無機非水泥基防治水注漿材料的實驗研究

王學偉

（河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺 054000）

1 概 況

防治水注漿加固技術是采掘活動開始前，在遠離采區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，同時利用高壓注漿把水泥漿壓到裂隙內，對裂隙進行封堵，截斷下部地下水到煤層的通道，防止在采掘過程中發生水害事故。煤炭防治水注漿加固工程使用的注漿材料多以水泥為主，在一些水文地質條件復雜的礦井需要對含水層進行局部注漿改造，工程中注漿量往往可以達到數萬噸甚至數十萬噸，原料費用加上注漿施工費用使注漿成本達到500 元/t 左右，費用較高。另外，水泥工業碳排放量僅次于電力行業，資源消耗與生態破壞問題突出，環保設備的投入，造成水泥成本價格不斷上漲，且水泥的供應存在季節性供應不足的問題，尤其在冬季。水泥基注漿材料還存在強度增長速度慢、在大孔隙地層中注漿易出現漏漿現象等問題，需開發一種既能滿足實際工程需要、又經濟適用的新型注漿材料。基于此，本文提出了用超細礦渣粉、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 實驗準備

2.1 實驗材料

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

表1 原料化學成分Table 1 Chemical composition of rawmaterials

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

（2） 黃土。取自西北地區的地表黃土經自然風干后，通過細碎機破碎、再通過振動網格篩篩分出粒度＞5mm 的砂石顆粒，然后將將過篩物料通過小型輥磨機粉磨制成細度為80 μm，水篩篩余≤15%的黃土粉。

（3） 超細礦渣粉。粒化高爐爐渣經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%，細度≥200 目的粉體材料。

2.2 實驗方法

2.2.1 試驗條件

實驗室溫度20±2℃，相對濕度＞50%；養護箱溫度20±1℃，相對濕度≥90%；水溫20±1℃。

2.2.2 水下養護終凝時間

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

（2） 使用標準法維卡儀，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時間進行測定。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，當試針插入水中沉淀物中0.5 mm 時，即環形附近開始不能在沉淀物上留下痕跡時，為達到水下養護終凝時間。

（3） 完全泌水時間。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定，測得的時長即為完全泌水時間。

（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試模中（下層為標準三聯試模，上層為無底座三聯試模，即取2 個標準三聯試模，將其中一個去掉底座后放置于下層三聯試模頂部），靜置6h 后，將上層無底座三聯試模移除，使用刮平尺將試塊刮平，放入恒溫恒濕養護箱中養護（溫度20±1℃，相對濕度大于等于90%），每組齡期試塊3 塊，養護3 d 后，拆除試模，使用YAW4605 微機控制電液伺服壓力機測定3d 試塊強度，將剩余14 d、28 d 齡期試塊放入恒溫恒濕養護箱中養護，試塊達到齡期后，按照相同方法測定相應齡期試塊的單軸抗壓強度。

3 實驗結果與分析

將實驗準備階段各組分的膠凝材料與黃土或矸石粉和水稱量后進行混合，按表2 比例分成6 組，實驗數據見表3。

表2 膠結料配比Table 2 ratio of cementing material

表3 性能數據對比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超細礦渣粉二次水化反應的持續進行，增加膠凝體系的凝結時間，不利于快速封閉導水通道等工程應用，但是在添加了外加劑后，外加劑可在水化反應初期通過與石膏快速結合產生C3S，同時促進鈣礬石結構的形成，進一步激發水化作用的早期反應速度，有效縮短早期凝結時間，產生注漿防治水所需要的初期強度，從而使得注漿材料的整個水化反應過程都具有較高的強度。外加劑的添加可以改變物料的表面活性和流變性質，有效激發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速度，增加凝結體的早期強度、降低泌水率。硅酸鈉中含有大量的活性硅酸根離子，可進一步提高注漿材料水化反應的速度，增加凝結體前期強度，同時改善矸石粉和黃土粉活化性能，保證凝結體后期強度穩定增長。

從表3 中還可以看出，隨著生石灰添加量的增加，強度先升高再降低，生石灰最佳添加量為15%，生石灰與水反應生成Ca(OH)2，產生大量的Ca2+、OH-，促進了超細礦渣粉在水化反應中其玻璃體表面的Ca2+、Mg2+與OH-生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，使超細礦渣粉的玻璃體表面破壞，在玻璃體表面受到OH-破壞后，連續相的富鈣相玻璃體為OH-提供進入玻璃體內部的必要通道，促進超細礦渣粉進一步水化，同時，Na+、K+等離子與Ca2+和Mg2+進行替換，連接在Si-O 鍵和Al-O 鍵上，最終導致玻璃體網絡結構的分解，Ca(OH)2與體系中溶出的活性SiO2反應生成C-S-H 凝膠，隨著超細礦渣粉水化反應的繼續，Ca(OH)2晶體不斷溶解，C-S-H 凝膠不斷沉積，使漿體變稠并硬化，提高膠凝體系的凝結速度和強度。

表3 中的水下養護終凝時間和泌水率與水泥的數據相差不大，基本一致，說明應用水泥注漿的設備管路也能滿足無機非水泥基防治水注漿材料的使用，無需更換，節約了投入成本。

表3 中的完全泌水時長比水泥的數據要小，說明料漿在治水堵水期間可以快速沉降，更好的實現了底板隔水層加固、含水層注漿改造、導水通道封堵，起到了“防、堵、截”的重要作用。

4 結 論

（1） 試驗中加入了石膏和生石灰，不僅能夠提供堿性的水化反應環境及大量的游離氧化硅，在水化反應后期，沉淀固結體內未完全參與反應的CaO 在水的作用下生成Ca(OH)2，然后逐步參與到水化反應中形成C3S、C2S 等穩定礦物組成，使固結體產生較大的膨脹應力，固結體發生膨脹，在注漿防治水應用過程中更好的實現對導水通道的封堵。

（2） 選擇矸石粉或黃土粉作為防治水注漿材料的主要成分，在代替部分膠結料的同時，還可加快固體物料在水中的沉降離析速度，同時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 等水化產物，提高凝結體的強度，實現對巖層裂縫或導水通道的封堵。

（3） 無機非水泥基防治水注漿材料無水泥參與水化反應，完全以矸石粉或黃土粉、超細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劑，實現了在大量非靜止狀態水的環境中注漿材料的快速水化，在滿足注漿防治水強度要求的同時，降低了注漿成本，實現了水泥的完全替代，減少了矸石的排放，實現了固體廢棄物的高值化綜合利用，具有經濟和環保雙重效益。