高流态超早强注浆材料及其浆液扩散规律试验研究

发布时间：2020-08-03 09:39

【摘要】：本文针对煤矿井下松软煤岩体细微裂隙注浆加固采用采用高分子注浆材料性价比低,而采用普通水泥基注浆材料颗粒大、难以注入的难题,以普通硅酸盐超细水泥为基体材料,以纳微颗粒材料为增强外加剂,开发了高流态超早强注浆材料,并对该注浆材料的流变特性、可注性和超早强性的改性规律和改性方法进行了系统的试验研究,对该材料的浆液扩散规律进行了理论分析和数值模拟研究,对该材料的煤矿井下风氧化带顶板加固进行了现场应用研究。论文的主要工作及取得的成果如下:(1)分析了影响高流态超早强注浆材料注浆效果性能指标,在测定原材料粒径分布并分析超细硅酸盐水泥和辅助颗粒增强材料的颗粒级配的基础上设计了高流态超早强注浆材料组分。通过浆液黏度时变性试验、浆液流变性试验、浆液流动度试验、凝结时间和标准稠度用水量试验,探究了玻璃微珠、超细硅灰和纳米SiO_2等外加剂对浆液黏度、流动度、凝结时间和标准稠度用水量等流变特性相关参数的影响规律,揭示了高流态超早强注浆材料高流变性的改性机理。结果表明:(1)高流态超早强注浆材料的浆液是典型的黏度时变性幂律型流体。玻璃微珠能够增加浆液的触变性、流动度和凝结时间,降低浆液黏度和标准稠度用水量;超细硅灰和纳米SiO_2对浆液的触变性和流动度影响不大,但能减少浆液凝结时间,增加浆液的黏度和标准稠度用水量。(2)玻璃微珠具有填充作用和滚珠效应,超细硅灰具有填充作用、摩擦作用和火山灰活性作用,纳米SiO_2具有填充作用和结晶成核作用,利用这些作用的叠加效应能够有效调控高流态超早强注浆材料的流变特性。(2)通过低场核磁共振分析仪研究了高流态超早强注浆材料的水化反应过程,揭示了高流态超早强注浆材料水化过程中浆液组分变化规律。建立了基于低场核磁共振的浆液可注性监测平台,对高流态超早强注浆材料的浆液和普通水泥浆液进行了可注性对比试验。结果表明:(1)高流态超早强注浆材料的溶解期和潜伏期为10~35min,比普通425硅酸盐水泥缩短,浆液黏度稳定期时长基本上等于溶解期与潜伏期之和,注浆工作应在浆液溶解期和稳定期进行。基于低场核磁共振成像的注浆监测平台,可以对被注岩芯施加0~30MPa的注浆压力,在0~40MPa范围内保持稳定围压,在0~80℃范围内保持稳定的注浆温度,实现对煤矿井下注浆工程中浆液扩散的实时、动态、精准成像监测模拟。高流态超早强注浆材料的浆液比普通水泥浆液具有优异的可注性。(3)制备了不同外加剂添加量、不同龄期标准试样,研究外加剂添加量对不同龄期的硬化超细水泥浆体的抗压强度、峰值应变、割线模量和残余强度的影响规律。利用低场核磁共振分析仪探测不同外加剂含量、不同龄期硬化超细水泥浆体的孔隙率和孔径分布。通过热重分析、差热分析、扫描电镜试验测试外加剂和龄期对硬化超细水泥微观结构的影响,揭示硬化高流态超早强注浆材料的超早强机理。结果表明:(1)高流态超早强注浆材料强度是由硬化超细水泥浆体内部的孔隙率和孔径分布、硬化超细水泥浆体的成分和微观结构这两大主要因素决定的。(2)添加质量分数从0到12%,硬化超细水泥浆体各龄期的强度在添加玻璃微珠时逐步降低,在添加超细硅灰时先增大后减小,在添加量8%时28d抗压强度提高了37.8%。添加纳米SiO_2既可以提高1d强度也可以提高28d强度,28d强度最大可提高98.8%。(3)添加纳微颗粒增强外加剂能够调节和优化硬化水泥浆体的孔隙率和孔径分布,提高其强度。(4)纳微颗粒增强外加剂的火山灰活性作用、结晶成核作用、填充作用,综合叠加,可以促进水化硅酸三钙凝胶结构的形成,减少了Ca(OH)_2板状结晶,起到了良好的增强效果。(4)在研究高流态超早强注浆材料流变特性的基础上,综合考虑浆液的黏度时变性、流变模式等浆液的时变参数,被注介质的孔隙率和渗透率的动态变化,综合考虑浆液在多孔介质中扩散时的流固耦合效应,采用COMSOL多物理场建模软件,研究分析高流态超早强注浆材料在松散煤岩体细微孔隙内渗流规律,结果表面:相同注浆压力作用下,流固耦合模型的平均扩散半径始终小于非流固耦合模型。在相同注浆压力作用下,平均孔隙率和渗透率随着注浆过程的进行而降低;平均孔隙率和渗透率随着注浆压力增大而减小。(5)针对顾北煤矿13116工作面风氧化带回采时顶板松散破碎容易冒顶的难题,建立针对顾北矿风氧化带顶板岩层渗透特性的基于浆液流变参数时变性的浆液扩散方程,进行了注浆工程设计,验证了高流态超早强注浆材料的工程效果,为该材料的工程应用提供了借鉴。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD353
【图文】：

粒径分布,纳米SiO2,粒径分布,超细水泥

于超细水泥的，普遍比超细水泥的颗粒还大，比超细水泥更难注入为细微裂隙煤岩体注浆材料的增强材料。图 2-2 玻璃微珠和超细硅灰与超细 1000 的粒径分布对比图e 2-2 Comparison of particle size distribution of glass beads and ultrafine silica fumultrafine 100001020304050607080901000 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60积分分布/%粒径/μm玻璃微珠普通硅灰超细1000 超细硅灰

浆液,流变仪

图 2-5 浆液制备Figure 2-5 Slurry preparation性测试ld 公司 DV3T 系列流变仪有四种装配有，分别是 DV3TLV、DV3TRV、DV3THA应的转子配合能测定一定的黏度范围。本选取 DV3THB 流变仪，配合 SC4-21 转剪切速率为 0~240s-1；在电脑上安装现电脑对 DV3THB 流变仪的所有操作控求平均的方法，剪切速率先由 0 升高到 2在浆液搅拌好后立即倒入烧杯中，静置 3再静置 30s 开始测量，采集数据。

流变仪,浆液,流变性

图 2-5 浆液制备Figure 2-5 Slurry preparation1.2 浆液流变特性测试美国 Brookfield 公司 DV3T 系列流变仪有四种装配有不同形变扭力系型号可供选择，分别是 DV3TLV、DV3TRV、DV3THA 和 DV3THB，的流变仪与对应的转子配合能测定一定的黏度范围。本试验中测定超细的流变特性时选取 DV3THB 流变仪，配合 SC4-21 转子，黏度测量范~400000mPa·s，剪切速率为 0~240s-1；在电脑上安装 Brookfield 公ocaclc T 软件，实现电脑对 DV3THB 流变仪的所有操作控制和自动数据采记录采用多点求平均的方法，剪切速率先由 0 升高到 236 s-1，然后由匀速降低到 0。在浆液搅拌好后立即倒入烧杯中，静置 30s 后移动烧杯使浆液并居中，再静置 30s 开始测量，采集数据。

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