專(zhuān)利名稱(chēng)：：一種注漿用低析水率早強(qiáng)水泥漿液的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明是涉及煤炭井筒地面預(yù)注漿
技術(shù)領(lǐng)域：
所用的一種水泥漿，特別是一種注漿用低析水率早強(qiáng)水泥漿液，適用于基巖風(fēng)化帶和斷層帶的注漿加固及堵水。
背景技術(shù)：
：煤礦井筒地面預(yù)注漿工程中，基巖風(fēng)化帶和斷層破碎帶需要注漿加固及堵水以改善其工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，防止鑿井中出現(xiàn)片幫和枬塌事故。水泥基漿液加固性能好，故地面預(yù)注漿工程中一直采用水泥漿作為基巖風(fēng)化帶和斷層破碎帶的注漿材料。目前煤炭井筒注漿深度大都已達(dá)到千米，為了保證漿液的可泵性和可注性，一般采用高水灰比水泥漿注漿加固，高水灰比保證了漿液的可注性，但同時(shí)也給注漿施工帶來(lái)了諸多不利影響。目前使用單液水泥漿在基巖風(fēng)化帶和斷層破碎帶注漿加固及堵水主要有兩個(gè)困難斷層阻水帶吸漿量小，單液水泥槳懸浮穩(wěn)定性差，在鉆孔內(nèi)沉降析水往往導(dǎo)致注漿失敗；斷層導(dǎo)水帶和風(fēng)化帶吸漿量大，由于單液水泥漿的擴(kuò)散距離不易控制，注漿過(guò)程中容易"跑漿"和"冒漿"，即使注入大量漿液也難以達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，注漿效果很難保證。由此可見(jiàn)，單液水泥漿不是處理斷層帶和風(fēng)化帶的有效注槳材料，主要表現(xiàn)在漿液懸浮穩(wěn)定性差，擴(kuò)散距離不可控。近年來(lái)工程實(shí)踐表明，單液水泥漿穩(wěn)定性差、擴(kuò)散距離不可控等弊端已成為制約深井注漿質(zhì)量和注漿效率的一個(gè)重要因素。針對(duì)單液水泥漿存在的上述問(wèn)題前人已采用了多種改性措施，但都是改進(jìn)漿液的單方面性能，一直沒(méi)有研制出可綜合調(diào)節(jié)單液水泥漿性能的復(fù)合外加劑。如摻入膨潤(rùn)土改善漿液的穩(wěn)定性，但是膨潤(rùn)土顯著降低了漿液流動(dòng)性，漿液流動(dòng)性和穩(wěn)定性這一矛盾很難調(diào)節(jié)；同時(shí)漿液初凝時(shí)間長(zhǎng)，漿液結(jié)石強(qiáng)度低、凝結(jié)硬化后體積干縮、耐久性差。如摻入氯化鈉和三乙醇胺改善漿液的早期強(qiáng)度，但配制的漿液仍為不穩(wěn)定漿液，抗水稀釋能力差，注漿過(guò)程中漿液不是全斷面推進(jìn)充填裂隙，而是依賴(lài)水泥顆粒的自然沉積以堵水，氯化鈉和三乙醇胺很難發(fā)揮作用，因此漿液的擴(kuò)散距離仍不可控，早期強(qiáng)度改善也不明顯。隨著井筒深度不斷增加，斷層帶和風(fēng)化帶注漿加固及堵水也隨之增多。
發(fā)明內(nèi)容為了克服單液水泥漿懸浮穩(wěn)定性差和擴(kuò)散距離不可控的不足，本發(fā)明提供了一種適應(yīng)斷層帶和基巖風(fēng)化帶水文地質(zhì)特征的復(fù)合水泥漿液。該水泥漿利用復(fù)合外加劑的物理化學(xué)作用，提高了水泥漿的懸浮穩(wěn)定性和結(jié)石體的早期抗壓強(qiáng)度；改善了漿液的流變特征，提高了漿液的動(dòng)切力，實(shí)現(xiàn)了漿液擴(kuò)散距離可控。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是該注漿用低析水率早強(qiáng)水泥漿液包括下組分，各組分按重量份計(jì)硅酸鹽水泥100份、水80120份、懸浮劑1040份、無(wú)機(jī)鈉鹽1份、有機(jī)醇類(lèi)早強(qiáng)劑0.030.l份。所述的硅酸鹽水泥為北京興發(fā)水泥有限公司生產(chǎn)的425號(hào)普通硅酸鹽水泥。本發(fā)明所選擇的懸浮劑是硅溶膠，硅溶膠屬膠體溶液，分子式為mSi02*nH20。硅溶膠是由北京市紅星廣廈化工建材有限責(zé)任公司提供的，型號(hào)為2030。硅溶膠水泥漿中摻入硅溶膠后會(huì)立刻與水泥水化時(shí)產(chǎn)生的Ca(0H)2發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)，生成大量的硅酸鈣并析出二氧化硅膠體，由于膠體粒子微細(xì)(10-20nm)，有相當(dāng)大的比表面積，其吸附性強(qiáng)從而建立了一種絮凝結(jié)構(gòu)，可顯著改善了漿液的懸浮穩(wěn)定性，水灰比2時(shí)漿液析水率由58%降低到5%。所以，漿液在初期主要是硅溶膠與氫氧化鈣的反應(yīng)起主要作用，對(duì)漿液流變性能影響也較大。所述的無(wú)機(jī)鈉鹽為碳酸鈉。所述的有機(jī)醇類(lèi)早強(qiáng)劑為多聚醇胺、三異丙醇胺或二乙醇胺，其與碳酸鈉形成復(fù)合早強(qiáng)劑，促進(jìn)后期水泥水化。本發(fā)明的一個(gè)重要特征是懸浮劑與復(fù)合早強(qiáng)劑有很好的相容性，前期硅溶膠快速建立了絮凝結(jié)構(gòu)，保證了漿液的懸浮穩(wěn)定性，提高了漿液的抗水稀釋能力，為復(fù)合早強(qiáng)劑發(fā)揮作用提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。因此，前期硅溶膠對(duì)水泥水化歷程影響較大，復(fù)合早強(qiáng)劑主要是在后期促進(jìn)4了水泥本身水化反應(yīng)?？傊?，懸浮劑與復(fù)合早強(qiáng)劑共同作用顯著影響水泥的水化歷程，進(jìn)而改善了漿液的懸浮穩(wěn)定性、流變性能及早期抗壓強(qiáng)度。本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明的注漿用低析水率早強(qiáng)水泥漿液液懸浮穩(wěn)定性好、擴(kuò)散距離可控、早期強(qiáng)度高，同時(shí)具有良好的流動(dòng)性。漿液在擴(kuò)散中壓力損耗大，擴(kuò)散半徑可有效控制，適用于構(gòu)造大裂隙和基巖風(fēng)化帶注漿加固及堵水。具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例分別從漿液基本物理力學(xué)性能、漿液水化歷程、流變性能說(shuō)明漿液的優(yōu)越性。使用lOOmL量筒測(cè)量漿液的析水率、維卡儀測(cè)量漿液的凝結(jié)時(shí)間、水化熱分析儀測(cè)量漿液的水化熱溫升曲線、NXS-11A型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量漿液的流變性能。實(shí)施例1、本實(shí)施例的煤炭井筒注漿用低析水率早強(qiáng)水泥漿液由下列組分組成425號(hào)普通硅酸鹽水泥100kg、水80kg、硅溶膠10kg、碳酸鈉lkg、二乙醇胺0.03kg。本實(shí)施例的水泥漿液析水率為O，初凝時(shí)間為4.5h，終凝時(shí)間為5.4h。為了進(jìn)一步表征漿液的早強(qiáng)性能，測(cè)量了漿液結(jié)石體的小時(shí)抗壓強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表l。漿液早期抗壓強(qiáng)度表表1<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>由表l可以看出，漿液早期強(qiáng)度明顯提高，在6h結(jié)石體抗壓強(qiáng)度即可達(dá)到0.32MPa，12h抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.5MPa以上。外加劑的加入對(duì)水泥水化歷程有明顯影響，水泥水化放熱量的多少與水泥的水化程度有著必然聯(lián)系。采用多通道高效自動(dòng)水化熱測(cè)定儀，通過(guò)在線采集漿液的水化熱溫升曲線，分析復(fù)合外加劑對(duì)槳液水化歷程的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三種外加劑復(fù)摻后，顯著促進(jìn)了漿液的水泥水化歷程，復(fù)合后水化熱曲線峰值出現(xiàn)時(shí)間顯著提前，僅10.8h，水泥水化峰值為43.5°C。受注巖體的地質(zhì)情況是客觀存在的，那么通過(guò)調(diào)整注漿材料的流變性能來(lái)控制漿液的擴(kuò)散距離是最有效的手段。應(yīng)用成都儀器廠生產(chǎn)的NXS-11A型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，系統(tǒng)地研究了漿液流型，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。漿液流變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)表表2轉(zhuǎn)速檔讀數(shù)/格轉(zhuǎn)速檔讀數(shù)/格7117.23.1789.761928.436.8916.1172184.31310.215103151.8817.5933195.67510.7831132.463.5618.387419.87.38711.2371235.286.2619.97652110.2211.9181339.2113.522.246623.415.8913.2801442.2147.623.949725.221.5714.3011548.6204.327.581827.228.3815.436備注1)B系統(tǒng)對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其流變方程為^=11.54+0.087^，相關(guān)系統(tǒng)r=0.97086，得出漿液的初始動(dòng)切力r。-11.54Pa，塑性粘度;;=87mPas。實(shí)施例2、本實(shí)施例的煤炭井筒注漿用低析水率早強(qiáng)水泥漿液由下列組分組成425號(hào)普通硅酸鹽水泥100kg、水80kg、硅溶膠12kg、碳酸鈉lkg、三異丙醇胺0.08kg。本實(shí)施例的水泥漿液析水率為0%,初凝時(shí)間為4.3h，終凝時(shí)間6為5.2h。為了進(jìn)一步表征漿液的早強(qiáng)性能，測(cè)量了漿液結(jié)石體的小時(shí)抗壓強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。漿液早期抗壓強(qiáng)度表表3<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>由表3可以看出，漿液早期強(qiáng)度明顯提高，在6h結(jié)石體抗壓強(qiáng)度即可達(dá)到0.4MPa，12h抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.8MPa以上。在線采集漿液的水化熱溫升曲線結(jié)果表明，水化熱曲線峰值出現(xiàn)時(shí)間顯著提前，僅10.2h，水泥水化峰值為44.75°。。應(yīng)用成都儀器廠生產(chǎn)的NXS-11A型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，系統(tǒng)地研究了漿液流型，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。槳液流變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)表.表4<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>備注1)B系統(tǒng)對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其流變方程為7=11.64+0.086^，相關(guān)系統(tǒng)r=0.97147，得出漿液的初始動(dòng)切力r。=11.64Pa，塑性粘度;=86fftPfl。■實(shí)施例3、本實(shí)施例的煤炭井筒注漿用低析水率早強(qiáng)水泥槳液由下列組分組成425號(hào)普通硅酸鹽水泥100kg、水100kg、硅溶膠36kg、碳酸鈉lkg、二乙醇胺0.06kg。本實(shí)施例的水泥漿液析水率為1%，初凝時(shí)間為5.3h，終凝時(shí)間為5.8h。為了進(jìn)一步表征漿液的早強(qiáng)性能，測(cè)量了漿液結(jié)石體的小時(shí)抗壓強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。漿液早期抗壓強(qiáng)度表表5抗壓強(qiáng)度/MPa6h7h8h10h12h15h18h21h0.240.411.21.543.564.244.926.1224h27h30h33h36h39h42h45h6.486.567.147.257.898.128.248.4548h51h54h57h60h63h66h72h8.488.659.19.159.219.469.5210.2由表5可以看出，漿液早期強(qiáng)度明顯提高，在6h結(jié)石體抗壓強(qiáng)度即可達(dá)到0.2MPa，12h抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.5MPa以上。在線采集漿液的水化熱溫升曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水化熱曲線峰值出現(xiàn)時(shí)間顯著提前，僅10.8h,水泥水化峰值為43.85。C。應(yīng)用成都儀器廠生產(chǎn)的NXS-11A型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，系統(tǒng)地研究了漿液流型，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。8漿液流變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)表表6<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>備注1)基準(zhǔn)水泥2)B系統(tǒng)對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其流變方程為7=10.26+0.028^，相關(guān)系統(tǒng)r=0.96291，得出漿液的初始動(dòng)切力7。=10.26&，塑性粘度77=287w尸fls。實(shí)施例4、本實(shí)施例的煤炭井筒注漿用低析水率早強(qiáng)水泥漿液由下列組分組成425號(hào)普通硅酸鹽水泥100kg、水100kg、硅溶膠40kg、碳酸鈉1.5kg、多聚醇胺O.lkg。本實(shí)施例的水泥漿液析水率為0%，初凝時(shí)間為5.lh，終凝時(shí)間為5.8h。為了進(jìn)一步表征漿液的早強(qiáng)性能，測(cè)量了漿液結(jié)石體的小時(shí)抗壓強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。漿液早期抗壓強(qiáng)度表表7<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>由表7可以看出，漿液早期強(qiáng)度明顯提高，在6h結(jié)石體抗壓強(qiáng)度即可達(dá)到0.3MPa，12h抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.9MPa以上。通過(guò)在線采集漿液的水化熱溫升曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水化熱曲線峰值出現(xiàn)時(shí)間顯著提前，僅10.4h,水泥水化峰值為44.2'C。應(yīng)用成都儀器廠生產(chǎn)的NXS-11A型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，系統(tǒng)地研究了漿液流型，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表8。漿液流變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)表表8<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>備注1)B系統(tǒng)對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其流變方程為7=10.55+0.030/，相關(guān)系統(tǒng)r=0.96012，得出漿液的初始動(dòng)切力7"。-l0.55Pa，塑性粘度;;=30w戶(hù)as。對(duì)比例l、本對(duì)比例的煤炭井筒注漿用單液水泥漿由下列組分組成425號(hào)普通硅酸鹽水泥100kg、水80kg。本實(shí)施例的水泥漿液析水率為7%，初凝時(shí)間為llh，終凝時(shí)間為14h。漿液水化熱曲線峰值出現(xiàn)時(shí)間為18.6h，水泥水化峰值為35.4。C。漿液屈服強(qiáng)度4.16Pa，塑性粘度3.l余"對(duì)比例2、本對(duì)比例的煤炭井筒注漿用單液水泥漿由下列組分組成425號(hào)普通硅酸鹽水泥100kg、水100kg。本實(shí)施例的水泥漿液析水率為18%，初凝時(shí)間為15.5h,終凝時(shí)間為18h。漿液水化熱曲線峰值出現(xiàn)時(shí)間為21.6h，水泥水化峰值為33°C。漿液屈服強(qiáng)度3.96Pa，塑性粘度2.7m&."權(quán)利要求1、一種注漿用低析水率早強(qiáng)水泥漿液，其特征在于包括下組分，各組分按重量份計(jì)硅酸鹽水泥100份、水80～120份、懸浮劑10～40份、無(wú)機(jī)鈉鹽1份、有機(jī)醇類(lèi)早強(qiáng)劑0.03～0.1份。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的注漿用低析水率早強(qiáng)水泥漿液，其特征在于所述的硅酸鹽水泥為425號(hào)普通硅酸鹽水泥。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的注漿用低析水率早強(qiáng)水泥漿液，其特征在于所述的懸浮劑為硅溶膠。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的注漿用低析水率早強(qiáng)水泥漿液，其特征在于所述的無(wú)機(jī)鈉鹽為碳酸鈉。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的注漿用低析水率早強(qiáng)水泥漿液，其特征在于所述的有機(jī)醇類(lèi)早強(qiáng)劑為三異丙醇胺、二乙醇胺或多聚醇胺。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種注漿用低析水率早強(qiáng)水泥漿液。該煤炭井筒地面預(yù)注漿用穩(wěn)定早強(qiáng)水泥漿液包括下組分，各組分按重量份計(jì)硅酸鹽水泥100份、水80～120份、懸浮劑10～40份、無(wú)機(jī)鈉鹽1份、有機(jī)醇類(lèi)早強(qiáng)劑0.03～0.1份。該水泥漿利用復(fù)合外加劑的物理化學(xué)作用，提高了水泥漿的懸浮穩(wěn)定性和結(jié)石體的早期抗壓強(qiáng)度；改善了漿液的流變特征，提高了漿液的動(dòng)切力，實(shí)現(xiàn)了漿液擴(kuò)散距離可控。文檔編號(hào)C04B28/04GK101628800SQ200910091459公開(kāi)日2010年1月20日申請(qǐng)日期2009年8月25日優(yōu)先權(quán)日2009年8月25日發(fā)明者瑩吳,宋雪飛,潤(rùn)徐,王正勝,籍曉龍,袁東鋒,軍鄭申請(qǐng)人:北京中煤礦山工程有限公司