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。

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D 95<7.0μm,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。

纳米级注浆材料及高性能混凝土斜井堵水应用研究

为治理小纪汗煤矿斜井井壁大淋水,通过充分调研和多次现场试验证明,传统堵水方法无效,干式喷浆混凝土无法粘贴在围岩表面,回弹率达到90%以上,最终确定采用高性能混凝土湿喷技术结合纳米级注浆技术进行治理,治理后使井壁淋水量由54m3/h下降到2.71m3/h。结果表明,采用高性能混凝土湿喷及纳米级注浆技术能有效封堵孔隙潜水及裂隙承压水。

Nano-SiO_(2)改性水泥净浆结石体力学特性试验研究

岩土领域复杂的工程地质环境和工程地质灾害对注浆材料的性能提出了更高的要求。利用电液伺服岩石真三轴试验机开展了普通425水泥结石体、添加纳米二氧化硅浆液结石体的单轴压缩试验。试验结果表明,添加纳米二氧化硅后,浆液结石体力学性能得到明显提升,且纳米二氧化硅含量在3%时效果最好。与普通水泥浆液结石体相比,添加3%纳米二氧化硅的浆液结石体单轴抗压强度增加了56.3%,弹性模量增加了29.2%。试验结果可以为复杂地质环境下的工程项目注浆设计和施工提供参考。