的高铝活性水泥材料联合作用，加固底层。
Description
技术领域
本发明属于环境工程与地下工程材料领域，具体涉及一种二氧化碳封存注浆材料及其注浆方法。
背景技术
由于全球碳循环的失衡，即人类活动如矿物燃料燃烧与毁林等释放到大气中的二氧化碳超过同期地球大气中二氧化碳的增量及海洋吸收量的现象，这样就会导致大气中的二氧化碳越来越多，从而导致地球温室效应的加剧，最终导致全球出现极端天气的情况大大增加，虽然已知的材料中有些对二氧化碳气体具有吸收作用，如混凝土，但是由于混凝土都是用于建筑的构造，因此也不具有封存所需的密闭空间，从而无法进行二氧化碳气体的封存，因此如何对人类活动后产生的二氧化碳气体进行封存使其不排放到大气中也是亟需解决的问题。
另外我国是世界上最大的煤炭生产和消费国。长期大规模高强度的煤炭开采产生了为数众多的废弃矿井和面积巨大的采空区，采空后会对采空区进行抽采煤层气；对于废弃矿井可划分为新废弃矿井和老废弃矿井；新废弃矿井是指已经停止生产，但是矿井中的运输系统和供水系统还未拆除；而老废弃矿井是指矿井已经停产一定时间且矿井中的运输设备已完全拆除，并且对矿井进行煤层气抽采，但是目前无论是新废弃矿井还是老废弃矿井内均有空间，从而使矿井内空缺的地面易发生沉降、塌陷等灾害情况，由于新废弃矿井内运输系统及供水系统还未拆除，因此如何利用新废弃矿井的运输系统对其内部的巷道进行填充，进而降低沉降、塌陷等灾害情况发生是亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种二氧化碳封存注浆材料及其施工方法，以解决现有注压水泥存在的强度低，工程施工难度高的问题。
为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案包括。
一种二氧化碳封存注浆材料，包括如下重量份的原料：水泥100-110份，微硅粉或高炉矿渣粉或粉煤灰24-26份，水玻璃1-5份，烷基酚聚氧乙烯醚1-5份，减水剂2.5-3.0份，月桂醇硫酸酯钠1-5份，水90-100份。
进一步的，所述减水剂包括聚羧酸减水剂；所述聚羧酸减水剂包括酯类聚羧酸母液和醚类聚羧酸母液。
进一步的，所述水泥包括高铝水泥。
进一步的，所述微硅粉平均粒径不大于0.03 mm，比表面积不小于16 m2/g。
按照上述混凝土的组份配比，本发明还提供一种二氧化碳封存注浆材料的施工方法，所述方法包括如下步骤：
将水泥、微硅粉或高炉矿渣粉或粉煤灰投入到搅拌设备中搅拌混合60-100 s，得到固体物料A；
将烷基酚聚氧乙烯醚、月桂醇硫酸酯钠盐和醚类聚羧酸母液加入到水中，搅拌30-50 s混合均匀，得到混合溶液B；
将混合溶液B加入固体物料A中，搅拌，混合均匀，然后加入水玻璃，在注浆机中继续搅拌均匀，即得到注浆材料；
将注浆机中的注浆材料迅速注压围岩，使其形成密闭的围岩区域；
向分割好的围岩区域内注入二氧化碳后封堵；
利用高压管路继续注入注浆材料并逐步减小压力直至0 MPa。
进一步的，所述围岩区域的体积为400 m3～600 m3。
进一步的，所述注压围岩使用的注浆材料占围岩区域的体积不小于10％。
注浆2 min可达到稳压状态，采用取芯方法取得的浆液加固后的废弃矿井地层，其无侧限抗压强度为48 MPa，复合的浆体-土层材料的抗渗等级为P8。抗渗性极佳。
与现有技术相比，本发明得优点在于：
1.本发明不采用饱和石灰水而采用高铝活性水泥-水玻璃浆液，利用其与二氧化碳的快速反应和二氧化碳渗透强化的道理，二氧化碳与水玻璃作用生成的硅胶与高铝水泥中的氯酸三钙共同作用，使得二氧化碳在封存的过程中更加强化了地层，地层加固效果明显，并对土壤及生态圈盐碱平衡破坏很小，非常适合由于煤炭开采导致的采空区较大的地段的地层加固，与地层结合强度高；
2.本发明用微硅粉提高注浆材料的强度与耐久性，简单有效，抗渗性极佳；
3.本发明烷基酚聚氧乙烯醚、月桂醇硫酸酯钠盐、醚系聚羧酸母液添加剂，使得浆体流动度更大，可与地层中多孔材料更加紧密贴合；
4.本发明采用高铝水泥代替水泥，获得更高早期强度，并由于高铝水泥碱性更大，可以和二氧化碳反应更快速。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种二氧化碳封存注浆材料，包括如下重量份的原料：高铝水泥100份，微硅粉25份，微硅粉的平均粒径不大于0.03 mm，比表面积不小于16 m2/g，水玻璃1份，烷基酚聚氧乙烯醚5份，醚类聚羧酸母液3.0份，月桂醇硫酸酯钠1份，水100份。
按照上述的配比制备二氧化碳封存注浆材料，其具体的施工方法包括如下步骤；
将水泥、微硅粉投入到搅拌设备中搅拌混合100 s，得到固体物料A；
将烷基酚聚氧乙烯醚、月桂醇硫酸酯钠盐和醚类聚羧酸母液加入到水中，搅拌50s混合均匀，得到混合溶液B；
将混合溶液B加入固体物料A中，搅拌，混合均匀，然后加入水玻璃，在注浆机中继续搅拌均匀，即得到注浆材料。
使用装有注浆材料的注浆机进行迅速注压围岩，围岩区域的体积为400 m3，注浆材料注入体积为围岩区域体积的10%，使其形成密闭的围岩区域；然后向分割好的区域内注入二氧化碳后封堵；利用高压管路继续注入高铝活性水泥-水玻璃浆液并逐步减小压力直至0 MPa；
注浆2 min可达到稳压状态，采用取芯方法取得的浆液加固后的废弃矿井地层，其无侧限抗压强度为57 MPa，复合的浆体-土层材料的抗渗等级为P8。抗渗性极佳。
实施例2
一种二氧化碳封存注浆材料，包括如下重量份的原料：高铝水泥110份，高炉矿渣粉24份，水玻璃5份，烷基酚聚氧乙烯醚1份，醚类聚羧酸母液2.7份，月桂醇硫酸酯钠5份，水95份。
按照上述的配比制备二氧化碳封存注浆材料，其具体的施工方法包括如下步骤；
将水泥、高炉矿渣粉投入到搅拌设备中搅拌混合60 s，得到固体物料A；
将烷基酚聚氧乙烯醚、月桂醇硫酸酯钠盐和醚类聚羧酸母液加入到水中，搅拌30s混合均匀，得到混合溶液B；
将混合溶液B加入固体物料A中，搅拌，混合均匀，然后加入水玻璃，在注浆机中继续搅拌均匀，即得到注浆材料。
使用装有注浆材料的注浆机进行迅速注压围岩，围岩区域的体积为600 m3，注浆材料注入体积为围岩区域体积的20%，使其形成密闭的围岩区域；然后向分割好的区域内注入二氧化碳后封堵；利用高压管路继续注入高铝活性水泥-水玻璃浆液并逐步减小压力直至0 MPa；
注浆2 min可达到稳压状态，采用取芯方法取得的浆液加固后的废弃矿井地层，其无侧限抗压强度为53 MPa，复合的浆体-土层材料的抗渗等级为P8。抗渗性极佳。
实施例3
一种二氧化碳封存注浆材料，包括如下重量份的原料：高铝水泥105份，粉煤灰26份，水玻璃3份，烷基酚聚氧乙烯醚3份，酯类聚羧酸母液2.5份，月桂醇硫酸酯钠3份，水90份。
按照上述的配比制备二氧化碳封存注浆材料，其具体的施工方法包括如下步骤；
将水泥、粉煤灰投入到搅拌设备中搅拌混合80 s，得到固体物料A；
将烷基酚聚氧乙烯醚、月桂醇硫酸酯钠盐和醚类聚羧酸母液加入到水中，搅拌40s混合均匀，得到混合溶液B；
将混合溶液B加入固体物料A中，搅拌，混合均匀，然后加入水玻璃，在注浆机中继续搅拌均匀，即得到注浆材料。
使用装有注浆材料的注浆机进行迅速注压围岩，围岩区域的体积为500 m3，注浆材料注入体积为围岩区域体积的10%，使其形成密闭的围岩区域；然后向分割好的区域内注入二氧化碳后封堵；利用高压管路继续注入高铝活性水泥-水玻璃浆液并逐步减小压力直至0 MPa；
注浆2 min可达到稳压状态，采用取芯方法取得的浆液加固后的废弃矿井地层，其无侧限抗压强度为48 MPa，复合的浆体-土层材料的抗渗等级为P8。抗渗性极佳。
实施例4
一种二氧化碳封存注浆材料，包括如下重量份的原料：高铝水泥107份，粉煤灰25份，水玻璃4份，烷基酚聚氧乙烯醚2份，醚类聚羧酸母液3.0份，月桂醇硫酸酯钠4份，水96份。
按照上述的配比制备二氧化碳封存注浆材料，其具体的施工方法包括如下步骤；
将水泥、微硅粉投入到搅拌设备中搅拌混合80 s，得到固体物料A；
将烷基酚聚氧乙烯醚、月桂醇硫酸酯钠盐和醚类聚羧酸母液加入到水中，搅拌50s混合均匀，得到混合溶液B；
将混合溶液B加入固体物料A中，搅拌，混合均匀，然后加入水玻璃，在注浆机中继续搅拌均匀，即得到注浆材料。
使用装有注浆材料的注浆机进行迅速注压围岩，围岩区域的体积为450 m3，注浆材料注入体积为围岩区域体积的30%，使其形成密闭的围岩区域；然后向分割好的区域内注入二氧化碳后封堵；利用高压管路继续注入高铝活性水泥-水玻璃浆液并逐步减小压力直至0 MPa；
注浆2 min可达到稳压状态，采用取芯方法取得的浆液加固后的废弃矿井地层，其无侧限抗压强度为57 MPa，复合的浆体-土层材料的抗渗等级为P8。抗渗性极佳。
实施例5
一种二氧化碳封存注浆材料，包括如下重量份的原料：高铝水泥110份，高炉矿渣粉26份，水玻璃2份，烷基酚聚氧乙烯醚3份，醚类聚羧酸母液2.6份，月桂醇硫酸酯钠2份，水90份。
按照上述的配比制备二氧化碳封存注浆材料，其具体的施工方法包括如下步骤；
将水泥、高炉矿渣粉投入到搅拌设备中搅拌混合70 s，得到固体物料A；
将烷基酚聚氧乙烯醚、月桂醇硫酸酯钠盐和醚类聚羧酸母液加入到水中，搅拌30s混合均匀，得到混合溶液B；
将混合溶液B加入固体物料A中，搅拌，混合均匀，然后加入水玻璃，在注浆机中继续搅拌均匀，即得到注浆材料。
使用装有注浆材料的注浆机进行迅速注压围岩，围岩区域的体积为550 m3，注浆材料注入体积为围岩区域体积的10%，使其形成密闭的围岩区域；然后向分割好的区域内注入二氧化碳后封堵；利用高压管路继续注入高铝活性水泥-水玻璃浆液并逐步减小压力直至0 MPa；
注浆2 min可达到稳压状态，采用取芯方法取得的浆液加固后的废弃矿井地层，其无侧限抗压强度为50 MPa，复合的浆体-土层材料的抗渗等级为P8。抗渗性极佳。
对比例： 运用传统注入石灰水的办法在废弃矿井中封存二氧化碳，其复合地层强度低于5 MPa，渗透等级低于P6，长期强度不增长分别对比20 d，90 d，180 d的复合地基无侧限抗压强度，采用传统饱和石灰水注入的办法，强度逐渐减小，采用高铝活性水泥-水玻璃浆液加固的强度增长分别为4.28 MPa，1 MPa，2 MPa，其增长率为8%，2%，4%。
本发明不采用饱和石灰水而采用高铝活性水泥-水玻璃浆液，利用其与二氧化碳的快速反应和二氧化碳渗透强化的道理，使得二氧化碳在封存的过程中更加强化了地层，并对土壤及生态圈盐碱平衡破坏很小，非常适合由于煤炭开采导致的采空区较大的地段的地层加固，与地层结合强度高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种二氧化碳封存注浆材料，其特征在于，由如下重量份的原料组成：水泥100-110份，微硅粉或高炉矿渣粉或粉煤灰24-26份，水玻璃1-5份，烷基酚聚氧乙烯醚1-5份，减水剂2.5-3.0份，月桂醇硫酸酯钠3-5份，水90-100份；
所述减水剂为聚羧酸减水剂；所述聚羧酸减水剂为醚类聚羧酸母液；
所述水泥为高铝水泥；
所述微硅粉平均粒径不大于0.03mm，比表面积不小于16m2/g。
2.一种权利要求1所述二氧化碳封存注浆材料的施工方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：将水泥、微硅粉或高炉矿渣粉或粉煤灰投入到搅拌设备中搅拌混合60-100s，得到固体物料A；
将烷基酚聚氧乙烯醚、月桂醇硫酸酯钠盐和醚类聚羧酸母液加入到水中，搅拌30-50s混合均匀，得到混合溶液B；
将混合溶液B加入固体物料A中，搅拌，混合均匀，然后加入水玻璃，在注浆机中继续搅拌均匀，即得到注浆材料；
将注浆机中的注浆材料迅速注压围岩，使其形成密闭的围岩区域；
向分割好的围岩区域内注入二氧化碳后封堵；
利用高压管路继续注入注浆材料并逐步减小压力直至0MPa。
3.根据权利要求2所述的一种二氧化碳封存注浆材料的施工方法，其特征在于，围岩区域的体积为400m3~600m3。
4.根据权利要求2所述的一种二氧化碳封存注浆材料的施工方法，其特征在于，注压围岩使用的注浆材料占围岩区域的体积不小于10%。
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