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水泥-粉煤灰注浆材料的研发与应用

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第29卷第5期 河南理工大学学报(自然科学版) V0lJ 29 No.5 2010年1O月 JOURNAL OF HENAN P0LYTECHNIC UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE) 0ct.2010 水泥一粉煤灰注浆材料的研发与应用 张义顺 ,何小芳 ,朱伶俐 ,王敏丽 (1.河南理工大学材料科学与工程学院,河南焦作454000;2.河南理工大学万方科技学院,河南焦作454000) 摘要:为解决矿山煤层底板承压水威胁区域的加固问题,从不同粉煤灰掺量、不同水灰比、 不同固相质量比的硬化体强度、浆体凝结时间和黏度之间的相互关系,对粉煤灰注浆材料进 行了系统的研究,提出了具有早强性和可注特点的复配方案,采用活化粉煤灰(其组分质 量百分比为粉煤灰:生石灰:元明粉=76.22:22.26:1.52)作为注浆掺合料,另加入早强剂, 配制出新型水泥——粉煤灰注浆材料.通过工程的实际应用表明,该注浆材料不仅符合现行 注浆材料检验标准,而且很好地满足了煤层底板注浆加固堵水的要求. 关 键 词:煤层底板;活化粉煤灰;早强剂;注浆材料 中图分类号:TU520 文献标识码:A 文章编号:1673—9787(20l0)05—0674—06 Study and application of cement——flyash grouting material ZHANG Yi—shun’,HE Xiao—fang ,ZHU Ling—li ,WANG Min—li (1.Academy ofMaterials Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454010,Henan,China;2. 咖ng College ofSci- ence and Technology,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454010,Henan,China) Abstract:The purpose of this study was to solve the reinforcement of coal seam floor.Based on the relations among hardened strength,setting time and viscidity of materials with different mix—proportion of fly ash,wa- ter—cement ratio and solid mass ratio,the fly—ash—system grouting material was investigated.This paper showed a multi—mixing proportion advanced grouting material which had high—early strength and castability. The new advanced cement—fly—ash mining grouting material was developed,and the activated fly—ash(the mass percentage of fly—ash,lime and glaubers salt was 76.22%,22.26%and 1.52%respectively)and early strength agent(ESA)was used.Through the practical application of engineering,the new grouting ma。 terial not only accorded with current inspection standards but also satisfied the requirements of reinforcement and plugging of coal seam floor. Key words:coal seam floor;activated fly—ash;early strength agent;grouting material 0 引 言 在矿山采掘过程中,经常需要对一些破碎区、不良地质条件的区域、受煤层底板承压水威胁的区 域进行注浆加固,对易燃区进行防火注浆.以前的注浆材料多采用纯水泥浆,吨煤成本高达8~9元. 为了有效地解决注浆问题,节约成本,需开发新型注浆材料.粉煤灰是从烧煤粉的锅炉烟气中收集的 粒状粉灰,自身有一定的活性,积存量已达30亿t以上 .因此,在水泥中掺人适当的粉煤灰和 收稿日期:2010—03—04 基金项目:河南省科技攻关项目(0324210052). 作者简介:张义顺(1951一),男,河南民权人,博士生导师,教授,主要从事先进矿用材料研究与教学工作 E—mail:zys@hpu.edu cn 第5期 张义顺,等:水泥一粉煤灰注浆材料的研发与应用 675 其它掺合料制成新型注浆材料,不仅可以降低注浆成本,而且可减少对环境的污染 .本文对注浆 材料的研究主要从强度、凝结时间和黏度这3方面要求出发,具体指标为:(1)浆液3 d早强固结强 度大于3~4 MPa;(2)浆液经5~8 min搅拌后黏度为25~40 mPas;(3)结石体抗渗性应小于10~~ 10~cm/s.按照上述指标要求,对粉煤灰灌浆材料进行了系统的研究,提出了具有早强性和可注特 点的复配方案,经过特殊加工试验研究,得到了可供工程施工选用的粉煤灰注浆材料. 1 水泥单掺粉煤灰实验 实验选用永城裕东电厂的一级粉煤灰、焦作市坚固水泥厂生产的32.5级普通硅酸盐水泥.粉煤 灰掺量选择O%,10%,…,80%9个水平,则浆液中水泥量相应为100%,90%,…,20%.根据 现场经验,浆液水灰比选择1:0.5,1:0.6,1:0.8,1:1等4个水平安排32组全分析实验,实验结果 如表1所示. 表1 水泥单掺粉煤灰实验结果 Tab.1 The experimental results of cement filled with only fly ash 1.17 1.22 2.63 2.71 3.96 2 96 2.63 2.44 7.20 18.O 19.0 23.O 24.2 61.O 62.5 7.49 1.O3 1.03 2.63 1.78 5.97 5.33 21.O 22.5 25.6 27.0 65.0 68.8 1:0 8 0.57 0.54 0.25 O.18 O 92 0.83 1.61 1.63 O.67 0.31 O 16 4.72 3.23 1.65 1 O8 0.44 28 0 32.5 45.5 49 0 58.5 29.6 31.6 32.8 76.3 80 8 88.5 0 35 O.28 O.27 34.0 36.0 91.3 93.3 O.13 676 河南理工大学学报(自然科学版) 2010年第29卷 0 续表l 水灰比掺量 %强28d抗折度/MPa—— —垫 号 终凝时间 黏度 (mPas)结石率 % 0 m 加 如 加 如 ∞ 舳 3 3 3 2 l 1 0 0 O 3 3 O 2 7 3 9 6 2 9 2 4 5 2 O 8 O 6 4 4 2 2 1 0 0 0 0 4 l 2 8 5 2 3 4 9 4 8 3 4 4 1 9 7 5 3 2 2 l O O 4 3 l 6 4 3 4 8 4 8 8 5 4 7 2 6 6 3 不同配比的水泥粉煤灰混合浆液及硬化体试验结果分析如下.¨ 船  (1)浆液硬化体抗压强度.硬化体抗压强度受固相质量比、水灰比及水化龄期等因素影响,如 图1所示.由表1及图1可以看出,当固相质量比相同、水灰比不同,随水灰比增大,硬化体抗压强 度降低. " 加 ∞ 鳃 ∞ O 0 5 O O 5 0 O O 5 10 日日室4 塞8 3 6 嘿 2 弘 弛 ∞ 嘎 4 髻1 0 2 4 4 6 0 2 8 4 2 n 0 " 跎 跎 卯 3 0 5 图15  不同水灰比各龄期强度与粉煤灰掺量的关系 5 5 8 5 5 Fig.1 Relation among diferent water-cementratio,strength with different age and mixture volum of lfyash +1:o.5:+1:o.6;+1:o.8:+1:1 当固相质量比不同、水灰比相同,随龄期增长,硬化体抗压强度增大,浆材早期强度较低,但后 期强度增长较大,硬化体28 d抗压强度与7 d抗压强度相比,增长1倍以上;随粉煤灰掺量的增加, 硬化体早期(3 d和7 d)抗压强度降低,特别是粉煤灰掺量达40%以后,抗压强度急剧降低.这主 要是水泥的硬化和粉煤灰的火山灰反应是强度形成的主要因素,早期以水泥硬化过程为主,后期以火 山灰反应为主,并随时间的延长缓慢进行,硬化体后期强度也相应增长.由于粉煤灰的化学活性来源 于熔融后被迅速冷却而形成的玻璃态颗粒(多孔玻璃体和玻璃珠)中可溶性的SiO:,A1 0 等活性组 分.普通水泥浆体水化产物中存在大量的Ca(OH):,粉煤灰中活性SiO ,A1 0,在有水存在时,与 Ca(OH),反应生成水化硅酸钙(C—s—H)和水化铝酸钙(A—S—H),反应过程为: 第一步,水泥中c s(硅酸三钙)和c,s(硅酸二钙)常温下发生如下水化反应 3CaO・SiO2+nH20 xCaO・SiO2‘yH20+(3一x)Ca(OH)2, 2CaO・SiO2+mH20 xCaO・SiO2・yH20+(2一X)Ca(OH)2. 第二步,活性SiO ,A1 0 与水泥发生如下水化反应生成Ca(OH):. m Ca(0H)2+SiO2+nH20・ mcaO・SiO2・nH20(水化硅酸钙,c—s—H), m Ca(OH)2+A1 03+nH20 mca0・A120 ・nH20(水化铝酸钙,A—S—H), (2)浆液流动度和黏度.作为注浆材料,流动度与黏度至关重要.由实验结果可知,随水灰比 增大,粉煤灰注浆材料的流动度增大,黏度降低.水灰比由1:1增大至l:0.8,1:0.6,1:0.5,浆液 黏度逐渐降低,流动性越来越好.浆液黏度还与粉煤灰在水泥中的掺量有关,由于粉煤灰颗粒略大于 第5期 张义顺,等:水泥一粉煤灰注浆材料的研发与应用 677 水泥颗粒,随粉煤灰掺量增大,浆液变稠,黏度增大, 流动性变差,见图2 (3)浆液凝结时间.浆液凝结时间既要满足 45 40 注浆作业时间的要求,又要求尽快硬化成具有一定 35 强度的硬化体.固相质量比不同、水灰质量比相同 30 25 时,浆液的凝结时间随粉煤灰掺量的增加而延长; 2O l 5 水灰质量比不同、固相质量比相同时,随水灰比的 10 5 增大,凝结时间延长. 粉煤灰掺量超过30%,早期强度均 粉煤灰 28 d抗折 抗压强度/MPa 终凝时 .. 低于2 MPa,且终凝时间超过24 h, 水灰比掺量/% 强度/MPa —3 d 7 d —28 d  间/h 这对注浆安全造成威胁,但后期强度 仍能提高至5 MPa,能满足注浆加固 岩体的强度要求.故若继续降低注浆 成本,加大水泥注浆材料中粉煤灰的 掺量就必须解决早强问题. 2.1实验方案 实验选择1:0.5、1:0.6和 1:0.8等3个水灰比,各组分中根据 水泥用量添加复合早强剂(三乙醇 胺0.03%与氯化钙2%)来提高浆液 硬化体早期强度.由于早强剂对浆液 的粘度与结石率影响不大,故实验中 只测试各龄期抗折、抗压强度与终凝 时间,结果见表2. 2.2实验结果及分析 掺加水泥早强剂后,同种粉煤灰 掺量的注浆材料硬化后,早期强度提 高80%以上,粉煤灰掺量在30%~ 50%时的早期强度超过2 MPa,28 d 强度超过4 MPa;胶材体系的终凝时 间也有不同的缩短.因此,注浆宜选 表3注浆材料组成 Tab.3 The composition of grouting material WB/% 用水泥——40%粉煤灰的注浆材料, 具体组成如表3所示. 注:三乙醇胺与氯化钙均为占水泥质量的百分比 678 河南理工大学学报(自然科学版) 2010年第29卷 3 粉煤灰注浆材料的研发 粉煤灰具有潜在的火山灰活性,单独与水泥互掺并没有很好地利用这一活性,当粉煤灰掺量加大 时,水泥水化产生的氢氧化钙不足以激发粉煤灰的潜在活性,这就需要对水泥一粉煤灰胶材体系 “增钙”.经实验,活化粉煤灰(组分为粉煤灰:生石灰:元明粉=76.22:22.26:1.52)能很好激发粉 煤灰的活性.所以,新型注浆材料的研发采用水泥、粉煤灰、早强剂(按水泥的用量添加)和粉煤 灰激发剂,粉煤灰掺量为40%~80%,实验水灰比为1:0.5,1:0.6和1:0.8,实验测试结果见表4. 表4总体趋势是抗压强度随着粉煤灰掺量的增大而减小,当掺量大于60%时,强度很小已不适 宜作注浆材料;基于注浆材料选择的依据——抗压强度和黏度,黏度则随着掺量的增大而变大,通过 优选,得出现场实用的新型注浆材料配比见表5. 表4实验结果 Tab.4 The experimental result 水灰比 粉煤灰 28 d抗折 抗压强度/MPa 掺量/% 强度/MPa 3 d 7 d 28 d 度/(mPas)终凝时间/h 表5优选注浆材料组成 Tab.5 The composition of preferred grouting material 4工程应用实例 4.1 矿井水文地质条件 2209工作面位于正龙煤业公司北二采区,长860 m,斜长170 m,煤厚3.0 m,储量58.5万t.工 作面总体为北东向延展的宽缓背斜,倾角3~7。.工作面东段560m,除轨顺车场交叉口个别点高外, 工作面涌水可以自泄至北皮大巷.工作面轨顺巷揭露5条断层,落差0.3~3 m,主要分布在工作面 东段,淋水段揭露1处,在背斜轴附近.皮顺巷揭露4条断层,落差1.0~3.5 m,淋水段揭露1处, 第5期 张义顺,等:水泥一粉煤灰注浆材料的研发与应用 679 在9P 点附近.另外切巷揭露2处淋水段.工作面有0017钻孔,终孔层位二 煤底板,距二 煤层 12 m.工作面内太灰上段水压3.0~3.5 MPa,二 煤到L 灰岩间距48.5~56 nl,西段稍大. 4.2 注浆方案 工作面东段560 ITI水可自泄,工作面太灰上段水压中等,因此确定为重点改造地区.工作面西段 300 m全部改造.钻孔改造段相距50~70 m,与工作面周边间距15~25 m.布孔尽量与断层、褶曲 大角度相交,使每孔揭露裂隙最多 . 以重点地段改造为主的设计思想,其改造结果不是改造含水层成为隔水层,而只是加固原有的隔 水层,最后使原有的隔水层较为完整.在太灰上段水压不高和异常区界定较为准确的前提下,终孔层 位确定穿过L 灰岩3~5 m,东段确定为距二 煤层垂深58 In,西段确定为61 m,钻孔分布见图3. 全工作面共施工钻孔46个,总进尺7 306 m,采用新型注浆材料,总注浆量13 945 t.从2209工 作面现场回采结果表明,回采工作面并没有出现涌水,注浆改造底板工程取得了很好的效果,保证了 煤炭安全生产.经初步估算,2209工作面共节省注浆水泥4 418 t,降低注浆成本124万元.若将此 方法全面应用于底板注浆改造工程中,每年可为正龙煤业公司节约注浆材料费约1 000万元. !! 兰 !兰竺 !兰 :兰丝 !呈壁 曼 !兰竺 三竺 曼竺 !兰堕 = 2 19 16 35 、 、7 0 -K 26 34 / 0 21 2209皮带巷 图3 2209工作面底板注浆钻孔分布 \ \ Fig.3 Grouting drill distribution of 2209 working face floor 5 结 论 (1)在水泥注浆材料中单掺粉煤灰最优掺量为30%,当掺量超过30%时,浆液黏度增大,流动 性变差;浆液凝结时间延长,容易随水流失. (2)不同龄期硬化体的抗压强度随水灰比的增大而降低.稀浆(水灰质量比1:0.5~0.6)流动 性能良好,但其硬化体强度较低,加固效果较差;而浓浆(水灰质量比1:0.8)硬化体强度高,注浆 加固效果较好,但流动性相对较差,不易注入. (3)水泥粉煤灰浆材初凝时间一般为12 h以上,终凝20 h以上,且随粉煤灰掺量的增大、水灰 比的增大而延长;浆材的流动度随粉煤灰掺量的加大而降低,同时黏度增大. (4)活化粉煤灰(组分为粉煤灰:生石灰:元明粉=76.22:22.26:1.52)作为注浆掺合料,再 加入早强剂提高早期强度,掺量大时强度等参数也可以满足要求. 参考文献: [1] 陈礼仪,王胜,粉煤灰灌浆材料的研究与应用[J].成都理工大学学报,2007,34(2):206—209. [2] 杨久俊.粉煤灰微珠在功能材料中的研究利用进展[J].功能材料信息,2007,4(5):60. [3] 程学权.高活性粉煤灰注浆材料在实际工程中的应用[J].四川地质学报,2000,20(4):287—289 (责任编辑 李文清) 

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