[发明专利]一种适用于超长距离泵送的灰岩含水层注浆改造材料

说明书

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，涉及一种适用于超长距离泵送的灰岩含水层注浆改造材料。

背景技术

近年来，随着煤炭开采逐渐向深部发展，奥陶系灰岩水害问题不断凸显，特别是在煤炭开采过程中，极易发生以煤层底部奥陶系岩溶水为水源的突涌水事故，严重影响煤炭资源的安全高效开采。注浆作为预防和治理奥陶系灰岩水危害的有效方式，通过提高隔水层厚度和防水性，或将含水层改造为隔水层，在矿井建设和煤炭开采中获得了广泛应用。由于该方法注浆材料使用量具大，且受井下环境空间限制，均采用地面制浆经长距离泵送至工作面钻孔的方式进行。传统的水泥材料因价格较高导致工程造价巨大，矿井企业难以承受；水泥-黏土浆液由于其结石体抗渗性较差，强度较低，难以抵抗高压地下水的作用，且需消耗土地资源，不能保证治理效果；水泥-粉煤灰、水泥-黏土-粉煤灰等复合材料由于浆液稳定性差，极易造成管道或钻孔堵塞，难以实现长距离泵送，且其结石体在地下水侵蚀作用下后期强度出现降低现象；化学类浆液不仅价格高，在长距离输送过程中极易挂壁阻塞管道，特别在大埋深灰岩含水层注浆改造施工过程中，由于受到温度梯度大幅变化、高温高压的影响，现有的注浆材料难以满足加固要求，易出现加固失败或地下水污染的问题。

专利文件CN201310045985.5公开了一种用于地下结构堵水的注浆材料及其制备方法，采用水玻璃(硅酸钠)和硅酸盐水泥作为超细矿渣粉的激发剂，用高效减水剂降低注浆料的用水量，用纤维素醚作为注浆材料的保水剂、触变剂和增稠剂。但其浆液易堵塞注浆管，搅拌后的浆液必须在30分钟内使用完毕，难以实现长距离输送，水玻璃作为激发剂受温度影响严重，在具有高温高压特点的深部灰岩含水层注浆改造工程难以广泛应用。

发明内容

现有研究中由于未充分考虑灰岩含水层温度梯度变化和高温高压条件对注浆材料的影响，导致注浆效果不理想，本发明综合分析灰岩含水层的地质特征后发现：对于灰岩含水层而言，在较宽温度范围内或高温高压条件下保持浆料性质的稳定对实现含水层注浆改造效果具有重要意义。

基于上述理论，本方明开发了一种适用于超长距离泵送的灰岩含水层注浆改造材料，该种材料不仅具有浆液稳定性好、抗渗性强、可长距离泵送、价格低廉、环保无毒的优点，而且能够在较宽温度范围内或高温高压条件下保持浆液性质的稳定，实现对灰岩含水层有效的注浆改造效果。

硫铝酸盐水泥熟料具有水化速度极快、体积微膨胀的特点，但存在抗水冲刷性、抗酸性侵蚀及与活性引发剂适应性差的问题，为克服上述缺点，本发明通过调控水泥熟料粒径和引发剂的优选，改善了水泥熟料颗粒级配和表面性能，控制水泥熟料颗粒与水的接触方式和反应速率，提高水泥熟料与引发剂的相适应性，节省引发剂用量。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种适用于超长距离泵送的灰岩含水层注浆改造材料，其特征是，各组分重量份数如下：煤矸石为65-70份，硫铝酸盐水泥熟料为20-25份，钢渣微粉8-15份，外掺活性引发剂9-12份；所述外掺活性引发剂中，各组分重量份数如下：明矾13-19份，滑石粉20-28份，瓜尔胶8-13份，羟丙基甲基纤维素5-8份，石膏粉40-55份。

硫铝酸盐水泥熟料为水硬性胶凝材料，其与水反应后生成钙矾石和CSH凝胶，CSH凝胶是结石体强度的主要来源，能够将材料其他组分紧密胶结在一起，提高材料结石体粘接能力和抗渗性能。

其中，当硫铝酸盐水泥熟料的含量低于20重量份时，结石体强度较低、致密度和抗渗性能不良。如果硫铝酸盐水泥熟料的含量高于25重量份，则会导致成本升高。本发明已确认了下述结果：如果硫铝酸盐水泥熟料的含量在20重量份以上且25重量份以下的范围时，

浆液结石体密度和抗渗性能能够满足工程需求。

羟丙基甲基纤维素能在材料颗粒表面产生表面活性和极性作用，减弱材料粒子间的凝絮团聚，同时自身具有保水性能；选用瓜尔胶与羟丙基甲基纤维素共同作用，可提高浆液的和易性，使浆液不易分层离析，保证浆液具有较高的工作性能，还可以提高浆液的粘度和动水冲刷时浆液留存率。当羟丙基甲基纤维素的含量低于5重量份时，浆液保水性能降低，和易性变差，易分层离析。羟丙基甲基纤维素的含量高于8重量份时，导致浆液凝结时间变长，且粘度过高，不利于浆液的在长距管路中离泵送和地层中扩散。因此，本申请中将羟丙基甲基纤维素的加入量限定在8重量份以下，因此不会产生上述问题。