再生顶板新型灌浆材料研制

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1、再生顶板新型灌浆材料研制第一章绪论1.1选题意义现代社会，生活质量水平不断的被提高，能源越来越成为人们不可或缺的一部分，而现阶段社会的大部分能源主要是于不可再生资源。其中，我国绝大部分地区主要依靠煤炭获取能量。而且不论是煤炭、铁矿等固相资源还是石油、天然气等液气资源，都需要依靠大量的地下工程技术给予有效安全开采。在地下工程的应用中，灌浆技术占有重要地位，对地层具有填充防水堵漏、加固等作用，维护地下工程的安全与稳定。而灌浆材料是灌浆技术的基础，其性能的好坏对工程质量具有显著影响。因此，有必要对灌浆材料进行重点研究。灌浆技术可分为灌浆工艺、灌浆材料和灌

2、浆设备。灌浆材料种类简单性能稳定能够降低灌浆工艺和设备要求，减少成本提高效率，是灌浆技术中不可缺少的组成部分。灌浆材料被注入地下工程中随着化学反应进行不断胶结硬化，填充孔隙包裹岩体隔绝空气，起来防渗堵漏防火灭火的作用。可见，灌浆材料的正确选择是保证工程安全有效的关键。我国的煤炭资源丰富，其中厚煤层储量和产量约占原煤总储量和总产量的45％左右。而对于地下厚煤层的开采，通常以厚分层开采为主。其中，为了预防顶分层开采过程中采空区自然发火，并促使再生顶板生成，保证工作面安全稳定，提高煤矿回采率，采空区灌浆是切实可行的途径。现阶段，各大矿区通常采用粘土灌浆，

3、但是用粘土为灌浆材料时，其费用相对较高、耗费大量的土地资源，形成的再生顶板胶结层强度低、稳定性差，易塑性变形，使顶板出现较大的离层下沉等缺陷。石灰的保水性、可塑性好，常被用来改善砂浆的保水性。而且经过大量的研究和实践证明灰土经过一定比例设计和一定时间夯实后能作为地基承担很大压力，古代灰土棺墓经过一定时间后强度可达8~10MPa。因此有必要开展石灰和黄土为主体组分灌浆材料的研究工作，开发出新型的灌浆材料。.1.2灌浆材料研究现状灌浆材料就是在一定的外界压力条件下，将具有一定胶结性、流动性的材料注入岩土地基、大坝裂缝或松散岩体等部位，经过一段时间凝结硬

4、化后胶结岩体填充孔隙，具有加固、防渗、防火等性能的材料。随着科学技术的不断进步，灌浆工艺和灌浆技术都得到迅猛发展，当然灌浆材料也发展迅速成为建筑材料方向上必不可缺的分支。经过200多年的发展，灌浆材料已从单一粘土灌浆材料逐渐发展成有机无机多元复合高性能环保型灌浆材料。灌浆材料也被广泛应用于裂缝修补、基体加固、防火灭火、防渗堵漏等工程项目中，取得了巨大的成功。随着灌浆材料的发展，其发展历程可以被分为单一灌浆阶段、双液灌浆阶段和现在多元复合材料灌浆阶段。19世纪初期，法国人最早使用粘土类灌浆材料成功完成裂缝堵漏工程，灌浆材料开始出现[1]。1824年英

5、国人JosephAspdin发明了波特兰水泥，并在工程应用中发现水泥凝结时间快、形成固结体强度高，被作为灌浆料用于工程项目中，取得了显著成效。19世纪中期，德国人研制出高压注浆泵，灌浆工艺被改进，水泥灌浆材料迅猛发展[2]。由于粘土灌浆材料凝结时间慢，形成的固结体强度低；水泥颗粒的粒径较大，很难被灌入微小的孔隙和裂缝中，20世纪初期，化学灌浆被发明显现。1909年西欧的Lemaire[3]成功研制出水玻璃复合灌浆材料解决了矿井漏水的重大问题。1920年荷兰人朱斯[4]登发明了水玻璃和氯化钙双液注浆法，二者生成硅胶和硅酸凝胶填入微小裂缝中得到了稳定的

6、结石体。在之后的几十年间水玻璃类灌浆材料成为主角，直到二十世纪中期，美国成功研制出丙烯酰胺类灌浆材料AM-9[5]，有机高分子灌浆材料被全世界所重视。其中，日本引入AM-9后凭借其化学高分子工业的雄厚基础，化学灌浆材料越入世界领先水平。..第二章多元复合对灌浆材料稳定性的影响2.1试验部分浆液的稳定性对灌浆工艺、灌浆设备和灌浆效果有至关重要的影响，浆液稳定性差，浆液在管道运输时易堵管，不便于输送，并且有一部分浆体随水流失，增加了巷道和水仓的清理量。同时浆液中含有大量的水，时常在密闭墙或裂缝处跑浆，增加了灌浆工艺和设备复杂性，灌浆效果差难以达到预期目

7、标。粘土、水泥和石灰价格低廉，取材方便，粘土具有高的悬浮性和强的吸附性能够提高浆液稳定性；水泥凝结硬化后强度较高、结实率好、抗渗性强，对低强度的灌浆材料具有强度调节作用；石灰保水性好，对有利于粘土、水泥浆液强度发展。本章分析了不同水固比、粘土、水泥和石灰对灌浆材料稳定性的影响，获得了稳定性好的最佳配比。石灰：石灰保水性和可塑性好，可改善砂浆保水性，能够激发粘土活性，有利于提高粘土类材料强度。主要矿物成分是氢氧化钙和碳酸钙，XRD图谱如图2-3所示、主要化学成分如表2.1所示。..2.2试验结果与讨论图2-2、图2-3图2-4和图2-5分别显示了水固

8、比4：1和水固比2：1条件下，不同石灰掺量对浆液析水率和结石率的影响。由图可知，掺入石灰后，浆液的析水率显著增加，结石率稍