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煤矿注浆堵水加固采用XPM纳米灌注剂
双击自动滚屏 发布者:admin 发布时间:2010-3-15 16:26:52 阅读:3763次 【字体:

 

煤矿注浆堵水加固采用XPM纳米灌注剂

 

王芳   闫玮   胡效生

 

(山西鼎力纳米科技有限公司  山西  030006

 

 

      一种超细粉磨纳米级沸石外加剂,掺入水泥水化后,使水泥的功能提高15倍,减少50%加水量,不

 

          离析、不沉淀、和易性好,抗渗提高5倍、抗压提高3倍、耐腐蚀530倍,在井筒下沉加固各种带水

作业的密闭
墙及超前注浆治水中效果很好。


关 键 词  注浆、新材料、纳米、XPM、注浆工艺、使用结果

 

1    


    煤矿水害影响矿山工程施工的进度和质量,恶化工人的劳动环境,增加矿山的排水设施及排水费用,给煤

矿生产带来了不安全因素,严重者甚至发生淹井事故,造成生命和财产的重大伤亡损失。我国煤田水文地质条件

复杂,目前约有18%待开采煤炭储量受到较为严重的水害威胁,对其进行防治工作具有减轻矿井排水负担,节省

排水用电,降低吨煤成本,提高工效和质量,如果提前预防,采用水层预先防治的方法,加固治理井巷含水的薄

弱地段,减少突水机率,延长矿井服务年限的明显优点,在传统注浆工艺中,材料质量成为井巷治水的关键问

题。

 

2   注浆工艺与材料

 

    注浆工艺是在受注工作面钻出深浅不同、直径不同的孔,用高压注浆泵,将水泥无机材料或有机材料送入

岩层、土层裂隙中,达到封堵裂隙和加固岩土层的目的。


    注浆堵水作为注浆技术的分支,是随着注浆技术的发展而发展的,注浆堵水技术作为工程技术的一个新领域

不过只有一百年历史,1802年法国首次把注浆技术应用于修复挡潮闸,英国于1856年第一次将水泥用于注浆,

1882
年、1920年相继研制了气动注浆机和水玻璃一氯化钙化学浆液,此后又相继研制出铬木素,丙烯酯胺等浆材,

二十世纪四十年代以来,各种化学浆液(如木质素类、脲醛树脂类、聚氨脂类)和磨细水泥相继问世,将注浆堵水

技术推向一个新的高度,但基于有机和无机,污染和环保这个课题,如何改性水泥的性能,达到少花钱效益高的

动机,山西混凝土新型材料厂加大了科研力度,于2004年立项研究XPM纳米灌注剂这个课题,旨在研究无机中性

水泥外加剂来解决孔隙隔水,快速凝固,湿陷性土层加固超前注浆,疏松岩体超前加固,淤泥层、含水层注浆加

固,锦屏电站3.5 m3/分,2.5Mpa压力的壁后暗河封堵,岩体加固的环保注浆,裸体井筒帷幕注浆治水,奥灰水

的注浆封堵,取得了优异成绩,并在采用XPM纳米灌注剂同时建立了特定的注浆理论、注浆工艺和治理方案,从

而将我国乃至世界注浆技术领域与应用引入一个鼎盛时期,使有机与无机材料的层次明显区别,经济社会效益显

著,并在使用XPM纳米灌注剂的过程中顺应不同工程要求,采用不同工艺方法,形成一个注浆的操作规程和方

法,为我国岩土工程,井巷隧道工程,水利工程、军工工程中的广泛使用,经济社会效益十分可观。

 

3   注浆堵水技术状况


    注浆堵水技术包括材料,设备的硬件工艺,参数和计算理论的软件两种。

 

4   XPM纳米外加剂

   
   
以前煤矿井巷堵水注浆材料大都选用水泥类浆材配合水玻璃注浆,主要原因成本低、来源广泛,由于水泥水

玻璃硬化后体积收缩产生裂隙,三个月由于水泥水玻璃水化后产生化学钠离子反应,钠是直接破坏硬化水泥石的

结构,所以便引起二次复出水的现象并污染地下水源。从70年代初,美国、日本已明令禁止使用水玻璃注浆,有

机材料如聚稀酰胺、木质素注浆,单性能材料所以解决注水十分困难,而XPM纳米灌注剂是无机材料领域中的佼

佼者。
 


5   XPM
纳米灌注剂作用机理


5.1  XPM
纳米灌注剂性能


   XPM
纳米灌注剂是沸石采用超细粉磨的无机、中性、多效多功能外加剂。XPM比重为150-180kg/m3,粒径327.7

×10-9,约9000目,吸铵值为108mm01/100gXPM纳米灌注剂中的活性氧化硅和活性氧化铝参与水泥胶凝材料的

水化和凝结硬化过程,且能与水泥水化时析出的游离氢氧化钙反应,生成水化硅酸钙及水化铝酸钙,促进水泥水

化反应的进程。磨细粒度为327.7×10-9m,是水泥颗粒的1/100。由于超细粉磨的过程中,碰撞产生的内能和表面

能。在水泥浆体中主要由Ca(OH)2C-S-H凝胶组成,这两种性质将对水化水泥浆体有举足轻重的影响。Ca(OH)2

毛细管腔中成核并生长,它的存在不仅使水泥浆体凝固体变酥变软,而且促使不稳定C-S-H凝胶体分解。由于纳

米材料具有特殊的表面效应、体积效应和量子隧道效应,表现在其具有和常规材料不同的光、电、磁等物理性

质,因而引起了人们的极大关注,而纳米粉体的制备是纳米材料科学的基础。

 

表一  XPM纳米灌注剂化学成份(质量分数1%

 

成份

产地

SiO2

AL2O

FeO3

FeO

CaO

MgO

K2O

NaO

河北

66.63

13.28

2.38

0.34

3.28

1.35

2.48

1.40

安徽

69.00

8.63

1.91

——

3.14

——

——

——

新拌水泥浆的微观结构表明,C-S-H凝胶的增加,有助于系统强度的提高,其原因是它能填充毛细孔,而XPM

纳米灌注剂恰恰能与水化水泥浆体中的Ca(OH)2反应,其产物是C-S-H凝胶,消耗了Ca(OH)2,并生成C-S-H,均使

体系的强度大大提高。(见表二)

 

表二 Ca(OH)2被消耗情况(%

 

   

不同龄期Ca(OH)2体积百分比

7

28

90

硅酸盐水泥

150

169

189

硅酸盐水泥+XPM

107

79

42

 

XPM的比重150公斤/立方,颗粒是水泥颗粒1/100,它填充在体系颗粒之间的空隙,减少了拌合水,从而改变

水泥浆体的孔结构,大孔(大于100Å25%)少,小孔(小于100Å75%)多,故密实性好,强度、抗渗、收缩、

耐久性均优于空白的水泥浆体和结石体。XPM由于采用沸石的火山灰岩磨细而成,化学活性较水泥提高2-3倍,布

朗运动活泼,在与水泥浆体中的Ca(OH)2反应生成C-S-H凝胶的过程中,凝胶增多,故聚合力大增,两种物质反应

使浓度梯度增加而促凝,凝胶分子为1nm,这样可使水泥浆液可注入到0.01mm孔隙裂隙中去。(见表三)

 

表三  孔隙率和孔机配测试结果

   

孔径Å

孔径分布

孔体积(cm2g

孔百分率%

XPM水泥浆液

5000-1000

00002

04

100-100

00388

225

100-18

00138

262

空白水泥浆液

10000-5000

00006

07

5000-1000

00018

21

1000-100

00683

196

100-18

00153

176

5.2   XPM纳米灌注剂对水泥物理性能的影响


1)、明显促凝和优异减水功能(见表四)

表四  凝结时间检测和减水率表

 

序号

空白水泥

g

XPM

g

加水量(ml)

初凝终凝

流速

s

减水率%

1

100

——

80

1320

35

XPM

减水率35%-37%(其中粘滞系数不等)

2

100

——

100

1410

37

3

100

——

150

152

42

4

100

——

200

1725

48

5

90

10

70

1310

27

6

90

10

60

1025

25

7

90

10

50

835

144

8

90

10

45

740

175

   

表五  空白和XPM浆液抗压强度表

 

序号

空白水泥

浆液水灰比

灌浆材料配合比

收缩值

(公分)

抗压强度(mpa

28

1

1:0.8

——

1.3

16.2

2

1:1

——

2.2

14.7

3

XPM

0.9+0.1:0.45

75.5

 

备注:准确计量时中国大戏院32.5#水泥强度注浆结石体可达76.5mpa(采用32.5P·O水泥)



    从表五检测情况得知,采用XPM水泥浆是不掺XPM空白水泥浆液的1-3倍。凡采用XPM凝结时均提前1/3时间,

流速快不离析,不收缩。


2 XPM对水泥浆液耐久性影响


    由于XPM是无机中性矿物外加剂,掺入浆液中,消耗氢氧化钙,减水率达35%-37%,抗压提高2-3倍,抗渗

P40
,提高8倍,耐腐蚀提高5-30倍,将原有的耐久性提高2-3倍。是工程永久性质量的首选材料。


   5.3    XPM
纳米灌注剂技术指标

(一)      高强  70MPa

(二)      掺量(水泥重量)   10%

(三)      无收缩,膨胀率   0.018

(四)      流速快 14.4S  ( 17.5S)

(五)      离子交换率高(水泥5倍),结石体强度好


   5.4  
注浆工艺图

 

①储浆桶   ②阀门  ③灌浆泵  ④压力表  ⑤排气管  ⑥止浆塞  ⑦钻孔

5.5    注浆法


    注浆方法很多,从脉状注浆到渗透注浆、复合注浆等,综合注浆法是从无压注浆到通电、抽水、压气、喷

射、旋喷等多种诱导注浆法,从钻杆锚固注浆、双管胀腔式注浆、储能复合注浆、布袋注浆、袖管阀注浆、以水

顶浆注浆、爆破注浆等多种形式综合注浆技术,通过以上的方法和孔内爆破,大大提高了同等条件下浆液的可注

性,扩大注浆适用范围。


    5.6    XPM
外加剂与注浆工艺、


    传统的水泥注浆法由于水泥颗粒大,可注孔隙开度为5㎜,而掺入XPM可注孔隙开度为0.01㎜,其原理是XPM

与水泥浆体中占体积25%Ca(OH)2反应生成C-S-H凝胶,其分子直径为1纳米,所以能进入0.01mm孔隙开度。


    采用XPM纳米灌注剂可以采用低压0.6Mpa(相当于纯水压2.6 Mpa)低水灰比0.45(与11流动度相同)不离

析,28天抗压强度为70 Mpa左右。可渗透到土层颗粒中去。

 

6   工程实例


    6.1
锦屏交通洞治水


    锦屏电站交通洞3.5 m3/分壁后暗河涌水治理,是目前仅有的治水难题,地质构造复杂,水压3.0 Mpa,喷

出水在15米左右,30㎜锚杆孔,每秒涌水50升。我们采用XPM堵漏剂堵住裂隙水并播导管,再用XPM纳米灌注剂湿

喷砼35分做岩面护壁,然后采用水泥、XPM纳米灌灌注剂配合XPM液态速凝剂,注双液浆堵水,凝结时间调整为5

秒凝固,最后在喷层面岩面上20延米隧道一侧打了511米不同的深浅孔注浆,浆液在在水中不分散的情况下将

岩体加固,达到了壁后暗河充填治理的良好效果,最后将这一国际治水难题辅助洞西站  线BK4+750BK4+756

验涌水段堵水治理,取得了优异成绩,在材料、工艺、机械施工技巧上取得了一整套方案。获得二滩公司领导好

评,科研成果上报国务院。


    6.2 
屯留矿508井筒下沉加固


    潞安矿务局,屯留矿井筒因地基为25淤泥层,15含水层而导致井筒下沉8米,地面起鼓,如不治理井筒

报废。


    采用XPM纳米灌注剂对其淤泥层和含水层注浆,采用42.5#PO水泥,经过40米、15米、25米深孔单液注浆,稳

定了井筒基础,抑制了下沉。因为掺入了XPM浆液不离析不沉淀、不收缩,抗压强度28天达到5360Mpa解决了了

井筒加固的疑难课题。


    6.3 
国家大戏院环保注浆采用XPM


    国家大戏院是由法国人设计的,环保注浆由中国水利水电科学研究院陈宛平、肖田元教授二人主持对环保进

行注浆,采用32.5#PO水泥XPM纳米灌注剂配制成浆液,水灰比0.380.4028天抗压强度为768Mpa ,不收缩,

微膨胀,开矿了我国乃至世界无机材料灌浆的新纪元。


    XPM
外加剂广泛用于煤矿井巷地铁二衬注浆,佛子岭锦屏电站支护湿   注浆堵漏,土建地基加固,  州防洪

堤,垃圾场防水层,核废废料固化,军队弹药库,王家坝防洪大桥保德大桥的加固和喷射取得十分良好的社会经

济效益。

 

参考文献:1、《新技术》                         人民交通出版社

          2、《XPM外加剂研究及其在工程中运用》  527  王芳

          3、《广州地铁长寿路车站深基坑开挖淤泥稳定性加固处理》  384    邱小佩

          4、特种水泥和新品种水泥       A.KChatterjee(印度)

          5、水泥和凝胶材料的水化化学  F.Massazzayid(意大利)      M.Daimon(日本)

作者简介:

王芳,男,厂长,高级工程师,从事XPM系列产品研产销的工作,中国材料研究学会高级会员,中国岩土锚固协会会员,中国土木学会会员,中国管理科学研究院高级会员。

电话:03517057801

 

 
 

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