CN115432980A - 一种煤矿井下复杂地层注浆用高强度速凝材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤矿井下复杂地层注浆用高强度速凝材料及其制备方法和应用，属于煤矿钻探技术领域。该材料按重量份计，包括如下组分：30‑150份铝酸盐水泥、50‑100份高炉矿渣、0.1‑1份分散剂、1‑30份减轻剂、1‑10份激活剂、0.1‑0.5份悬浮稳定剂、1‑3份缓凝剂、60‑120份水。材料保留了铝酸盐水泥的部分特性，可以形成具有强度的固化体，早期强度有稳定的保证；高炉矿渣的引入显著降低了铝酸盐水泥体系的水化放热量，保证了形成固化体的材料后期强度不会衰退，能够使材料在25‑80℃的温度范围内进行使用。该材料具有硬化速度快，流动度好，粘度适中，稠化时间短等优点，一天的固化体强度大于5.5MPa，满足了煤矿井下复杂地层钻孔作业中封固要求，适用于不同地层环境下的钻孔封固。
Description
技术领域
本发明属于煤矿钻探技术领域，涉及一种煤矿井下复杂地层注浆用高强度速凝材料及其制备方法和应用。
背景技术
对煤矿井下复杂地层钻探作业时经常会遇到由地质原因导致的钻进、卡钻和返渣困难等问题，需要对地层进行注浆封固处理。传统的封固材料为聚氨酯类和水泥类的材料。其中聚氨酯类的材料存在价格高昂、密度高、渗透率差、放热大易使材料变形等缺点。虽然水泥类材料具有很多突出的性能，如早期强度高、化学惰性高、耐磨性强，但是其仍存在触变性差，性能不稳定、凝固时间长，渗透性差、凝结时间不可调、水化放热大等缺点。通过对不同矿区进行实地考察以及相关的技术分析发现在对煤矿井下复杂地层进行钻孔作业，注浆封固时，首先封固材料的凝结时间应尽可能的短，从而节约施工时间；其次封固材料早期和后期的强度均应具有一定的保证，从而可以重复钻进目标层；再者封固材料的水化放热量要低，从而保证封固材料强度的长期稳定性，提高井下作业的安全性。基于理论分析和实地考察，传统的聚氨酯类和水泥类的封固材料由于存在相应的缺点，根本无法满足实际作业需求。因此，研发一种价格低廉且性能优异的新型封固材料显得尤为重要。
钢铁工业是典型的能源和资源密集型工业，在炼铁的同时会产生固体废物、液体废物和气体废物。其中的固体废物以高炉矿渣为主要组分，高炉矿渣中又包含CaO、SiO2、Al2O3、MgO，其总量一般在90％以上，此外还有少量的金属硫化物，如硫酸钙、硫酸亚铁，硫酸亚锰等。高炉矿渣包含的金属氧化物和硫化物使其具有良好的水化特性。而在众多水泥材料中，铝酸盐水泥所包含的化学成分和高炉矿渣相似，因此高炉矿渣可以作为一种铝酸盐水泥的改性材料，改善铝酸盐水泥材料水化放热大的缺点，保证材料后期强度不会衰退，同时结合水泥类材料自身的优点，提高封固材料早期强度的稳定性。将高炉材料和铝酸盐水泥结合起来制备出一种新型复杂地层的封固材料有望代替传统的封固材料，从而满足实际钻孔封固作业的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种煤矿井下复杂地层注浆用高强度速凝材料；本发明的目的之二在于提供一种煤矿井下复杂地层注浆用高强度速凝材料的制备方法；本发明的目的之三在于提供一种煤矿井下复杂地层注浆用高强度速凝材料在煤矿钻探方面的应用。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1、一种煤矿井下复杂地层注浆用高强度速凝材料，按重量份计，所述高强度速凝材料包含如下组分：30-150份铝酸盐水泥、50-100份高炉矿渣、0.1-1份分散剂、1-30份减轻剂、1-10份激活剂、0.1-0.5份悬浮稳定剂、1-3份缓凝剂、60-120份水。
优选的，所述所述铝酸盐水泥中Al2O3的质量百分数为50％。
优选的，按质量百分含量计，所述高炉矿渣中CaO的含量不低于30％，SiO2的含量不低于25％，,Al2O3的含量不低于15％，氯离子的含量不高于0.05％。
优选的，所述分散剂为SXY-2；所述减轻剂为玻璃微珠；所述激活剂为碱金属氢氧化物、碱金属碳酸盐、碱金属硅酸盐中的任意的一种或几种；所述悬浮稳定剂为羧甲基纤维素钠；所述缓凝剂为四硼酸钠。
进一步优选的，所述激活剂为NaOH。
2、所述一种煤矿井下复杂地层注浆用高强度速凝材料的制备方法，所述方法如下：将铝酸盐水泥、高炉矿渣、分散剂、减轻剂、激活剂、悬浮稳定剂、缓凝剂混合均匀形成混合物，将混合物置于含水的容器中，然后先以6000-11000r/min的速度搅拌2min再以3000r/min的速度搅拌1min。
优选的，所述水与混合物的质量比为0.7:1-1.1:1。
3、所述的煤矿井下复杂地层注浆用高强度速凝材料在煤矿钻探领域中的应用。
本发明的有益效果在于：本发明的目的之一是提供一种煤矿井下复杂地层注浆用高强度速凝材料，该材料以铝酸盐水泥和高炉矿渣为主要组分，材料保留了铝酸盐水泥的部分特性，可以形成具有强度的固化体，早期强度有稳定的保证，使之能够在施工中快速处理不能钻进的孔洞，为下一次钻进节约了时间；高炉矿渣的引入显著降低了铝酸盐水泥体系的水化放热量，保证了形成固化体的材料后期强度不会衰退，能够使材料在25-80℃的温度范围内进行使用且井下作业安全性高；通过调节材料中的铝酸盐水泥和减轻剂的用量来控制材料的密度，使其密度范围在1.20-1.70g/cm3内可调，从而适用于不同地层的渗透。各组分相辅相成使得最终制备的材料具有硬化速度快，流动度好，粘度适中，稠化时间短等优点，一天的固化体强度大于5.5MPa，满足了复杂地层钻孔作业中封固的要求，适用于不同地层环境下的钻孔封固。此外，高炉矿渣在封固地层这一问题中的资源化利用，为工业废渣的无害化综合性利用提供了新的思路。本发明的目的之二是提供一种煤矿井下复杂地层注浆用高强度速凝材料的制备方法，该材料制备方法简单，易操作，对设备要求不高，适合扩大化生产。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为40℃非绝热条件下实施例1中材料的水化放热曲线；
图2为40℃绝热条件下对比例1中材料的水化放热曲线；
图3为40℃非绝热条件下对比例1中材料的水化放热曲线。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
一种煤矿井下复杂地层注浆用高强度速凝材料，按如下方法制备：按重量份计，在100份的铝酸盐水泥和50份高炉矿渣中加入0.2份的SXY-2，7.7份玻璃微珠，0.5份的NaOH，0.5份的羧甲基纤维素钠，1.2份的四硼酸钠混合均匀形成混合物，将混合物置于含105份水的容器中，然后先以6000-11000r/min的速度搅拌2min，再以3000r/min的速度搅拌1min。
实施例2
一种煤矿井下复杂地层注浆用高强度速凝材料，按如下方法制备：按重量份计，在125份的铝酸盐水泥和50份高炉矿渣中加入0.2份的SXY-2，7.7份玻璃微珠，0.5份的NaOH，0.5份的羧甲基纤维素钠，1.2份的四硼酸钠混合均匀形成混合物，将混合物置于含有105份水的容器中，然后先以11000r/min的速度搅拌2min，再以3000r/min的速度搅拌1min。
实施例3
一种煤矿井下复杂地层注浆用高强度速凝材料，按如下方法制备：按重量份计，在100份的铝酸盐水泥和50份高炉矿渣中加入0.2份的SXY-2，30份玻璃微珠，0.5份的Na2SiO3，0.5份的羧甲基纤维素钠，1.2份的四硼酸钠混合均匀形成混合物，将混合物置于含有105份水的容器中，然后先以11000r/min的速度搅拌2min，再以3000r/min的速度搅拌1min。
对比例1
在100份的铝酸盐水泥和50份高炉矿渣中仅添加0.2份SXY-2混合均匀形成混合物，将混合物置于含有90份水的容器中，然后先以9000r/min的速度搅拌2min，再以3000r/min的速度搅拌1min。
对比例2
在100份的高炉矿渣中，加入33.3份的玻璃微珠，3份的NaOH，0.5份的羧甲基纤维素钠，7份的无水氯化钙和铝酸钠的复配物(其中无水氯化钙和铝酸钠的质量比为3:2)混合均匀形成混合物，将混合物置于含有80份水的容器中，然后先以9000r/min的速度搅拌2min，再以3000r/min的速度搅拌1min。搅拌完毕后加入0.1份的XP-1L直至浆料再次均匀。
对比例3
在100份的高炉矿渣中，加入0.5份的羧甲基纤维素钠，10份的NaOH，5份的无水氯化钙和铝酸钠的复配物(其中无水氯化钙和铝酸钠的质量比为3:2)混合均匀形成混合物，将混合物置于含有90份水的容器中，然后先以6000r/min的速度搅拌2min，再以3000r/min的速度搅拌1min。搅拌完毕后加入0.1份的XP-1L直至浆料再次均匀。
对比例4
在100份的高炉矿渣中加入0.2份SXY-2和0.5份G33S混合均匀形成混合物，将混合物置于含有75份水的容器中，然后先以8000r/min的速度搅拌1min，再以3000r/min的速度搅拌1min。
对比例5
在100份的铝酸盐水泥中加入0.5份SXY-2混合均匀形成混合物，将混合物置于含有60份水的容器中，然后先以9000r/min的速度搅拌1min，再以3000r/min的速度搅拌1min。
测试实施例1-3和对比例1-5中制备的速凝材料的密度、流动度、稠度系数、40℃条件下的常压稠化时间及一天的抗压强度，测试结果见表1。
表1 不同组分下材料各方面的性能测试
由表1可知，和实施例1相比，实施例2在高炉矿渣、分散剂，减轻剂、激活剂、悬浮稳定剂、缓凝剂以及水的含量均相同的条件下，仅改变铝酸盐水泥的含量，材料的密度由1.5g/cm3变为1.7g/cm3，即随着铝盐水泥含量的增加，材料的密度相应增大；和实施例1相比，实施例3在铝酸盐水泥、高炉矿渣、分散剂、激活剂、悬浮稳定剂、缓凝剂和水的含量均相同的条件下，仅改变减轻剂的含量，材料的密度由1.5g/cm3变为1.2g/cm3，即随着减轻剂含量的增加，材料的密度相应增小。由此可以说明通过调节材料中的水泥、减轻剂的用量可以控制材料的密度，从而使高强度速凝材料的密度在1.20-1.70g/cm3范围内可调，可适用于不同地层的渗透。实施例1-3中高强度速凝材料具有快速硬化，流动度好，粘度适中，稠化时间短等优点，材料一天的固化体强度大于5.5MPa，满足复杂地层钻孔过程中封固的要求。和实施例1、实施例3进行对比，对比例1在铝酸盐水泥和高炉矿渣中仅添加了分散剂和水，其对应材料的流动度降低，稠度系数增加、稠化时间明显增长且材料一天的固化体强度明显减弱，由此可以说明在铝酸盐水泥和高炉矿渣为主体材料的基础上，减轻剂、激活剂、悬浮稳定剂、缓凝剂的添加对材料性能的发挥有至关重要的作用。对比例2～对比例4为在高炉矿渣为主体材料的基础上添加分散剂，减轻剂、激活剂、悬浮稳定剂、降失水剂、促凝剂等成分，与以铝酸盐水泥和高炉矿渣为主体材料的实施例1～实施例3相比可以看出，对比例2～对比例4对应材料的流动性、稠度、抗压强度均较差。因此当材料主体成分不包含铝酸盐水泥时，分散剂，减轻剂、激活剂、悬浮稳定剂、降失水剂、促凝剂等辅助成分的添加不能使最终制备的材料在各方面的性能有较大改善。和实施例1、实施例3进行对比，对比例5在铝酸盐水泥为主体材料的基础上添加分散剂和水，其对应材料的稠化系数增大和稠化时间增长，这将不利于后期的施工作业。
图1为实施例1中高强度速凝材料在40℃非绝热条件下的水化放热曲线，从图1中可以看出该材料的水化放热温度为37.296℃；图2为对比例1中高强度速凝材料在40℃绝热条件下的水化放热曲线，从图2中可以看出该材料的水化放热温度为50.2℃或56.9℃；图3为对比例1中高强度速凝材料在40℃非绝热条件下的水化放热曲线，从图3中可以看出该材料的水化放热温度为63.388℃。通过对比，可以发现实施例1中高强度速凝材料的水化放热温度明显偏低。速凝材料的水化放热温度低有利于保护煤层结构，因此不会给现场作业带来安全隐患，同时对地层的施工压力较小，满足使用条件。
同样的，将实施例2-3和对比例2-5进行如上述实施例1和对比例1中的水化放热测试，得到相似的结果，说明实施例2-3中的高效速凝材料同样具有水化放热温度低的特点，排除了现场作业存在的安全隐患，满足了复杂地层钻孔作业中封固的要求，可以适用于不同地层环境下的钻孔封固。
综上所述，本发明提供了一种煤矿井下复杂地层注浆用高强度速凝材料及其制备方法和应用。该材料包括如下成分：铝酸盐水泥、高炉矿渣、分散剂、减轻剂、激活剂、悬浮稳定剂、缓凝剂和水。通过调节材料中的铝酸盐水泥和减轻剂的用量可以控制材料的密度，从而使高强度速凝材料的密度在1.20-1.70g/cm3范围内可调，可适用于不同地层的渗透。此外，该材料的水化放热温度较低，可以在25-80℃的温度范围内进行使用且井下作业安全性高。材料中的各组分相辅相成使得最终制备的材料具有硬化速度快，流动度好，粘度适中，稠化时间短等优点，一天的固化体强度大于5.5MPa，满足了复杂地层钻孔作业中封固的要求，适用于不同地层环境下的钻孔封固。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种煤矿井下复杂地层注浆用高强度速凝材料，其特征在于：按重量份计，所述高强度速凝材料包含如下组分：30-150份铝酸盐水泥、50-100份高炉矿渣、0.1-1份分散剂、1-30份减轻剂、1-10份激活剂、0.1-0.5份悬浮稳定剂、1-3份缓凝剂、60-120份水。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下复杂地层注浆用高强度速凝材料，其特征在于：所述铝酸盐水泥中Al2O3的质量百分数为50％。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下复杂地层注浆用高强度速凝材料，其特征在于：按质量百分含量计，所述高炉矿渣中CaO的含量不低于30％，SiO2的含量不低于25％，Al2O3的含量不低于15％，氯离子的含量不高于0.05％。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿井下复杂地层注浆用高强度速凝材料，其特征在于：所述分散剂为SXY-2；所述减轻剂为玻璃微珠；所述激活剂为碱金属氢氧化物、碱金属碳酸盐、碱金属硅酸盐中的任意一种或几种；所述悬浮稳定剂为羧甲基纤维素钠；所述缓凝剂为四硼酸钠。
5.权利要求1-4任一项所述一种煤矿井下复杂地层注浆用高强度速凝材料的制备方法，其特征在于：所述方法如下：将铝酸盐水泥、高炉矿渣、分散剂、减轻剂、激活剂、悬浮稳定剂、缓凝剂混合均匀形成混合物，将混合物置于含水的容器中，然后先以6000-11000r/min的速度搅拌2min再以3000r/min的速度搅拌1min。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述水与混合物的质量比为0.7:1-1.1:1。
7.权利要求1-4任一项所述的煤矿井下复杂地层注浆用高强度速凝材料在煤矿钻探领域中的应用。
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