CN111848028A - 一种针对软弱破碎岩体的复合注浆材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对软弱破碎岩体的复合注浆材料及其制备方法。本发明以普通硅酸盐水泥和粉煤灰为主要原料，掺合钠硅酸盐、金刚砂、减水剂三种辅助原料，制备出一种流动性强、黏度适中、凝结时间可调、沁水率低、结实率高、抗压强度高且水泥用量少、成本低的复合注浆材料；所述复合注浆材料由以下质量份数的原料制成：400~430份普通硅酸盐水泥，70~80份粉煤灰，25~35份水玻璃，400~420份金刚砂，360~380份水，10~20份减水剂。本发明使用的金刚砂耐腐蚀性好、强度高、硬度高，耐磨性能好，改善了水泥的工作性能和力学性能，提高了浆液结石体的强度和耐久性。

Description

一种针对软弱破碎岩体的复合注浆材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种针对软弱破碎岩体的复合注浆材料及其制备方法，属于矿山与地下工程安全技术领域。
背景技术
我国煤炭资源分布广泛，地质条件多样，相当一部分的巷道布置在软岩中，巷道风化、崩塌、及水作用下溶胀软化，即使在低应力带下表现出明显的软岩特征，这给煤巷的变形控制和支护技术带来了前所未有的技术难题。国内外软岩巷道的支护主要采用注浆法、干砌法、浆砌法和强夯法，其中以注浆法最为常见。
围岩注浆强化是巷道支护特别是软弱煤岩体巷道支护的有效方法之一。注浆加固使浆液在煤岩体中形成网络骨架，使软弱煤岩体重新胶结成一个新的整体，形成新的承载结构，从而改善软弱煤岩体的整体稳定性；并且注浆以后可明显提高裂隙的黏聚力和内摩擦角，明显改善煤岩体的力学性质。材料作为注浆治理技术的重要组成部分，直接影响最终注浆治理效果。目前常见的注浆材料主要有普通水泥、水泥-水玻璃、水泥-黏土和化学类材料，其中化学类以聚氨酯基、环氧树脂基等高分子类材料为代表。
无机水泥注浆材料成本低、材料来源广泛，但是由于现有的水泥注浆材料其渗透性差、结石率低等缺点，难以满足工程需求；而化学类材料因其成本过高，结石体耐久性较差等原因难以大面积推广。
综上所述，亟需开发一种绿色环保、成本较低且能满足软弱破碎岩体注浆加固要求的新型注浆材料及其制备方法。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种针对软弱破碎岩体的复合注浆材料及其制备方法。
本发明的目的之一是提供一种针对软弱破碎岩体的复合注浆材料。本发明针对的处理对象是巷道风化、崩塌、及水作用下溶胀软化的软弱破碎岩体。
本发明的目的之二是提供一种针对软弱破碎岩体的复合注浆材料的制备方法。
本发明的目的之三是提供一种针对软弱破碎岩体的复合注浆材料的应用。
本发明以普通硅酸盐水泥和粉煤灰为主要原料，掺合钠硅酸盐、金刚砂、减水剂三种辅助原料，制备出一种流动性强、黏度适中、凝结时间可调、沁水率低、结实率高、抗压强度高且水泥用量少、成本低的复合注浆材料。
本发明公开了一种针对软弱破碎岩体的复合注浆材料，所述注浆材料按质量份数由400 ~ 430份普通硅酸盐水泥，70 ~ 80份粉煤灰，25 ~ 35份水玻璃，400 ~ 420份金刚砂，360 ~ 380份水以及10 ~ 20份减水剂制成。
进一步地，所述的普通硅酸盐水泥标号为P.O 42.5R；
进一步地，所述的水玻璃采用模数为2.5的硅酸钠；
进一步地，所述的金刚砂采用比重为3.22、20-50目、显微硬度为3120 kg/mm2、碳化硅含量约95%-98%的石英砂；
进一步地，所述的减水剂为HS-HF高效减水剂，它的成分主要是聚次甲基萘磺酸钠。HS-HF是专用的外加剂，该外加剂具有优异的减水、改善注浆材料的和易性、提高抗裂性以及改善胶材与骨料间的界面性能的作用。
优选地：所述注浆材料按质量份数为：420 ~ 430份普通硅酸盐水泥，75 ~ 80份粉煤灰，30份水玻璃，410 ~ 420份金刚砂，370 ~ 380份水，15份减水剂。
更优选地：所述注浆材料按质量份数为：424份普通硅酸盐水泥，76份粉煤灰，30份水玻璃，417份金刚砂，375份水15份减水剂。本发明所选用的材料性能及技术原理为：
浆液中水分可大致划分为结合水、自由水及润湿水，注浆材料中的水泥、粉煤灰等胶凝材料只会与结合水发生亲和作用，自由水只起到一定润滑作用，随着拌和的过程，自由水可以从砂浆微小的孔隙中逸出来。在注浆所有的基材料中，水的密度相对是最小的，当自由水从拌和好的浆液中逸出后出现上浮现象，发生沁水。假如注浆基材料颗粒级配比较好，孔隙相对较细，各材料之间堆积比较密实，那么自由水需要经过很长距离才能从浆液中逸出，水泥等胶凝材料会随时间的延长而发生固结，封堵自由水的逸出途径，则浆液最后析出的自由水会很少甚至没有。在水一定量的情况下，增加胶凝材料用量，会导致水泥砂浆拌合物的总比表面积增加，在水只有一定量得到情况下，会更多的湿润胶凝材料的表面，所以导致从浆液中析出的自由水大大减少了。同理，胶砂比增大，金刚砂用量相对减少，胶凝材料用量增加，相对金刚砂较细的水泥、粉煤灰会细化水泥砂浆中的孔隙，降低了孔隙之间的连通性，导致沁水量减少。
本发明所使用的HS—HF高效减水剂里面的主要化学成分是聚次甲基萘磺酸钠，它是一种高分子的活性化学剂，可以吸附于水泥和粉煤灰这样胶凝材料的表面，产生一种具有负电的电场，从而使得胶凝体颗粒之间相互排斥分离，因此凝结作用降低，需要的所需的润湿自由水减少，导致从浆液中析出的自由水量增加，大大提高水泥砂浆的流动性，减小流空时间。
粉煤灰是具有潜在活性的火山灰质混合型胶凝材料，其活性相较于水泥低，加大粉煤灰的量，使得水泥砂浆中的结合水显著减小，从而导致沁出的水分增加，继而改善浆液的流动性，缩短流空时间。
本发明所使用的金刚砂的主要化学成分是碳化硅，化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，能够有效增强充填体的强度。
本发明提供了一种针对软弱破碎岩体的复合注浆材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）按质量份数准备400~430份普通硅酸盐水泥，70~80份粉煤灰，25~35份水玻璃，400~420份金刚砂，360~380份水和10~20份减水剂作为原料；
（2）将上述称量好的360~380份水注入到搅拌装置中，然后加入粉煤灰搅拌均匀，得到灰浆；
（3）向灰浆中加入称量好的普通硅酸盐水泥、水玻璃、金刚砂和减水剂，搅拌10~15分钟，得到金刚砂复合注浆材料。
本发明提供了上述针对软弱破碎岩体的复合注浆材料的应用。考虑到现场巷道顶部围岩较破碎以及复合注浆材料的性能，确定注浆工程单孔注浆顺序和注浆工程整体注浆顺序。
（1）注浆工程单孔注浆顺序：标记注浆孔位置→钻机打孔→插入内径28mm的注浆钢管→注浆孔封孔→安装截止阀→布置注浆系统→制备复合注浆材料→开泵注浆→注浆至终压稳定15min→停泵，关闭截止阀→单孔注浆结束→注下一孔工序。
（2）注浆工程整体注浆顺序：工程要分为两阶段进行，第一阶段先对两帮进行注浆，保证帮部结构面充填完毕后进入第二阶段对顶板进行注浆，即遵循“先下后上”的原则；在巷道进行注浆工作过程中容易发生串孔现象，为了减少串孔现象，某一孔注浆完毕后，下一孔要在两倍间隔处进行打孔注浆，一轮完毕后再加密打孔注浆，即遵循“隔孔施工”的原则。注浆工程要实时记录每个孔的注浆情况，大致完毕后要在注浆异常的孔附近补打孔进行再次注浆。
在上述注浆施工过程中，现场停泵时机：时刻观察注浆泵压力表数值，若小幅度升高又降低，说明浆液达到结构面端头且与附近最近的结构面进行沟通；则不需要停泵，若一旦数值迅速升高且超过5MPa，说明单孔已经注满，可涉及到的结构面已经覆盖，则需要立即停泵。
注浆前围岩壁要喷浆防止大面积漏浆，注浆过程中要时刻观察两帮喷浆层表观现象，若出现单一裂缝漏浆情况，则需要停泵进行快速糊缝措施，完毕后继续开启设备注浆；若出现开裂多条裂缝，说明区域内浆液已达到任意位置，则可以停止单孔注浆。
本发明的有益效果：
（1）采用金刚砂作为掺合料，有效降低了水泥、粉煤灰等注浆材料的单位用量，有效降低了注浆材料成本；
（2）金刚砂耐腐蚀性好、强度高、硬度高，耐磨性能好，改善了水泥的工作性能和力学性能，提高了浆液结石体的强度和耐久性。
（3）金刚砂复合注浆材料原料易得且安全环保。
附图说明
图1 注浆前后巷道顶底板及两帮移近量对比图。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
购置P.O 42.5R的普通硅酸盐水泥；粉煤灰采用山西阳城电厂容重为924.3 kg/m3粉煤灰，具体性能参数见表1，表2所示；水玻璃采用模数为2.5的硅酸钠；金刚砂采用比重为3.22、显微硬度为3120 kg/mm2的石英砂；减水剂采用化工部二院生产的HS—HF高效减水剂（HS-HF是专用的外加剂，该外加剂具有优异的减水、改善注浆材料的和易性、提高抗裂性以及改善胶材与骨料间的界面性能的作用），配制出以下6种复合注浆材料。
本实施例所采用的粉煤灰的主要成分及其物理性能见表1、表2：
表 1 粉煤灰化学成分
Figure DEST_PATH_IMAGE002
表 2 粉煤灰的物理性能
Figure DEST_PATH_IMAGE004
所采用的金刚砂主要参数为：比重3.22、20-50目、显微硬度为3120 kg/mm2、碳化硅含量约95%。
实施例1
水泥434.8kg，粉煤灰65.2kg，水玻璃45kg，金刚砂555.6kg，水300kg，减水剂10kg。
实施例2
水泥416.7kg，粉煤灰83.3kg，水玻璃16.3kg，金刚砂454.5kg，水325kg，减水剂10kg。
实施例3
水泥434.8kg，粉煤灰65.2kg，水玻璃70.0kg，金刚砂500kg，水350kg，减水剂17.5kg。
实施例4
水泥416.7kg，粉煤灰83.3kg，水玻璃65.0kg，金刚砂384.6kg，水325kg，减水剂12.5kg。
实施例5
水泥416.7kg，粉煤灰83.3kg，水玻璃16.3kg，金刚砂555.6kg，水325kg，减水剂15kg。
实施例6
水泥423.7kg，粉煤灰76.3kg，水玻璃30.0kg，金刚砂416.7kg，水375kg，减水剂15kg。
对本发明实施例1~6的复合注浆材料进行性能测定，所采用的测定方法按照《水泥的标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》（GB /T 1346-2011）和《水泥胶砂强度试验方法（ISO）》（GB/T 17671-2019）中的相关规定执行，测定结果如表3所示。
表3 实施例1~6注浆性能测定结果
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表4新型复合注浆材料与现有注浆材料性能指标的对比
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表 5 新型复合注浆材料造价计算
Figure DEST_PATH_IMAGE010
由表3可以看出，本发明所述的复合注浆材料具有很短的初凝时间和较高的强度及结实率，由表4和表5可以看出，综合性能优于现有技术的水泥，性价比更高，而且完全满足施工的需要。
按照优选后的配制比（是指423.7:76.3:30:416.7:375:15）进行现场试验，即水泥:粉煤灰:水玻璃:金刚砂:水:减水剂=423.7:76.3:30:416.7:375:15，得到注浆前后巷道顶底板及两帮移近量对比图，如图1所示。
40天后注浆段顶板最大下沉量为129.3mm，两帮最大移近量为39.7mm，相对于为未注浆段，数值上有明显的下降，说明注浆材料有效的进入了顶板和两帮的弱面中，围岩完整性和自稳性得到了充分地提高，能够抵抗较大的地应力以及二次工程扰动应力，注浆对围岩变形起到了良好的控制作用。本发明针对软弱破碎岩体的复合注浆材料在软弱泥化围岩的加固工程中，优势明显，具有广阔的应用前景。

Claims (10)

1.一种针对软弱破碎岩体的复合注浆材料，其特征在于：以普通硅酸盐水泥和粉煤灰为主要原料，掺合钠硅酸盐、金刚砂、减水剂三种辅助原料，制备出一种流动性强、黏度适中、凝结时间可调、沁水率低、结实率高、抗压强度高且水泥用量少、成本低的复合注浆材料；
所述复合注浆材料由以下质量份数的原料制成：
400 ~ 430份普通硅酸盐水泥，70 ~ 80份粉煤灰，25 ~ 35份水玻璃，400 ~ 420份金刚砂，360 ~ 380份水以及10 ~ 20份减水剂。
2.根据权利要求1所述的针对软弱破碎岩体的复合注浆材料，其特征在于：所述的普通硅酸盐水泥标号为P.O 42.5R。
3.根据权利要求1所述的针对软弱破碎岩体的复合注浆材料，其特征在于：所述的水玻璃采用模数为2.5的硅酸钠。
4.根据权利要求1所述的针对软弱破碎岩体的复合注浆材料，其特征在于：所述的金刚砂采用比重为3.22、20-50目、显微硬度为3120 kg/mm2、碳化硅含量为95%-98%的石英砂。
5.根据权利要求1所述的针对软弱破碎岩体的复合注浆材料，其特征在于：所述的减水剂为HS-HF高效减水剂，它的成分主要是聚次甲基萘磺酸钠。
6.根据权利要求1所述的针对软弱破碎岩体的复合注浆材料，其特征在于：所述复合注浆材料由以下质量份数的原料制成：420 ~ 430份普通硅酸盐水泥，75 ~ 80份粉煤灰，30份水玻璃，410 ~ 420份金刚砂，370 ~ 380份水，15份减水剂。
7.根据权利要求6所述的针对软弱破碎岩体的复合注浆材料，其特征在于：所述复合注浆材料由以下质量份数的原料制成：424份普通硅酸盐水泥，76份粉煤灰，30份水玻璃，417份金刚砂，375份水15份减水剂。
8.一种权利要求1~7任一项所述的针对软弱破碎岩体的复合注浆材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）按质量份数准备400~430份普通硅酸盐水泥，70~80份粉煤灰，25~35份水玻璃，400~420份金刚砂，360~380份水和10~20份减水剂作为原料；
（2）将上述称量好的360~380份水注入到搅拌装置中，然后加入粉煤灰搅拌均匀，得到灰浆；
（3）向灰浆中加入称量好的普通硅酸盐水泥、水玻璃、金刚砂和减水剂，搅拌10~15分钟，得到金刚砂复合注浆材料。
9.一种权利要求1~7任一项所述的针对软弱破碎岩体的复合注浆材料的应用，其特征在于包括以下内容：
根据现场巷道顶部围岩较破碎以及复合注浆材料的性能，确定注浆工程单孔注浆顺序和注浆工程整体注浆顺序：
（1）注浆工程单孔注浆顺序：标记注浆孔位置→钻机打孔→插入内径28mm的注浆钢管→注浆孔封孔→安装截止阀→布置注浆系统→制备复合注浆材料→开泵注浆→注浆至终压稳定15min→停泵，关闭截止阀→单孔注浆结束→注下一孔工序；
（2）注浆工程整体注浆顺序：工程要分为两阶段进行，第一阶段先对两帮进行注浆，保证帮部结构面充填完毕后进入第二阶段对顶板进行注浆，即遵循“先下后上”的原则；在巷道进行注浆工作过程中容易发生串孔现象，为了减少串孔现象，某一孔注浆完毕后，下一孔要在两倍间隔处进行打孔注浆，一轮完毕后再加密打孔注浆，即遵循“隔孔施工”的原则；
注浆工程要实时记录每个孔的注浆情况，大致完毕后要在注浆异常的孔附近补打孔进行再次注浆。
10.根据权利要求9所述的针对软弱破碎岩体的复合注浆材料的应用，其特征在于：注浆施工过程中，现场停泵时机：时刻观察注浆泵压力表数值，若小幅度升高又降低，说明浆液达到结构面端头且与附近最近的结构面进行沟通；则不需要停泵，若一旦数值迅速升高且超过5MPa，说明单孔已经注满，如果涉及到的结构面已经覆盖，则需要立即停泵。
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