无机非水泥基防治水注浆材料的实验研究

王学伟

（河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台 054000）

1 概 况

防治水注浆加固技术是采掘活动开始前，在远离采区的地面大面积均匀布置钻孔，把煤层底板岩石里富存水的情况和存在的裂隙探查清楚，同时利用高压注浆把水泥浆压到裂隙内，对裂隙进行封堵，截断下部地下水到煤层的通道，防止在采掘过程中发生水害事故。煤炭防治水注浆加固工程使用的注浆材料多以水泥为主，在一些水文地质条件复杂的矿井需要对含水层进行局部注浆改造，工程中注浆量往往可以达到数万吨甚至数十万吨，原料费用加上注浆施工费用使注浆成本达到500 元/t 左右，费用较高。另外，水泥工业碳排放量仅次于电力行业，资源消耗与生态破坏问题突出，环保设备的投入，造成水泥成本价格不断上涨，且水泥的供应存在季节性供应不足的问题，尤其在冬季。水泥基注浆材料还存在强度增长速度慢、在大孔隙地层中注浆易出现漏浆现象等问题，需开发一种既能满足实际工程需要、又经济适用的新型注浆材料。基于此，本文提出了用超细矿渣粉、石膏、生石灰和外加剂为胶凝材料，以煤矿矸石粉或山西黄土粉为骨料配合而成的混合物料用于煤矿防治水注浆的可行性。

2 实验准备

2.1 实验材料

无机非水泥基防治水注浆材料主要分为骨料和胶结材料，其中骨料包括矸石粉和黄土粉，胶凝材料包含超细矿渣粉、石膏、生石灰，具体见表1。

表1 原料化学成分Table 1 Chemical composition of rawmaterials

（1） 矸石粉。将煤矿生产过程中产生的煤矸石经过颚式破碎机破碎至最大粒径≤50 mm，再通过皮带输送机输送至细碎机破碎至最大粒径≤5 mm，最后通过湿式球磨机粉磨制成，矸石粉出磨浆体水含量为50%，细度为80 μm 水筛筛余12%。

（2） 黄土。取自西北地区的地表黄土经自然风干后，通过细碎机破碎、再通过振动网格筛筛分出粒度＞5mm 的砂石颗粒，然后将将过筛物料通过小型辊磨机粉磨制成细度为80 μm，水筛筛余≤15%的黄土粉。

（3） 超细矿渣粉。粒化高炉炉渣经粉末制备而成的比表面积≥420 m2/kg、活性等级≥S95 的矿渣粉。

（4） 石膏。SO3≥43%、H2O≤5%的氟石膏或脱硫石膏中。

（5） 生石灰。CaO≥62%，细度≥200 目的粉体材料。

2.2 实验方法

2.2.1 试验条件

实验室温度20±2℃，相对湿度＞50%；养护箱温度20±1℃，相对湿度≥90%；水温20±1℃。

2.2.2 水下养护终凝时间

（1） 将注浆材料浆体倒入500 mL 烧杯中，使浆液完全泌水离析，沉淀物在水中凝结。

（2） 使用标准法维卡仪，安装有效长度为30±1 mm，直径为1.13±0.05 mm 的终凝针，对沉淀物在水下的凝结时间进行测定。测试方法为：将维卡仪试杆上抬，使指针指到0，拧紧螺丝1～2 s后立即放松，当试针插入水中沉淀物中0.5 mm 时，即环形附近开始不能在沉淀物上留下痕迹时，为达到水下养护终凝时间。

（3） 完全泌水时间。浆注浆材料浆体倒入500 mL 烧杯中静置，每隔5 min 测定一次浆体中沉淀物的高度，待沉淀物高度完全稳定，测得的时长即为完全泌水时间。

（4） 泌水率。浆注浆材料浆体倒入500 mL 烧杯中静置，待沉淀物高度完全稳定，测量泌水高度，用泌水高度除以浆液总高度即得到泌水率。

（5） 单轴抗压强度。

将注浆材料浆体倒入50 mm×50 mm×50mm的特制双层可拆卸三联试模中（下层为标准三联试模，上层为无底座三联试模，即取2 个标准三联试模，将其中一个去掉底座后放置于下层三联试模顶部），静置6h 后，将上层无底座三联试模移除，使用刮平尺将试块刮平，放入恒温恒湿养护箱中养护（温度20±1℃，相对湿度大于等于90%），每组龄期试块3 块，养护3 d 后，拆除试模，使用YAW4605 微机控制电液伺服压力机测定3d 试块强度，将剩余14 d、28 d 龄期试块放入恒温恒湿养护箱中养护，试块达到龄期后，按照相同方法测定相应龄期试块的单轴抗压强度。

3 实验结果与分析

将实验准备阶段各组分的胶凝材料与黄土或矸石粉和水称量后进行混合，按表2 比例分成6 组，实验数据见表3。

表2 胶结料配比Table 2 ratio of cementing material

表3 性能数据对比Table 3 Comparison of performance data

从表3 中可以看出，随着石膏添加量大减少，材料最终强度先增大后减小，石膏最佳添加量为7%。石膏的添加可以促进超细矿渣粉二次水化反应的持续进行，增加胶凝体系的凝结时间，不利于快速封闭导水通道等工程应用，但是在添加了外加剂后，外加剂可在水化反应初期通过与石膏快速结合产生C3S，同时促进钙矾石结构的形成，进一步激发水化作用的早期反应速度，有效缩短早期凝结时间，产生注浆防治水所需要的初期强度，从而使得注浆材料的整个水化反应过程都具有较高的强度。外加剂的添加可以改变物料的表面活性和流变性质，有效激发矸石粉或黄土粉的活性，减少浆体的用水量，提高注浆材料的水化反应速度，增加凝结体的早期强度、降低泌水率。硅酸钠中含有大量的活性硅酸根离子，可进一步提高注浆材料水化反应的速度，增加凝结体前期强度，同时改善矸石粉和黄土粉活化性能，保证凝结体后期强度稳定增长。

从表3 中还可以看出，随着生石灰添加量的增加，强度先升高再降低，生石灰最佳添加量为15%，生石灰与水反应生成Ca(OH)2，产生大量的Ca2+、OH-，促进了超细矿渣粉在水化反应中其玻璃体表面的Ca2+、Mg2+与OH-生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，使超细矿渣粉的玻璃体表面破坏，在玻璃体表面受到OH-破坏后，连续相的富钙相玻璃体为OH-提供进入玻璃体内部的必要通道，促进超细矿渣粉进一步水化，同时，Na+、K+等离子与Ca2+和Mg2+进行替换，连接在Si-O 键和Al-O 键上，最终导致玻璃体网络结构的分解，Ca(OH)2与体系中溶出的活性SiO2反应生成C-S-H 凝胶，随着超细矿渣粉水化反应的继续，Ca(OH)2晶体不断溶解，C-S-H 凝胶不断沉积，使浆体变稠并硬化，提高胶凝体系的凝结速度和强度。

表3 中的水下养护终凝时间和泌水率与水泥的数据相差不大，基本一致，说明应用水泥注浆的设备管路也能满足无机非水泥基防治水注浆材料的使用，无需更换，节约了投入成本。

表3 中的完全泌水时长比水泥的数据要小，说明料浆在治水堵水期间可以快速沉降，更好的实现了底板隔水层加固、含水层注浆改造、导水通道封堵，起到了“防、堵、截”的重要作用。

4 结 论

（1） 试验中加入了石膏和生石灰，不仅能够提供碱性的水化反应环境及大量的游离氧化硅，在水化反应后期，沉淀固结体内未完全参与反应的CaO 在水的作用下生成Ca(OH)2，然后逐步参与到水化反应中形成C3S、C2S 等稳定矿物组成，使固结体产生较大的膨胀应力，固结体发生膨胀，在注浆防治水应用过程中更好的实现对导水通道的封堵。

（2） 选择矸石粉或黄土粉作为防治水注浆材料的主要成分，在代替部分胶结料的同时，还可加快固体物料在水中的沉降离析速度，同时矸石粉或黄土粉中含有大量的SiO2和Al2O3，在制浆过程中形成钙矾石、C2S 和C2S2H 等水化产物，提高凝结体的强度，实现对岩层裂缝或导水通道的封堵。

（3） 无机非水泥基防治水注浆材料无水泥参与水化反应，完全以矸石粉或黄土粉、超细矿渣粉作为主要原料，以生石灰、石膏和外加剂作为主要活化剂和激发剂，实现了在大量非静止状态水的环境中注浆材料的快速水化，在满足注浆防治水强度要求的同时，降低了注浆成本，实现了水泥的完全替代，减少了矸石的排放，实现了固体废弃物的高值化综合利用，具有经济和环保双重效益。