「视频讲解」围岩注浆加固——微纳米无机有机复合注浆材料

summer 2024年12月10日 14:28 0

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本期推送河南理工大学管学茂团队发表于《煤炭学报》第3期的两篇文章。为方便大家深入了解研究成果，《煤炭学报》邀请管学茂团队成员张海波老师通过视频对相关成果进行了详解。

两篇文章分别为：

（1）管学茂,张海波,杨政鹏,等. 高性能无机-有机复合注浆材料研究[J]. 煤炭学报,2020,45(3):902-910.

（2）张海波,狄红丰,刘庆波,等.微纳米无机注浆材料研发与应用[J]. 煤炭学报,2020,45(3):949-955.

视频解析

创新点

高性能无机-有机复合注浆材料研究

（1）阐明了实现无机注浆材料“高渗透、高强度、高粘结”性能的机理和途径。

（2）开发了纳米锂铝滑石增强剂，实现“纳米晶核诱导结晶”和“锂离子促溶”协同增强作用，为无机注浆材料增强剂开发提供了新思路。

（3）从围岩裂隙表面结构与化学主导官能团入手优选无机胶凝材料与有机改性剂，开发了微纳米无机-有机复合注浆材料，为不同环境注浆材料开发提供了借鉴。

微纳米无机注浆材料研发与应用

（1）通过粒度调控实现了无机注浆材料的早强性与高渗透性。

（2）开发了注浆模拟装置，为注浆材料加固效果的实验室评价提供了更客观的方法。

团队简介

河南理工大学材料学院“河南省矿业材料创新型科技团队”，由管学茂教授带领，专注矿业材料理论与技术研究20余年，已形成由2名教授、4名副教授，3名讲师和多名硕博研究生组成的创新研究团队。团队在高性能注浆加固材料、矿用喷射混凝土、煤基固废绿色循环利用、瓦斯治理和抑尘材料方面取得了大量成果。团队在矿用材料方面获国家重点研发计划课题、子课题、国家自然基金（重点、面上、青年）等国家基项目20余项，省级及企业项目60余项，省级以上科技进步奖10余项。

研究方向

带领的矿业材料团队，开展无机矿用材料、高性能水泥混凝土、固废资源化利用、纳米改性材料、有机无机复合材料等领域的研究。

团队成果

注浆加固材料方面，开发了微纳米无机注浆材料制备与应用技术，克服了无机注浆材料早期强度低、渗透性差，无法用于快速注浆加固难题，同时避免了有机注浆材料易燃、污染性高的问题；地应力下注浆材料水化硬化调控机制，为适应不同环境注浆改性材料开发提供理论指导。喷射混凝土方面，利用固废炉渣、粉煤灰、废旧橡胶制备了轻质喷射混凝土、弹性喷射混凝土等，实现了喷射混凝土的高柔性，为适应深井巷道变形提供了保证。矿用充填材料方面，开发了巷道高冒区无机发泡充填材料，实现了巷道高冒区快速、安全充填密闭；开发了煤矸石、炉渣全固废沿空留巷充填材料和采空区充填材料，实现了煤矿固废绿色循环。

摘要

高性能无机-有机复合注浆材料研究

针对千米深井巷道围岩大变形控制难题,提出了支护-改性-卸压“三位一体”协同控制技术,其中要求注浆改性材料具有“高渗透、高强度、高黏结”性能。“高渗透” 可以通过减小粒度、增加界面润湿性来实现;“高强度”可以通过优选快速水化矿物,添加纳米增强材料来实现;“高黏结”可以通过添加有机调节剂,增加界面润湿并形成强化学键来实现。

本文以超细化的硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰为主要原料,通过优化配比研发了无机注浆材料,材料粒径D95

采用“一锅法”合成了两亲性有机调节剂,掺量为无机注浆材料质量的3%时,可以将水与煤表面接触角从72.80°减小到19.23°,并在注浆材料与裂隙表面间形成氢键作用,显著改善界面润湿性,增加界面黏接强度。

以无机注浆材料、纳米锂铝类水滑石、有机调节剂按95%,2%,3%的质量百分比混合制备了微纳米注浆材料,材料初、终凝时间分别为8.0,13.0min,2h抗压强度为10.2MPa,煤的黏结强度大于煤自身拉伸断裂强度。微纳米注浆材料在口孜东矿进行了超前注浆应用,可以良好注入10μm开度的裂隙,与裂隙表面结合紧密,锚杆拉拔力由注浆加固前的37kN提高到注浆后的145kN。

微纳米无机注浆材料研发与应用

随着煤矿开采深度的增加,千米深井巷道围岩大变形控制难题急需解决,提出了支护-改性-卸压“三位一体”协同控制技术,其中注浆“改性”环节要求注浆材料具有高渗透性和早强性。

以硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰为主要原料,通过优化配比和超细粉磨方法研发了具有早强、高渗透性的微纳米无机注浆材料,测试了材料粒径、比表面积、抗压强度、泌水率和凝结时间;采用自制的注浆模拟系统测试了微纳米无机注浆材料注浆加固煤体效果;在中煤新集口孜东矿进行了现场应用。

材料性能实验结果表明,硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰三者最优质量比为10∶8∶2,经超细化加工,材料粒径达到6.7μm,比表面积为1200m 2/kg,达到微纳米级别;水灰比为1.0时,6h抗压强度达到6.8MPa,泌水率低至2.8%,初凝时间为10min。煤体注浆加固模拟实验结果表明,注浆前后煤样强度提高24.4%。

现场工程应用结果表明,注浆前后锚杆拉拔力提高了2倍,浆液大量填充煤体裂隙,提高了煤体完整性,扫描电镜观察说明浆液可以通过10μm裂隙,渗透性良好。

与传统水泥基注浆材料相比,微纳米无机注浆材料具有更高的渗透性和早期强度;与有机化学注浆材料相比,微纳米无机注浆材料为无机矿物材料,不燃,具有更低的成本和使用安全性。

部分图片

高性能无机-有机复合注浆材料研究

达到高渗透性的3个途径

围岩裂隙表面微结构

浆液-裂隙表面润湿性

三元体系配合比的云图表征

抗压强度在三角形云图上的分布特征

LiAl-LDH对无机注浆材料浆体抗压强度的影响

LiAl-LDH改性无机注浆材料作用机理示意

“一锅法”制备有机调节剂示意

纯水及不同浓度的HA溶液在煤界面的接触角

改性无机注浆材料与煤的界面黏结强度测试

HA与不同材料结合的FTIR分析

黏结机理模型

注浆煤样扫描电镜照片

微纳米无机注浆材料研发与应用

粉磨前、后原料粒径分布曲线

抗压强度实验结果

浆液泌水率

浆液凝结时间

取出的煤芯

注浆后煤样

漏浆口自动封闭

注浆前后锚杆拉拔力变化

注浆加固前后钻孔观测图像

浆液渗流SEM照片

来源：

（1）管学茂,张海波,杨政鹏,等.高性能无机-有机复合注浆材料研究[J].煤炭学报,2020,45(3):902-910.

GUAN Xuemao,ZHANG Haibo,YANG Zhengpeng,et al. Research of high performance inorganic-organic composite grouting materials[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(3):902-910.

（2）张海波,狄红丰,刘庆波,等.微纳米无机注浆材料研发与应用[J].煤炭学报,2020,45(3):949-955.

ZHANG Haibo,DI Hongfeng,LIU Qingbo,et al. Research and application of micro-nano inorganic grouting materials[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(3):949-955.

视频：张海波

编辑整理：郭晓炜

审核：常琛

End

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