無機(jī)非水泥基防治水注漿材料的實(shí)驗(yàn)研究

王學(xué)偉

（河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺 054000）

1 概 況

防治水注漿加固技術(shù)是采掘活動(dòng)開始前，在遠(yuǎn)離采區(qū)的地面大面積均勻布置鉆孔，把煤層底板巖石里富存水的情況和存在的裂隙探查清楚，同時(shí)利用高壓注漿把水泥漿壓到裂隙內(nèi)，對裂隙進(jìn)行封堵，截?cái)嘞虏康叵滤矫簩拥耐ǖ?，防止在采掘過程中發(fā)生水害事故。煤炭防治水注漿加固工程使用的注漿材料多以水泥為主，在一些水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井需要對含水層進(jìn)行局部注漿改造，工程中注漿量往往可以達(dá)到數(shù)萬噸甚至數(shù)十萬噸，原料費(fèi)用加上注漿施工費(fèi)用使注漿成本達(dá)到500 元/t 左右，費(fèi)用較高。另外，水泥工業(yè)碳排放量僅次于電力行業(yè)，資源消耗與生態(tài)破壞問題突出，環(huán)保設(shè)備的投入，造成水泥成本價(jià)格不斷上漲，且水泥的供應(yīng)存在季節(jié)性供應(yīng)不足的問題，尤其在冬季。水泥基注漿材料還存在強(qiáng)度增長速度慢、在大孔隙地層中注漿易出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象等問題，需開發(fā)一種既能滿足實(shí)際工程需要、又經(jīng)濟(jì)適用的新型注漿材料?；诖?，本文提出了用超細(xì)礦渣粉、石膏、生石灰和外加劑為膠凝材料，以煤礦矸石粉或山西黃土粉為骨料配合而成的混合物料用于煤礦防治水注漿的可行性。

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

無機(jī)非水泥基防治水注漿材料主要分為骨料和膠結(jié)材料，其中骨料包括矸石粉和黃土粉，膠凝材料包含超細(xì)礦渣粉、石膏、生石灰，具體見表1。

表1 原料化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of rawmaterials

（1） 矸石粉。將煤礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煤矸石經(jīng)過顎式破碎機(jī)破碎至最大粒徑≤50 mm，再通過皮帶輸送機(jī)輸送至細(xì)碎機(jī)破碎至最大粒徑≤5 mm，最后通過濕式球磨機(jī)粉磨制成，矸石粉出磨漿體水含量為50%，細(xì)度為80 μm 水篩篩余12%。

（2） 黃土。取自西北地區(qū)的地表黃土經(jīng)自然風(fēng)干后，通過細(xì)碎機(jī)破碎、再通過振動(dòng)網(wǎng)格篩篩分出粒度＞5mm 的砂石顆粒，然后將將過篩物料通過小型輥磨機(jī)粉磨制成細(xì)度為80 μm，水篩篩余≤15%的黃土粉。

（3） 超細(xì)礦渣粉。?；郀t爐渣經(jīng)粉末制備而成的比表面積≥420 m2/kg、活性等級≥S95 的礦渣粉。

（4） 石膏。SO3≥43%、H2O≤5%的氟石膏或脫硫石膏中。

（5） 生石灰。CaO≥62%，細(xì)度≥200 目的粉體材料。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 試驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)室溫度20±2℃，相對濕度＞50%；養(yǎng)護(hù)箱溫度20±1℃，相對濕度≥90%；水溫20±1℃。

2.2.2 水下養(yǎng)護(hù)終凝時(shí)間

（1） 將注漿材料漿體倒入500 mL 燒杯中，使?jié){液完全泌水離析，沉淀物在水中凝結(jié)。

（2） 使用標(biāo)準(zhǔn)法維卡儀，安裝有效長度為30±1 mm，直徑為1.13±0.05 mm 的終凝針，對沉淀物在水下的凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行測定。測試方法為：將維卡儀試桿上抬，使指針指到0，擰緊螺絲1～2 s后立即放松，當(dāng)試針插入水中沉淀物中0.5 mm 時(shí)，即環(huán)形附近開始不能在沉淀物上留下痕跡時(shí)，為達(dá)到水下養(yǎng)護(hù)終凝時(shí)間。

（3） 完全泌水時(shí)間。漿注漿材料漿體倒入500 mL 燒杯中靜置，每隔5 min 測定一次漿體中沉淀物的高度，待沉淀物高度完全穩(wěn)定，測得的時(shí)長即為完全泌水時(shí)間。

（4） 泌水率。漿注漿材料漿體倒入500 mL 燒杯中靜置，待沉淀物高度完全穩(wěn)定，測量泌水高度，用泌水高度除以漿液總高度即得到泌水率。

（5） 單軸抗壓強(qiáng)度。

將注漿材料漿體倒入50 mm×50 mm×50mm的特制雙層可拆卸三聯(lián)試模中（下層為標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)試模，上層為無底座三聯(lián)試模，即取2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)試模，將其中一個(gè)去掉底座后放置于下層三聯(lián)試模頂部），靜置6h 后，將上層無底座三聯(lián)試模移除，使用刮平尺將試塊刮平，放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)（溫度20±1℃，相對濕度大于等于90%），每組齡期試塊3 塊，養(yǎng)護(hù)3 d 后，拆除試模，使用YAW4605 微機(jī)控制電液伺服壓力機(jī)測定3d 試塊強(qiáng)度，將剩余14 d、28 d 齡期試塊放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，試塊達(dá)到齡期后，按照相同方法測定相應(yīng)齡期試塊的單軸抗壓強(qiáng)度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段各組分的膠凝材料與黃土或矸石粉和水稱量后進(jìn)行混合，按表2 比例分成6 組，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表2 膠結(jié)料配比Table 2 ratio of cementing material

表3 性能數(shù)據(jù)對比Table 3 Comparison of performance data

從表3 中可以看出，隨著石膏添加量大減少，材料最終強(qiáng)度先增大后減小，石膏最佳添加量為7%。石膏的添加可以促進(jìn)超細(xì)礦渣粉二次水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，增加膠凝體系的凝結(jié)時(shí)間，不利于快速封閉導(dǎo)水通道等工程應(yīng)用，但是在添加了外加劑后，外加劑可在水化反應(yīng)初期通過與石膏快速結(jié)合產(chǎn)生C3S，同時(shí)促進(jìn)鈣礬石結(jié)構(gòu)的形成，進(jìn)一步激發(fā)水化作用的早期反應(yīng)速度，有效縮短早期凝結(jié)時(shí)間，產(chǎn)生注漿防治水所需要的初期強(qiáng)度，從而使得注漿材料的整個(gè)水化反應(yīng)過程都具有較高的強(qiáng)度。外加劑的添加可以改變物料的表面活性和流變性質(zhì)，有效激發(fā)矸石粉或黃土粉的活性，減少漿體的用水量，提高注漿材料的水化反應(yīng)速度，增加凝結(jié)體的早期強(qiáng)度、降低泌水率。硅酸鈉中含有大量的活性硅酸根離子，可進(jìn)一步提高注漿材料水化反應(yīng)的速度，增加凝結(jié)體前期強(qiáng)度，同時(shí)改善矸石粉和黃土粉活化性能，保證凝結(jié)體后期強(qiáng)度穩(wěn)定增長。

從表3 中還可以看出，隨著生石灰添加量的增加，強(qiáng)度先升高再降低，生石灰最佳添加量為15%，生石灰與水反應(yīng)生成Ca(OH)2，產(chǎn)生大量的Ca2+、OH-，促進(jìn)了超細(xì)礦渣粉在水化反應(yīng)中其玻璃體表面的Ca2+、Mg2+與OH-生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，使超細(xì)礦渣粉的玻璃體表面破壞，在玻璃體表面受到OH-破壞后，連續(xù)相的富鈣相玻璃體為OH-提供進(jìn)入玻璃體內(nèi)部的必要通道，促進(jìn)超細(xì)礦渣粉進(jìn)一步水化，同時(shí)，Na+、K+等離子與Ca2+和Mg2+進(jìn)行替換，連接在Si-O 鍵和Al-O 鍵上，最終導(dǎo)致玻璃體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分解，Ca(OH)2與體系中溶出的活性SiO2反應(yīng)生成C-S-H 凝膠，隨著超細(xì)礦渣粉水化反應(yīng)的繼續(xù)，Ca(OH)2晶體不斷溶解，C-S-H 凝膠不斷沉積，使?jié){體變稠并硬化，提高膠凝體系的凝結(jié)速度和強(qiáng)度。

表3 中的水下養(yǎng)護(hù)終凝時(shí)間和泌水率與水泥的數(shù)據(jù)相差不大，基本一致，說明應(yīng)用水泥注漿的設(shè)備管路也能滿足無機(jī)非水泥基防治水注漿材料的使用，無需更換，節(jié)約了投入成本。

表3 中的完全泌水時(shí)長比水泥的數(shù)據(jù)要小，說明料漿在治水堵水期間可以快速沉降，更好的實(shí)現(xiàn)了底板隔水層加固、含水層注漿改造、導(dǎo)水通道封堵，起到了“防、堵、截”的重要作用。

4 結(jié) 論

（1） 試驗(yàn)中加入了石膏和生石灰，不僅能夠提供堿性的水化反應(yīng)環(huán)境及大量的游離氧化硅，在水化反應(yīng)后期，沉淀固結(jié)體內(nèi)未完全參與反應(yīng)的CaO 在水的作用下生成Ca(OH)2，然后逐步參與到水化反應(yīng)中形成C3S、C2S 等穩(wěn)定礦物組成，使固結(jié)體產(chǎn)生較大的膨脹應(yīng)力，固結(jié)體發(fā)生膨脹，在注漿防治水應(yīng)用過程中更好的實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)水通道的封堵。

（2） 選擇矸石粉或黃土粉作為防治水注漿材料的主要成分，在代替部分膠結(jié)料的同時(shí)，還可加快固體物料在水中的沉降離析速度，同時(shí)矸石粉或黃土粉中含有大量的SiO2和Al2O3，在制漿過程中形成鈣礬石、C2S 和C2S2H 等水化產(chǎn)物，提高凝結(jié)體的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對巖層裂縫或?qū)ǖ赖姆舛隆?/p>

（3） 無機(jī)非水泥基防治水注漿材料無水泥參與水化反應(yīng)，完全以矸石粉或黃土粉、超細(xì)礦渣粉作為主要原料，以生石灰、石膏和外加劑作為主要活化劑和激發(fā)劑，實(shí)現(xiàn)了在大量非靜止?fàn)顟B(tài)水的環(huán)境中注漿材料的快速水化，在滿足注漿防治水強(qiáng)度要求的同時(shí)，降低了注漿成本，實(shí)現(xiàn)了水泥的完全替代，減少了矸石的排放，實(shí)現(xiàn)了固體廢棄物的高值化綜合利用，具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)保雙重效益。