高性能无机-有机复合注浆材料研究

针对千米深井巷道围岩大变形控制难题,提出了支护-改性-卸压"三位一体"协同控制技术,其中要求注浆改性材料具有"高渗透、高强度、高黏结"性能。"高渗透"可以通过减小粒度、增加界面润湿性来实现;"高强度"可以通过优选快速水化矿物,添加纳米增强材料来实现;"高黏结"可以通过添加有机调节剂,增加界面润湿并形成强化学键来实现。本文以超细化的硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰为主要原料,通过优化配比研发了无机注浆材料,材料粒径D957. 0μm,最佳配比为硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰质量比5∶4∶1;合成了纳米锂铝类水滑石增强材料,具有锂离子增强和纳米晶核诱导结晶双重协同增强作用,当掺量为无机注浆材料质量的2%时,抗压强度提高145%,达到12. 3 MPa;采用"一锅法"合成了两亲性有机调节剂,掺量为无机注浆材料质量的3%时,可以将水与煤表面接触角从72. 80°减小到19. 23°,并在注浆材料与裂隙表面间形成氢键作用,显著改善界面润湿性,增加界面黏接强度。以无机注浆材料、纳米锂铝类水滑石、有机调节剂按95%,2%,3%的质量百分比混合制备了微纳米注浆材料,材料初、终凝时间分别为8. 0,13. 0 min,2 h抗压强度为10. 2 MPa,煤的黏结强度大于煤自身拉伸断裂强度。微纳米注浆材料在口孜东矿进行了超前注浆应用,可以良好注入10μm开度的裂隙,与裂隙表面结合紧密,锚杆拉拔力由注浆加固前的37 kN提高到注浆后的145 kN。     

千米深井巷道高压劈裂注浆改性技术研发与实践

高压劈裂注浆改性技术通过注浆改性方法可提高围岩自承能力,是巷道围岩"支护-改性-卸压"协同控制技术的重要一环。针对口孜东矿121302运输巷锚杆支护效果差,常规注浆方法无法注入巷道围岩等难题,开展了千米深井巷道高压劈裂注浆改性技术研究与实践。开发高压劈裂注浆工艺,研制高压劈裂注浆装备,试制的矿用气动注浆泵最大工作压力超过30 MPa,采用微纳米无机有机复合改性材料,经过超细加工,95%的粒径≤9μm,在121302运输巷掘进工作面进行高压注浆改性试验,对注浆压力-流量变化规律、注浆量、浆液扩散半径等参数统计分析,对注浆改性后的效果进行了测试评价。试验结果表明:注浆压力与注浆流量是劈裂注浆的主控因素;掘进工作面超前注浆平均启劈压力在22 MPa左右;滞后掘进工作面6～8 m注浆,适当降低排量,注浆过程进入高压微劈裂-渗透注浆阶段,增强注浆效果。高压劈裂注浆改性工艺解决了高应力低渗透软岩"注不进"的难题,保证锚杆索锚固质量,改善新掘巷道成型。巷道围岩改性效果理想:现场取样SEM扫描电镜细观形貌分析可发现,高压劈裂注浆工艺下,新型微纳米有机无机复合改性材料可注入最小约2μm宽度的裂隙;浆液水化固结体密实并与煤界面结合致密;纳米压痕试验证明煤浆界面区弹性模量高于煤,致裂重新黏合后的煤体力学性能强于之前。     

新型无机瓦斯抽采钻孔封孔材料及应用研究

针对目前瓦斯抽采钻孔封孔材料封孔质量差、抽采浓度低、材料强度低、固结时间长等缺点,以硫铝酸盐水泥熟料、石灰和石膏为主料,并辅以改性材料,研发了一种新型无机双液瓦斯抽采钻孔封孔材料。该材料固化速度快、强度高、渗透性强,具有微膨胀性能,能够有效将孔内封实,消除孔内漏气通道。该新型材料在抽采钻孔封孔领域具有良好的应用前景。     

聚合物水泥浆液-煤体界面过渡区力学性能研究

提出了超前深孔注浆加固技术;利用VAE乳液对水泥基材料进行改性,通过轴拉试验及立方体抗压试验,研究了不同掺量VAE乳液对水泥基材料与煤体界面黏结强度及水泥基材料固结煤体的抗压强度的影响;结合微观电镜扫描,分析了VAE改性水泥基材料结石体与煤体界面过渡区的微观结构特征。研究结果表明:复合浆液水灰比随聚灰比的增大呈现出先降低后增长的趋势,VAE乳液提高了浆液与煤体界面黏结强度及浆液固结煤体试块的抗压强度;掺入VAE乳液,使水泥浆液的孔隙率降低,提高了强效应层结构的密实性;VAE乳液会扩散至普通水泥浆内部形成聚合物薄膜"纽带"结构,改善水泥基材料与煤体界面的组成结构,从而提高了水泥基材料与煤体黏结强度。     

基于颗粒流方法的煤层注浆细观力学特性模拟研究北大核心

注浆法是松软煤巷加固的常用方法之一,通过颗粒流模拟方法,对煤层的注浆过程进行了细观模拟研究,探究了不同煤体强度及注浆压力下的注浆效果,获取了浆液在煤层中的扩散形态。结果表明:煤层注浆经历“渗透-快速劈裂-缓慢劈裂-稳定”阶段,注浆过程中裂隙的扩展主要由裂隙尖端拉应力引起,在浆液压力作用下,裂隙尖端形成拉应力集中,达到启劈压力时浆液劈裂煤层;注浆压力及煤体强度对注浆效果均具有较大影响,注浆压力的增长对浆液扩散半径影响程度逐渐减小;煤体抗压强度越小,注浆扩散半径越大,裂隙发育越充分。     

煤体注浆材料优选及加固煤体单轴压缩试验

为了在瓦斯抽采钻孔施工过程中对帷幕注浆加固材料进行优选,通过黏度和抗压强度,确定高延性水泥基复合材料的基本水灰比。采用粉煤灰、微硅粉以及聚乙烯醇作为掺合剂,研究了不同掺合剂配比对注浆加固材料性能的影响,包括浆液黏度、凝结时间及固结煤体渗透率和抗压强度。试验结果表明:高延性水泥基复合材料的基本水灰比为0.75∶1;水灰比对注浆材料的黏度和抗压强度影响显著,注浆材料黏度与固结煤体渗透率、抗压强度、弹性模量受掺合剂配比影响明显;与其它体系相比,体系1(粉煤灰、微硅粉以及聚乙烯配比分别为(5%、15%、3%)注浆材料黏度适中,固结煤体渗透率较低,抗压强度最高,其注浆效果最优。     

新型双阶段膨胀封孔注浆材料研究

针对目前封孔注浆材料存在析水、注浆后泄漏、凝固速度慢、凝固后收缩等缺点,借鉴高水材料和加气混凝土研究成果,以硫铝水泥熟料、石膏及生石灰为主料,柠檬酸、膨润土、铝粉及多种添加剂为辅料,通过三角坐标图、正交设计等实验方法,研发出一种新型双阶段膨胀封孔注浆材料。该材料与水混合后,在初凝点和终凝点之间通过有效加气反应促使料浆体积膨胀,实现对封孔注浆段浆液漏失的补偿及对钻孔周围裂隙的封堵;并可在凝固硬化阶段再次通过钙矾石结晶微膨胀实现对微细裂隙的进一步密封压实。性能测试表明,该材料具有高水灰比（1.2∶1）、速凝、早强、膨胀性好（可达15%）、强度适中、抗渗透性好等优点,且其凝结速度能够与施工进度良好吻合,在封孔注浆领域具有较好的应用前景。     

平沟煤矿超前顶板注浆技术

为了有效控制巷道掘进过程中顶板冒落,淋水量大等问题,平沟煤矿把超细硫铝酸盐水泥作为注浆材料,在顶板松散与淋水量大区域,进行注浆加固与堵截。实践表明,超前顶板注浆技术的应用能使松散区域的矸石和煤体能够较好地与注浆材料胶结成一体,减少了顶板冒落和顶板集中淋水的状况。     

破碎煤体的无机化学材料FSS注浆加固方法

为解决巷道煤体破碎造成的工作面失稳问题，采用无机化学材料FSS对煤体进行注浆加固试验。结果表明，FSS与煤岩体粘合后抗压抗剪强度较高、浆液渗透性好，能很好地渗入煤岩层的裂隙中，注浆钻孔间距为1.5 m时，能够达到良好的充填加固效果。1501工作面破碎煤体通过FSS加固，大幅提高煤体整体性与稳定性，降低了工作面发生冒顶事故的可能性，保证了现场工作人员的生命安全。     

破碎煤岩化学注浆加固工程地质模型试验研究

利用现场工程地质条件和注浆数据,建立了室内裂隙网络注浆模型,采用改性脲醛树脂等注浆材料,进行了注浆模拟试验研究,研究了化学浆液在裂隙网络中的扩散范围和扩散路径,得出了静压注浆工程中浆液与岩体主要耦合作用为充填粘结作用和渗透作用.利用试验结论对已有注浆量的估算公式进行了修正,得出了针对破碎煤岩体的注浆量估算公式.研究结果对采用化学注浆方法加固综放工作面及破碎煤体、防治冒顶事故的发生提供了科学依据.     

在建矿井井壁渗漏水的地质成因分析与化学注浆治理

结合工程实际,对在建石厂井井壁渗漏水的地质成因进行了分析。提出了在含水层段,以深孔注浆堵水为主,在隔水层段,以浅孔注浆隔断壁后串通裂隙为主的注浆堵水方法。指出了对于大裂隙比较发育的含水层,应先注水泥浆液进行充填,后注可灌性较好的化学浆液封堵微裂隙;对于微裂隙比较发育的含水层或孔隙贯通性较差的含水层、低渗透性含水砂土层,应直接选用可灌性较好的化学浆液进行注浆堵水。     

ACZ-1改性注浆材料加固深部软煤巷道试验研究

首先通过实验室试验方法研究了不同水灰比的ACZ-1改性水泥浆液的黏度、凝结时间、膨胀率和不同龄期结石体的抗压强度;其次,利用专门研制的模拟破碎煤体注浆试验模具,对注浆胶结破碎煤体的抗压强度和注浆胶结体黏结钢绞线的抗剪强度进行了一系列的模拟验证,研制出了1种即具有流动性好、微膨胀、早强、高强特性,又具有凝结时间可调的ACZ-1改性水泥注浆材料。最后,将试验结果应用到平顶山天安煤业公司六矿深部软煤层回采巷道进行了工程试验,有效地控制了巷道变形,提高了煤巷支护的稳定性,大幅度减少巷道返修率,技术经济效益显著。     

高矿化度矿井水磁化配浆及在巷道过断层中的应用

为保障构造复杂区大巷安全快速掘进,超前对断层及其破碎带进行注浆加固。通过室内实验研究了高能磁和高矿化度矿井水对黏土、水泥浆液性能的影响。依据钻孔探测结果采用分类注浆技术,对断层及其破碎带进行了实践加固。结果表明：通过高能磁和高矿化度矿井水对浆液改性,可以提高黏土浆液的抗渗性约1个数量级,缩短水泥浆液初凝时间43min,提高水泥试块抗压强度30.8%-31.1%。对断层破碎区以改性水泥浆液注浆加固为主,对断层相对完整区以改性黏土浆液注浆封堵为主,对断层-巷道交汇区以化学浆液注浆为主的分类注浆技术有效保障了大巷安全快速通过断层。研究成果为构造复杂矿区巷道过断层提供了借鉴。     

新型注浆材料及注浆工艺的研究和应用

为了改善巷道围岩特性,增强支护效果,防止巷道透水,针对传统注浆材料强度低、渗透性差及传统注浆工艺不能充分利用围岩特性的缺点。通过材料性能影响因素的分级及巷道围岩特性和劈裂影响因素的研究,开发出一种新型注浆材料及差异注浆工艺。该材料以硫铝酸盐水泥及粉煤灰为主,辅以各种添加剂,具有强度高、渗透性好、抗渗性能强等特点;差异注浆工艺将巷道围岩划分为不同的区域,采用不同的注浆压力、速率及浆液黏度。在河南能源龟兹煤矿进行现场应用,结果表明:该新型材料及注浆工艺可有效改善围岩特性,提高围岩力学性能,增强支护效果,防止巷道突水。     

注浆加固技术在陈四楼煤矿防治煤层底板突水中的应用

陈四楼煤矿在开采过程中受到煤层底板承压充水含水层的水害威胁,针对该情况,陈四楼煤矿应用不同注浆材料对该矿某区进行注浆加固。阐述了研究区注浆试验钻孔设计,并应用不同的注浆材料对研究区进行注浆加固。结果证明,注纯水泥浆液岩心及注蒙脱石和水泥等混合浆液岩心的抗压强度均较大,加固煤层底板强度的效果较好,而且注蒙脱石与水泥混合浆液扩散半径较大,相同情况下,一次注浆可以节省人力、物力,且蒙脱石的价格也比水泥低,更经济实用。     

大采高工作面防片帮机理及深孔注浆加固研究

以赵庄1307工作面为工程背景,通过注水探测以及测窗法分析工作面前方裂隙发育情况,并根据深孔注浆加固工艺设计相应的施工方案,最后通过钻孔窥视考察注浆效果。结果表明,1307工作面裂隙发育区域在20m左右裂隙发育速率最快,以纵向发育的裂纹为主;不同深度钻孔位置煤体注浆后完整,浆液与煤体结合紧密,注浆加固效果良好。     

煤体裂隙非均质分布对注浆渗透扩散规律的影响分析

注浆改性加固技术是改进裂隙煤岩稳定性的一种有效方式,探究并查明裂隙煤体浆液渗透扩散规律对于优化设计注浆参数具有重要意义。传统注浆渗透扩散模型未考虑煤体中裂隙非均质分布的影响,导致前期模拟计算结果与现场实际取得数据有较大误差。基于山西经坊煤业3-边角091运输大巷巷道迎采送掘工程,提出了基于数字照相与数字图像处理技术的煤体裂隙率识别方法,建立了基于Weibull分布的裂隙非均质性表征模型,利用多物理场耦合软件COMSOL建立了裂隙非均质分布的浆液渗透扩散数值计算模型,研究了平均裂隙率、裂隙分布均质性指数等参数对浆液扩散距离、浆液压力分布的影响规律,结果表明：平均裂隙率越高、裂隙分布均质性指数越大时,浆液压力越大,浆液渗透扩散速率越快,但当裂隙分布均质性指数达到一定程度后,模型中裂隙率分布趋近均匀,对浆液渗透扩散距离影响较小。与传统均质性模型相比,非均质模型的预测浆液渗透扩散距离减小了16.9%,与实际工程中不均匀渗透扩散规律相符,对于指导裂隙煤体注浆设计具有一定的参考意义。     

高强度低黏度注浆材料配比试验研究

为满足微裂隙岩体注浆加固要求,需研究一种强度高、黏度低的高性能注浆材料。选用超细水泥、硅粉、超细粉煤灰、聚羧酸系减水剂为原料,结合单因素试验和正交试验,对浆液进行改性。试验结果表明：在水泥中掺加4%～12%的硅粉,浆液的结石体强度可以提高8%～34%|用超细粉煤灰替代一定量的水泥,可以降低浆液的黏度,当粉煤灰替代量超过20%后,浆液黏度不再降低,达到作用极限值|聚羧酸系减水剂对于降低水泥浆液的黏度有着显著效果,掺加0.1%～0.5%的减水剂,浆液的黏度可以降低25%～90.6%,减水剂掺量越高,浆液析水率越大,浆液越不稳定|当水灰比为0.8、硅粉掺量为10%、粉煤灰代替量为20%、减水剂掺量为0.3%时配置的浆液性能最优,新型浆液结石体28d抗压强度为22.98MPa,比纯水泥浆液结石体的抗压强度提高13.6%,黏度为21.83s,比纯水泥浆液黏度降低89%。     

低成本注浆材料研制及其改性试验研究

为满足回采工作面通过构造带时围岩的控制问题及加固治理的需求,针对井下工作面深孔注浆的特点研制了一种高性能廉价注浆材料,通过实验室对水泥改性液浆液粘度、结石率、浆液粘结强度、抗压强度、表观脆性的测试研究,研究结果表明:改性液的引入不仅降低注浆材料成本,而且大大提高了浆液与受注物体间的粘结强度,最终确定水泥浆液水灰比0. 7∶1、水泥改性液用量15%～20%为水泥浆液的最佳配比。     

新型无机注浆材料加固破碎围岩技术

为分析新型无机注浆材料的性能及其在破碎围岩中的应用效果,采用实验室试验的方法研究了水灰比对浆体的流动度、凝结时间和抗压强度3个指标的影响,并对试验巷道围岩变形量及围岩破碎情况进行观测。结果表明:水灰比越大,流动度就越大,当水灰质量比为0.7∶1.0时,浆体的扩展度为265 mm,满足要求;抗压强度随水灰比增大而减小,水灰质量比大于0.9∶1.0时,抗压强度不能满足要求,因此,水灰比应为(0.7~0.9)∶1.0。注浆后煤体内部的裂隙得到充填和固结,钻孔内浆液固结体呈薄厚不一的片状或条状,空隙得到压实,煤体完整性和稳定性增加。