CN112250366A - 一种煤矸石基地质聚合物注浆材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤矸石基地质聚合物注浆材料及其制备方法，属于岩体裂隙注浆工程领域。该注浆材料包括如下重量份的组分：80‑85份煤矸石粉、6‑10份矿渣粉、3‑7份粉煤灰、1‑4份碱性激发剂，0.3‑1份表面活性剂、1‑2份缓凝剂、0.8‑1.2份保水剂。本发明在满足煤矿深部高承压灰岩以及裂隙承压水的压力基础上，利用煤矸石、矿渣粉和粉煤灰三种易获取的工业固体废物原料，且原料价格低廉，在满足注浆材料技术性能要求的同时，成本较低。该注浆材料可用作煤矿生产过程中防治水治理，有效降低注浆成本，提高企业效益，减少土地污染风险。

Description

一种煤矸石基地质聚合物注浆材料及其制备方法
技术领域
本发明属于岩体裂隙注浆工程领域，尤其涉及一种煤矸石基地质聚合物注浆材料及其制备方法。
背景技术
煤矸石是夹在煤系地层中的岩石，是在煤矿生产过程中排放出来的一种固体废弃物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的含碳量较低、比煤炭硬度较大的黑色、灰黑色的岩石”。煤矸石的岩性多以泥岩、砂质泥岩、砂岩、粉砂岩、灰岩等沉积岩为主。
由于地质条件的复杂性，各类工程地质灾害频发。其中富水破碎岩体是一种极为常见的不良地质条件，富水破碎岩体具有胶结差、强度低、受力变形不协调等特点，时常诱发冒顶塌方、底板隆起、结构大变形及突涌水等灾害。
由于我国的煤矿软岩巷道较多，在矿井建设和生产开采过程中，注浆技术是治理此类地下工程水害和加固软弱地层的重要技术手段之一，因此，注浆材料在该领域的应用较多而且前景广阔。但当前大多数注浆材料存在用浆量大、成本高、对原材料消耗过度、环境污染严重等问题，无法形成材料生产与环境相协调的产业化格局。为此，国内外材料科学工作者正致力于工业废渣资源化利用研制开发注浆材料，例如粉煤灰速凝注浆材料。
煤矸石作为我国排放量最大的一种工业废渣，因其结构稳定、活性差，长期以来整体利用量不大，综合利用率不高。但事实上我国每年用于加固、防渗工程中的注浆材料量又极其巨大，仅平均每米矿井井筒水泥注入量就高达8-14t，最高可达30t。因此，如果能把煤矸石作为主要原材料研制注浆材料，无疑仅节约水泥一项就能获得巨大的经济效益，同时也能极大缓解因其长期堆存占用大量土地及其带来的严重环境污染等压力。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种煤矸石基地质聚合物注浆材料。
为达上述目的，本发明采用如下的技术方案：
本发明提供了一种煤矸石基地质聚合物注浆材料，包括如下重量份的组分：80-85份煤矸石粉、6-10份矿渣粉、3-7份粉煤灰、1-4份碱性激发剂，0.3-1份表面活性剂、1-2份缓凝剂、0.8-1.2份保水剂。
进一步的，包括如下重量份的组分：82份煤矸石粉、8份矿渣粉、5份粉煤灰、2.2份碱性激发剂，0.6份表面活性剂、1.2份缓凝剂、1份保水剂。
进一步的，所述煤矸石粉的比表面积为1200-1400m2/Kg，含碳量≤6％。
进一步的，所述矿渣粉比表面积为360-400m2/Kg。
进一步的，所述粉煤灰粉比表面积为390-420m2/Kg。
进一步的，所述碱性激发剂为NaOH、Na2CO3、六偏磷酸钠、硫酸钠中任意一种或几种。
进一步的，所述表面活性剂为十二烷基磺酸钠。
进一步的，所述缓凝剂为磷酸二氢钠或磷酸二氢钾。
进一步的，所述保水剂为羟甲基纤维素或甲基纤维素。
本发明还提供了煤矸石基地质聚合物注浆材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)煤矸石经破碎，球磨机粉磨，磨细至比表面积为1200-1400m2/Kg；
(2)按照一定的配制比例分别称取煤矸石、矿渣粉、粉煤灰、碱性激发剂、表面活性剂、缓凝剂和保水剂等材料至粉体搅拌机中，搅拌5-8min，充分混匀后包装待用。
煤矸石主要由SiO2、Al2O3、K2O、Fe2O3、MgO等化合物组成，煤矸石中SiO2的含量介于40％～70％之间，Al2O3的含量介于15％～30％之间，且Al2O3/SiO2在0.5～0.3之间。本发明主要利用地质聚合物反应机理，生成由AlO4和SiO4四面体结构单元组成三维立体网状结构的无机聚合物。
煤矸石活化主要通过对煤矸石的机械粉磨活化和加入化学激发剂的化学活化两者结合实现，在强碱性溶液中，硅酸盐单体和铝酸盐单体从颗粒表面溶解扩散到溶液中去，扩散反应降低了硅铝酸盐单体的浓度，促使溶解反应继续，溶液中的硅酸盐和铝酸盐发生重聚反应，形成不同聚合程度的铝硅酸盐凝胶，主要结构有Si-O-Si和Al-O-Si两种。该地质聚合物提高注浆材料的强度和结石率，该类注浆材料耐久性也得到了提高。另外加入表面活性、缓凝剂和保水剂，保证了注浆材料的流动性、降低析水率，提高了其工作性能，并且根据注浆工艺和部位，调整注浆材料凝结时间，保证了注浆材料的应用性能。
专利CN 10584835 A[一种煤矿奥灰高承压水底板裂隙注浆材料及其制作方法]，该注浆材料它由60份的煤矸石粉、25-30份的普通硅酸盐水泥和10-15重量份的粘土先混合后再粉磨而成，该发明使用水泥，碳排放量增加。本发明使用材料均为固体废弃物，不经过煅烧，属于绿色环保材料。
专利CN 104446213 A[一种以赤泥为原料的注浆材料]，该注浆材料包括如下重量份的组分：改性赤泥75-85份、水滑石1-2份、激发剂4-8份、活性引发剂10-15份、微硅粉1-5份、缓凝剂0.5-1份、表面活性剂0.5-1份、保水剂0.5-1份。该注浆材料使用赤泥为主要原料，本发明主要使用煤矸石。
专利CN 110423057 A[煤矸石基地质聚合物及其制备方法]，该煤矸石基地质聚合物，包括25％～50％的煤矸石粗骨料，20％～40％的煤矸石细骨料，10％～30％的煤矸石粉末，5％～15％的高炉渣，5％～10％的脱硫石膏，1％～10％的碱激发剂和水等原料组分。本发明煤矸石基地质聚合物以工业固废煤矸石为主要原料，代替常规的砂子细骨料，石子粗骨料，粉煤灰等。煤矸石一部分用作骨料，而煤矸石粉末用量为10-30％，使用率低。本发明煤矸石用量为75-85％，提高煤矸石利用率。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明在满足煤矿深部高承压灰岩以及裂隙承压水的压力基础上，利用煤矸石、矿渣粉和粉煤灰三种易获取的工业固体废物原料，且原料价格低廉，在满足注浆材料技术性能要求的同时，成本较低。该发明可用作煤矿生产过程中防治水治理，有效降低注浆成本，提高企业效益，减少土地污染风险。
本发明在于煤矸石的活化技术上，首先采用机械粉磨和活性激发剂复合活化技术，避免低温煅烧，有效降低能量消耗，不产生环境污染，应用工艺更加简便，显著降低成本。
在现有应用的实例中，煤矸石制取注浆材料时掺量一般为60％～75％，本发明在煤矸石未经低温煅烧的前提下，通过配合适当活性激发剂完成煤矸石活性激发，提高煤矸石活性，增加材料水硬性，实现注浆材料中该煤矸石组分质量比为75％及以上，实现煤矸石的高效利用。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供的煤矸石基地质聚合物注浆材料包括如下重量份的组分：82份煤矸石粉、8份矿渣粉、5份粉煤灰、2.2份碱性激发剂，0.6份表面活性剂、1.2份缓凝剂、1份保水剂。
煤矸石粉：煤矸石经过破碎和粉磨工艺，制成煤矸石粉，其比表面积为1200m2/Kg，含碳量≤6％。
矿渣粉：比表面积为380m2/Kg；
粉煤灰粉：比表面积为410m2/Kg；
碱性激发剂：NaOH；
表面活性剂：十二烷基磺酸钠；
缓凝剂：磷酸二氢钠；
保水剂：甲基纤维素。
本实施例提供的煤矸石基地质聚合物注浆材料的制备过程如下：
(1)煤矸石经破碎，球磨机粉磨，磨细至比表面积为1200-1400m2/Kg；
(2)按照一定的配制比例分别称取煤矸石粉、矿渣粉、粉煤灰、碱性激发剂、表面活性剂、缓凝剂和保水剂等材料至粉体搅拌机中，搅拌5-8min，充分混匀后包装待用。
本实施例提供的煤矸石基地质聚合物注浆材料的检测过程和数据如下：
一、试验浆液的制备
1、把500ml水和500g注浆材料加入容器中，低速搅拌120s后，停拌15s，再高速搅拌120s制成浆液。
二、注浆材料稳定性的测定(浆液析水率试验)
1、取约100ml浆液倒入量筒中，在接近100ml时改用移液管将浆液加到100ml刻度。
2、静置2h后，读取上部清水与下部浆液分界面对应的刻度读数，并记录。
3、重复以上步骤，共进行2次测定，最终计算其析水率为3.9％。
三、马氏漏斗黏度
1、仪器校正
(1)黏度计使用前应用水湿润，然后装置在仪器架上，装好筛网，并将一个1000ml敞口量杯平置于黏度计下方。
(2)用左手食指堵住仪器的出液管，向漏斗中注入清水至表示的刻度线。
(3)迅速放开食指同时启动秒表，当流入量杯中的水恰好为946ml时，停止秒表，秒表示值T即为清水黏度，应为26s±0.5s，否则应更换漏斗黏度计。
2、黏度测定
按照以上程序取水泥浆搅连续进行两次试验，以两次测定的平均值为试验结果精确至1s，该浆液流动性好，浆液黏度低，浆液黏度为24秒。
四、浆液凝结时间
浆液凝结时间试验按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性试验方法》(GB/T1346-2011)的规定进行测试。其中为维卡仪的参数为：初凝钢针有效长度为50mm±1mm、终凝钢针有效长度为30mm±1mm，直径为φ1.13mm±0.05mm；试杆有效长度为50mm±1mm，直径为φ10mm±0.05mm；滑动部分的总质量为300g±1g；试模参数为：深40mm±0.2mm、顶内径5mm±0.5mm、底内径75mm±0.5mm。测试环境参数为：试验室温度为22℃±2℃，相对湿度应不低于60％；标准养护箱的温度为20℃±1℃，相对湿度大于95％。
1.标准稠度用水量试验
本实验中以试杆沉入浆液并距底板6mm±1mm时的浆液为标准稠度浆液，其拌和水量为该外加剂添加量下浆液的标准稠度用水量。本试验的主要步骤为：
(1)将试模放在玻璃板上，并校准零点位置。
(2)按照前述制备浆液的标准步骤，制备不同外加剂含量的浆液。
(3)取适量搅拌好的浆液将其装入试模中，轻轻震动后用钢尺把浆液表面刮平，接着将其中心定在试杆下，调整试杆位置与浆液表面接触，拧紧螺丝1～2s后，突然松开，使试杆自然地沉入浆液中。等待30s后，记录读数。
(4)记录完毕后，升起试杆，并立即擦净；整个操作应连贯协调，保持在1.5min内完成。
2.凝结时间试验
按上述方法测得的标准稠度用水量制备标准稠度浆液，装模并刮平后，立即入标准养护箱中。凝结时间的起始时间为超细水泥全部加入水中的时刻。
(1)初凝时间的测定。养护30min后对浆液进行第一次测定。测定时，将试杆换成初凝钢针，调整钢针位置与浆液表面接触，拧紧螺丝1～2s后，突然松开，使钢针自然地沉入浆液中。等待30s后，记录读数。按上述方法每隔5min测定一次并记录数据。浆液达到初凝状态的判定标准为：初凝钢针沉至距底板4mm±1mm；把超细水泥全部加入水中至达到初凝状态的时间为浆液的初凝时间，用min来表示。
(2)终凝时间的测定。在完成初凝时间测定后，立即将试模连同浆体翻转并放入湿气养护箱中继续养护。换上终凝钢针，每隔15min测定一次，当终凝钢针上的环形附件开始不能在试体上留下痕迹时，即终凝钢针沉入试体0.5mm时，认为浆液达到终凝状态。由超细水泥全部加入水中至终凝状态的时间为浆液的终凝时间，用min来表示。
浆液初凝时间为75min，终凝时间为135min。
五、注浆材料强度的测定
将浆液装入40×40×160mm的试模；水平放在养护箱中养护24h后脱模。脱模后放在20℃±1℃水中养护。养护中进行各龄期强度检验：时间分别为3d±2h，28d±8h。浆液结石率高，抗压强度3d达到10.2MPa；28d达到15.5MPa。
实施例2
本实施例提供的煤矸石基地质聚合物注浆材料包括如下重量份的组分：80份煤矸石粉、10份矿渣粉、5份粉煤灰粉、2.1份碱性激发剂，0.5份表面活性剂、1.3份缓凝剂、1.1份保水剂，其中煤矸石粉的比表面积为1400m2/Kg，矿渣粉的比表面积为400m2/Kg，粉煤灰粉的比表面积为420m2/Kg，碱性激发剂为硫酸钠，表面活性剂为十二烷基磺酸钠，缓凝剂为磷酸二氢钾，保水剂为羟甲基纤维素。
本实施例制备的注浆材料的检测过程同实施例1，检测结果如下：浆液析水率为3.5％，浆液黏度为26s，浆液初凝时间72min，终凝时间：131min，浆液结石率高，抗压强度3d达到12.1MPa；28d达到17.3MPa。
实施例3
本实施例提供的煤矸石基地质聚合物注浆材料包括如下重量份的组分：85份煤矸石粉、6.5份矿渣粉、3.3份粉煤灰粉、2.1份碱性激发剂，0.5份表面活性剂、1.6份缓凝剂、1份保水剂，其中煤矸石粉的比表面积为1300m2/Kg，矿渣粉的比表面积为360m2/Kg，粉煤灰粉的比表面积为390m2/Kg，碱性激发剂为碳酸钠，表面活性剂为十二烷基磺酸钠，缓凝剂为磷酸二氢钠，保水剂为甲基纤维素。
本实施例制备的注浆材料的检测过程同实施例1，检测结果如下：浆液析水率为3.2％，浆液黏度为23s，浆液初凝时间69min，终凝时间：128min。浆液结石率高，抗压强度3d达到12.4MPa；28d达到18.9MPa。
实施例4
本实施例提供的煤矸石基地质聚合物注浆材料包括如下重量份的组分：80份煤矸石粉、10份矿渣粉、5份粉煤灰粉、2.1份碱性激发剂，0.5份表面活性剂、1.3份缓凝剂、1.1份保水剂，其中碱性激发剂为氢氧化钠，表面活性剂为十二烷基磺酸钠，缓凝剂为磷酸二氢钠，保水剂为羟甲基纤维素。
本实施例提供的煤矸石基地质聚合物注浆材料的成本如下：
煤矸石为25元/吨(只计算设备折旧费、人工费，煤矸石本身不计费)，矿粉为180元/吨，粉煤灰为200元/吨，氢氧化钠为2200元/吨，十二烷基苯磺酸钠为1500元/吨，磷酸二氢钠为2600元/吨，羟甲基纤维素为12000元/吨。
总成本如下：
25*0.8+180*0.1+200*0.05+2200*0.021+1500*0.005+2600*0.013+12000*0.011＝20+18+20+46.2+7.5+33.8+132＝277.5元/吨
本申请提供的煤矸石基地质聚合物注浆材料的成本与普通硅酸盐水泥42.5成本300元/吨相比，极大地降低了成本。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种煤矸石基地质聚合物注浆材料，其特征在于，包括如下重量份的组分：80-85份煤矸石粉、6-10份矿渣粉、3-7份粉煤灰、1-4份碱性激发剂，0.3-1份表面活性剂、1-2份缓凝剂、0.8-1.2份保水剂。
2.根据权利要求1所述的煤矸石基地质聚合物注浆材料，其特征在于，包括如下重量份的组分：82份煤矸石粉、8份矿渣粉、5份粉煤灰、2.2份碱性激发剂，0.6份表面活性剂、1.2份缓凝剂、1份保水剂。
3.根据权利要求1或2所述的煤矸石基地质聚合物注浆材料，其特征在于，所述煤矸石粉的比表面积为1200-1400m2/Kg，含碳量≤6％。
4.根据权利要求1或2所述的煤矸石基地质聚合物注浆材料，其特征在于，所述矿渣粉比表面积为360-400m2/Kg。
5.根据权利要求1或2所述的煤矸石基地质聚合物注浆材料，其特征在于，所述粉煤灰粉比表面积为390-420m2/Kg。
6.根据权利要求1或2所述的煤矸石基地质聚合物注浆材料，其特征在于，所述碱性激发剂为NaOH、Na2CO3、六偏磷酸钠、硫酸钠中任意一种或几种。
7.根据权利要求1或2所述的煤矸石基地质聚合物注浆材料，其特征在于，所述表面活性剂为十二烷基磺酸钠。
8.根据权利要求1或2所述的煤矸石基地质聚合物注浆材料，其特征在于，所述缓凝剂为磷酸二氢钠或磷酸二氢钾。
9.根据权利要求1或2所述的煤矸石基地质聚合物注浆材料，其特征在于，所述保水剂为羟甲基纤维素或甲基纤维素。
10.根据权利要求1或2所述的煤矸石基地质聚合物注浆材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)煤矸石经破碎，球磨机粉磨，磨细至比表面积为1200-1400m2/Kg；
(2)按照一定的配制比例分别称取煤矸石、矿渣粉、粉煤灰、碱性激发剂、表面活性剂、缓凝剂和保水剂至旋转型混合机中搅拌，搅拌5-8min，充分混匀后包装待用。
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