深井软岩无机有机复合注浆加固材料研发与应用.pdf
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1、深井软岩无机有机复合注浆加固材料研发与应用管学茂1,2,李雪峰1,张海波1,2,杨政鹏1,2,李海艳1,2,狄红丰1,张莉1(1.河南理工大学材料科学与工程学院,河南焦作454003;2.河南省深地材料科学与技术重点实验室,河南焦作454003)摘要:千米深井软岩大巷围岩大变形、裂隙闭合和渗透性差等问题突出,要求注浆材料可注性好、凝结速度快、早期强度高,黏结性能强。为此,设计采用“组分优化+超细化+纳米增强+有机改性”协同制备无机注浆材料新方法,研发出硫铝酸钙、石膏、石灰三元胶凝体系最佳质量比为504010 的无机注浆材料。超细化后结石体 4h 抗压强度提高 163.0%,初步实现早强快凝;开
2、发了具有纳米晶核诱导结晶和锂离子促溶协同作用的纳米锂铝类水滑石增强材料,使超细注浆材料 2h强度提高 183.7%;合成了煤岩界面具有定向耦合效应的有机调节剂,通过与浆液和煤界面的键合作用形成桥梁,显著提高了浆液结石体与煤岩界面黏结。协同制备的无机有机复合注浆加固材料粒径小(D9510m),凝结快(8min),早期强度高(2h 强度 11.5MPa),黏结性能强(砂岩黏结强度 3.12MPa)。研究开发出了具有“高早强、高可注、高黏结”性能的深井软岩无机有机复合注浆加固材料。现场应用试验采用高压注浆方式,浆液可注入煤样大裂隙和微裂隙,连通孤立裂隙实现高压劈裂,松散煤体得到压实。煤壁表面裂隙漏浆
3、和锚杆孔漏浆可以实现自封闭。微观观测表明高压注浆下浆液可以增加裂隙开度,注入更加微细的裂隙。最后,提出未来注浆材料的发展方向。关键词:千米深井;软岩大巷;组分优化;超细化;纳米增强;有机调节剂;注浆加固中图分类号:TD353文献标志码:A文章编号:02532336(2023)08000111Research and application of inorganic and organic composite grouting reinforce-ment materials in deep weak rockGUANXuemao1,2,LIXuefeng1,ZHANGHaibo1,2,YANG
4、Zhengpeng1,2,LIHaiyan1,2,DIHongfeng1,ZHANGli1(1.School of Materials Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China;2.Henan Key Laboratory ofMaterials on Deep-Earth Engineering,Jiaozuo 454003,China)Abstract:Inresponsetotheproblemsoflargedeformation,fractureclosureandpoorper
5、meabilityofthesurroundingrocksintheweakrockroadwaysofthe1000mordeepercoalmines,itisrequiredthatthegroutingmaterialhasgoodinjectability,fastsolidificationspeed,highearlystrength,andstrongbondingperformance.Anewmethodofsynergisticpreparationofinorganicgroutingmaterialswasde-signedusing“componentoptimi
6、zation+ultra-fine+nano-reinforcement+organicmodification”.Aninorganicgroutingmaterialwithanoptimumcompositionratioof504010fortheternarycementingsystemofcalciumsulphatealuminate,gypsumandlimewasde-veloped.Afterultragrinding,thecompressivestrengthoftheconcretionincreasedby163.0%within4hours,achievingi
7、nitialearlystrengthandrapidsolidification.Anano-lithium-aluminiumhydrotalcitereinforcementmaterialwithsynergisticeffectsofnano-nucleation-inducedcrystallizationandlithiumionpromotionwasdeveloped,resultingina183.7%increaseinthe2hstrengthoftheultragrindinggroutingmaterial.Theorganicmodifierwithdirecti
8、onalcouplingeffectatthecoal-rockinterfacewassynthesized,whichformedabridgethroughbondingwiththegroutandcoalinterface,significantlyimprovingthebondingbetweentheslurryconcretionandthecoalrockin-terface.Thesynergisticallyprodeucedinorganic-organiccompositegroutingreinforcementmaterialshassmallparticles
9、ize(D9510m),fastsetting(C4AFC3SC2S。为了提高硬化浆体的强度,特别是早期强度,选用硫铝酸盐水泥熟料为注浆材料的基础材料。高铝水泥虽然水化速度很快,但长期强度下降,性能不稳定。以无水硫铝酸钙()矿物为主的硫铝酸盐系列水泥具有传统硅酸盐水泥不可比拟的优良特性。硫铝酸盐水泥基注浆材料拥有早强、高强、凝结时间可调、微膨胀、抗渗性好、不燃等优点已被到广泛应用到煤矿工程中23-24。材料组成设计超细化加工纳米材料增强高早强增强界面结合高粘结高可注减小粒径提高分散改善浸润性高压劈裂提高界面浸润无机改性材料图1注浆材料研发设计Fig.1Designanddevelopmento
10、fgroutingmaterials表 1 不同水灰比复合注浆材料性能Table 1 Performance of composite grouting materials withdifferent water-cement ratios水泥普通硅酸盐水泥 高铝水泥 铁铝酸盐水泥 硫铝酸盐水泥代表矿物C3S、C2SCA、C12A7C4AFC4A3S水化速率较快、慢很快快很快石膏在硫铝酸盐水泥的水化过程中起着重要作用,石膏种类及含量影响硫铝酸盐水泥基注浆材料性能25。同时,石灰的加入可提高水泥液相碱度,增加钙矾石的生成量(式(1),结石体的早期强度显著提高26-27。图 2 表明硬石膏更适用于
11、硫铝酸盐水泥体系,注浆材料表现出更强的力学性能。因此,无机注浆材料将以硫铝酸盐水泥熟料、硬石膏和石灰为组成,进行组分优化。CaO3Al2O3CaSO4+8(CaSO42H2O)+6Ca(OH)2+74H2O 3(3CaOAl2O33CaSO432H2O)(1)2.2材料组分优化C4A3S采用单纯形格子点设计方法优化硫铝酸钙、石膏、石灰三元胶凝体系中、CaSO4和 CaO 配比w(C4A3S)C4A3SC4A3SC4A3S组成,以强度表征体系优化效果(图 3a)。当体系中w(CaSO4)大于 7030 时(图 3a 中黑色区域),结石体硬化强度低;当 w()w(CaSO4)比例为 5050 时,
12、强度为 2.4MPa,说明仅由硫铝酸钙和石膏组成体系并不具备早强的基本性能;当w()w(CaSO4)w(CaO)为 504010 时结石体具有最高抗压强度。当 w()w(CaSO4)w(CaO)为 504010 时胶凝体系中反应产物钙矾石含量最高(图 3b),表明钙矾石晶体含量是影响结石体强度的主要因素。通过材料矿物组成设计,得到硫铝酸钙、硫酸钙、氧化钙矿物的最佳设计质量比为 504010。13728抗压强度/MPa302520151050龄期/d二水石膏硬石膏图2掺不同石膏种类的结石体抗压强度Fig.2Compressivestrengthofstonebodiesmixedwithdiff
13、erenttypesofgypsum2.3无机注浆材料超细化超细水泥的诸多优点再结合硫铝酸盐水泥的特点,超细类硫铝酸盐水泥基注浆材料得到了广泛应用。现将硫铝酸盐水泥熟料作为一种组分(黄料),石膏、石灰按比例混合作为另一种组分(白料)。采用气流磨(图 4)分别对黄料、白料进行超细粉磨。将干燥后的压缩空气或过热蒸汽通过喷嘴高速喷出,高速射流带动物料作高速运动。物料撞击、摩擦、粉碎后随气流到达分级区,对达到细度要求的物料进行收集。粉磨前后黄料激光粒度分布曲线如图 5 所示。超细加工前颗粒粒径 D95=49.3m;超细化后颗粒粒径 D95=9.7m,粒径显著减小,比表面积增加,可以增加水化反应面积。同
14、时颗粒圆度增加,颗粒均匀且形状规整,浆液流动性改善,有利于避免注浆过程中在裂隙端口“架桥拥堵”。超细加工过程中的机械力化学作用可使材料化学组成和结构发生变化,如产生晶格畸变、结晶程度降低和反应体系活化能降低等28。采用 XRD管学茂等:深井软岩无机有机复合注浆加固材料研发与应用2023年第8期3分析超细前后黄料颗粒晶体结构如图 6 所示,可以看出,前后矿物(422)晶面衍射角减小,晶面间距增大,半高宽增大 0.37,说明晶体能态升高,稳定性降低,活性增加。从矿物晶态能角度分析超细加工有助于加快注浆材料早期水化速率,进而提升早期强度。图 7 为超细加工前后水灰比 1.0 的注浆材料抗压强度。超细
15、加工后试样 4h 抗压强度由 4.6MPa增加到 12.1MPa,28d 抗压强度由 13.5MPa 增加到22.3MPa,超细加工后试样 4h、1d、3d 和 28d 抗压强度分别提高 163.0%、93.9%、102.6%和 62.3%。超细加工后注浆材料抗压强度升高,尤其是试样 4h的早期抗压强度提升尤为明显。超细化后注浆材料的早期力学性能显著提升,注浆材料的渗透性和注浆效果得以明显增强。以上针对无机注浆材料开展了组成设计优化和超细加工研究工作。通过设计在硫铝酸钙、石膏、石灰三元胶凝体系基础上,优化出了最佳组成范围。超细加工无机注浆材料粒径达到 D95600无强度601.51.0较高无机
16、矿物不燃岩巷壁后或大裂隙注浆水泥水玻璃注浆材料1402302.0103.0很高石油产品易燃岩巷、煤巷、工作面无机有机复合注浆材料10230103.0较高无机矿物不燃岩巷、煤巷、工作面2 0002 0005 0005 000200 0005 0005 0003 00012344041紧跟掘进工作面超前注浆孔距掘进工作面 50 m 外 4 m 浅孔距掘进工作面 56 m 注浆孔距掘进工作面 50 m 外 6 m 深孔3 8002 3001 5001 5001 600图14121302 运输巷注浆孔布置Fig.14121302groutingholelayoutforheadentry6.2高压注浆
17、工艺在现场注浆过程中,黄料和白料分别加入高速搅拌机制浆,水灰比控制在 1.0 左右,通过高压注浆泵将制好的浆液双液输送,在孔口处通过混合机混合后注入煤体。注浆压力监测曲线如图 15 所示。注浆过程初始一段时间内注浆压力保持在 10MPa下,此阶段为低压浆液注入大裂隙。随后压力升高很快,长时间在 1520MPa,实现微裂隙充填。最后升到注浆终压,孤立裂隙打通,实现高压劈裂注浆。千米深井巷道围岩注浆工艺如图 16 所示,单孔注浆实现“低压高压劈裂”注浆全过程,浆液“大裂隙、微裂隙、闭合裂隙、孤立裂隙”全充填。6.3浆液扩散观测现场取注浆后煤样,如图 17a 所示,观察浆液扩散情况,浆液可注入煤样大
18、裂隙和微裂隙,高压注浆后浆液通过并充满微裂隙,松散煤体压实,现场高压注浆浆液结石体与裂隙表面结合紧密。注浆试验中浆液可以良好分散,稳定性良好,煤壁表面裂隙漏浆和锚杆孔漏浆可以实现自行封闭,如图 17b 所示。取样在扫描电镜下进行微观观测,如图 18 所示,在高压注浆下浆液在裂隙中流动,不断产生分叉,在裂隙尖端出现了劈裂分叉情况,浆液充填 5m 的裂隙,说明高压下浆液可以增加裂隙开度,甚至劈裂围岩,注入更加微细的裂隙。302010010:24:3010:25:3010:26:3010:27:30高压劈裂封孔器开启低压注浆注浆压力/MPa注浆时刻图15注浆压力监测曲线Fig.15Groutingp
19、ressuremonitoringcurve低注浆压力浆液充填大裂隙浆液充填微裂隙漏浆自封闭漏浆自封闭漏浆自封闭浆液充填新裂隙、孤立裂隙注浆压力升高高压劈裂低压大裂隙充填压力升高,微裂隙充填高压劈裂孤立裂隙充填图16巷道围岩注浆工艺Fig.16Groutingprocessforroadwaysurrounds2023年第8期煤炭科学技术第51卷87结论与展望1)开发了超细无机注浆材料,通过硫铝酸钙、石膏、石灰三元胶凝体系组成设计优化,得到硫铝酸钙、硫酸钙、氧化钙矿物的最佳组成比例为 504010。超细加工后材料试样 4h 抗压强度提高了 163.0%。2)开发了具有纳米晶核诱导结晶和锂离子促
20、溶协同作用的纳米锂铝类水滑石增强材料。纳米材料增强后注浆材料 2h 强度提高 183.7%,注浆材料 90d龄期内力学性能优化显著。3)开发出与煤岩界面具有定向耦合效应的有机调节剂,有机调节剂分子链中疏水端的苯环与煤的苯环/芳香烃基团-相互作用,亲水端与浆液结石体形成了大量的氢键结合,起到桥梁作用,显著提高了浆液结石体与煤岩界面黏结。4)开发了具有“高早强、高可注、高黏结”性能的深井软岩无机有机复合注浆加固材料。注浆材料粒径小(D9510m),水灰比 1.0 时凝结快(8min),早期强度高(2h 强度 11.5MPa),黏结性能强(砂岩黏结强度 3.12MPa)。5)现场应用试验,高压注浆下
21、浆液可注入煤样微裂隙,煤壁表面裂隙漏浆和锚杆孔漏浆可以实现自封闭。未来,需要从注浆材料原材料组成调控和加工工艺,适配外加剂的开发与使用,注浆材料低成本、低功耗的制备等方面着手重点突破,开发出更适合煤矿巷道围岩注浆加固的低成本、低碳型复合注浆材料。参考文献(References):谢和平,高峰,鞠杨,等.深部开采的定量界定与分析J.煤炭学报,2015,40(1):110.XIEHeping,GAOFeng,JUYang,et al.QuantitativedefinitionandinvestigationofdeepminingJ.JournalofChinaCoalSoci-ety,2015
22、,40(1):110.1谢和平,高峰,鞠杨.深部岩体力学研究与探索J.岩石力学与工程学报,2015,34(11):21617218.XIEHeping,GAOFeng,JUYang.ResearchanddevelopmentofrockmechanicsindeepgroundengineeringJ.ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2015,34(11):21617218.2康红普,王国法,姜鹏飞,等.煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术构想J.煤炭学报,2018,43(7):17891800.KANGHongpu,WANGGuofa,
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