[发明专利]一种低渗抗分散岩石渗透改性材料

说明书

本发明公开一种低渗抗分散岩石渗透改性材料，包括以下组分(以质量份数计)：超细硅酸盐水泥60～100份，石墨烯0.018～0.04份，超细粉煤灰12～30份，聚丙烯酰胺1.2～3.0份，高性能减水剂0.3～1.5份，水36～80份，煤矸石0～220份。本发明中石墨烯(GO)、超细粉煤灰的加入可对改性岩石中微米/纳米级孔隙进行填充，降低岩石渗透性。同时超细粉煤灰中的SiO₂、Al₂O₃能够消耗水泥水化反应产生的Ca(OH)₂，减少水环境下Ca(OH)₂溶解后材料孔隙生成量，提高材料抗渗性能。聚丙烯酰胺(PAM)作为线型高分子聚合物，与石墨烯、超细粉煤灰中的SiO₂反应，生成GO/PAM/SiO₂复合水凝胶，能够对改性材料中胶体或微粒进行絮凝，提高材料抗水分散能力。

技术领域

本发明涉及矿山保水开采技术领域，具体涉及一种低渗抗分散岩石渗透改性材料。

背景技术

近年来，煤炭开采中的水资源保护问题越来越引起国家层面的高度重视，保水开采也成为了煤炭行业可持续发展的客观要求和必然选择。而地层中原生孔隙(裂隙)的存在，以及煤炭开采引起的次生裂隙，造成岩层渗透性升高和隔水能力降低，进而引发水资源流失和生态环境破坏等。特别是对于水资源匮乏和生态环境脆弱的中国西北部地区以及高承压(水压)条件下的煤炭开采而言，上述问题则更为突出。以煤矿高底板承压水上采煤为例，在采动引起的加卸载作用下，底板岩层发生移动变形，岩层中裂隙逐步经历从萌生、到扩展、再到贯通等过程，并形成导水通道。导水通道的存在一方面可作为含水层的赋水介质，增加其富水性；另一方面可成为底板水流失通道，在采动诱导下引起水资源流失。特别是在高承压水条件下，高水压会进一步冲刷和劈裂导水裂隙，扩大导水裂隙开度，加剧水资源流失程度。注浆改性作为保水开采的有效途径之一，其前提是岩石渗透改性材料的研制。

目前，常用的改性材料主要有水泥基材料和化学基材料，水泥基材料具有来源广、强度高、价格低廉等优势，被广泛用于各类地下注浆工程，例如CN 109293262 B和CN110255993 B。但是由于水泥颗粒粒径较大，在岩体孔隙和微裂隙中的可注性较差，岩石抗渗性提高程度受限。而以水性聚氨酯、马丽散等为代表的高分子化学材料，虽然其粒径大小满足可注性要求，但材料成本高、经济适用性差。同时高分子化学材料多含有有害物质，在地下水流场作用下，发生水化学反应，导致有害元素发生迁移，对地下水水质和水环境造成不利影响。此外，上述改性材料在高水压作用下会因吸水效应和冲蚀作用而发生一定的稀释离散，从而降低浆液粘结性，弱化岩石孔隙或裂隙封堵充填效果，影响岩石改性效果。

因此，对于岩石孔隙或微裂隙渗透改性而言，需要研发颗粒直径小、注入性强、扩散效果好的新型改性材料；而对于高水压条件，则需要确保岩石渗透改性材料具有良好的粘结性和抗分散能力。

发明内容

本发明针对上述改性材料存在的不足，提供一种低渗抗分散岩石渗透改性材料。该岩石渗透改性材料具有良好的孔隙或微裂隙注入性和高水压作用下的抗分散性，对岩石中微米/纳米级孔隙进行填充，降低岩石渗透性。

为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：

本发明的另一个目的是提供一种低渗抗分散岩石渗透改性材料，所述的改性材料包括以下组分(以重量份数计)：超细硅酸盐水泥60～100份，石墨烯0.018～0.04份，超细粉煤灰12～30份，聚丙烯酰胺1.2～3.0份，高性能减水剂0.3～1.5份，水36～80份，煤矸石0～300份。

进一步地，所述超细硅酸盐水泥粒度为1340～1800目。

进一步地，所述石墨烯为纳米级单层石墨烯，片层厚度小于2nm，片层直径0.1～0.5um，且所述石墨烯含量占比为所述超细硅酸盐水泥的0.03％～0.04％。