微纳米无机注浆材料研发与应用

随着煤矿开采深度的增加,千米深井巷道围岩大变形控制难题急需解决,提出了支护-改性-卸压“三位一体”协同控制技术,其中注浆“改性”环节要求注浆材料具有高渗透性和早强性。以硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰为主要原料,通过优化配比和超细粉磨方法研发了具有早强、高渗透性的微纳米无机注浆材料,测试了材料粒径、比表面积、抗压强度、泌水率和凝结时间;采用自制的注浆模拟系统测试了微纳米无机注浆材料注浆加固煤体效果;在中煤新集口孜东矿进行了现场应用。材料性能实验结果表明,硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰三者最优质量比为10∶8∶2,经超细化加工,材料粒径达到6.7μm,比表面积为1200 m 2/kg,达到微纳米级别;水灰比为1.0时,6 h抗压强度达到6.8 MPa,泌水率低至2.8%,初凝时间为10 min。煤体注浆加固模拟实验结果表明,注浆前后煤样强度提高24.4%;现场工程应用结果表明,注浆前后锚杆拉拔力提高了2倍,浆液大量填充煤体裂隙,提高了煤体完整性,扫描电镜观察说明浆液可以通过10μm裂隙,渗透性良好。与传统水泥基注浆材料相比,微纳米无机注浆材料具有更高的渗透性和早期强度;与有机化学注浆材料相比,微纳米无机注浆材料为无机矿物材料,不燃,具有更低的成本和使用安全性。

应力预养护对硫铝酸盐注浆材料强度与微结构的影响

在煤矿千米深井巷道注浆加固示范工程中,注浆结石体抗压强度常高于常压下的抗压强度,针对此问题,采用自制加压装置模拟应力作用对注浆材料浆液进行加压预养护,通过测试试样强度、表观密度、孔隙率、水化产物种类和微观结构,分析应力对材料强度增强的作用机理。结果表明:10 MPa的应力可以显著提高注浆材料结石体的抗折、抗压强度,抗折强度最大增加24.3%,抗压强度最大提高21.6%;应力可促进早期钙矾石的生成且不改变水化产物种类,提高结石体密度。分析认为,应力通过促进钙矾石的生成速率,降低结石体孔隙率和最可几孔径的方式提高结石体的强度,即提高结石体的密度,增加钙矾石相互搭接的紧密程度,进而提高注浆材料结石体的抗折、抗压强度。检测结石体密度在某种意义上可以评估注浆加固的加固效果。

可再分散乳胶粉改性水泥基薄喷材料研究

聚合物改性水泥基韧性薄喷材料是煤矿巷道表面封闭材料的发展方向,可再分散乳胶粉具有增加水泥基材料黏结性、改善韧性的特点,但目前关于可再分散乳胶粉改性水泥基薄喷材料的研究较少。本文采用可再分散乳胶粉改性硅酸盐与硫铝酸盐复合水泥制备薄喷材料,研究了可再分散乳胶粉对浆液黏度、凝结时间以及结石体抗折和抗压强度、单轴压缩应力-应变、单轴拉伸荷载-位移的影响。结果表明,随可再分散乳胶粉掺量增加,浆液黏度快速增加的起始时间延长,凝结时间增加,结石体抗折、抗压强度均先升高后降低,在掺量为2.25%(质量分数)时达到最大值,压缩、拉伸破坏变形率均增加,韧性得到改善。通过微观分析阐释了可再分散乳胶粉对水泥基材料宏观性能的影响机理。