【摘 要】
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本文为解决大断面、大采深、高地应力矿井破碎煤岩注浆加固材料渗透性差、抗压强度低、界面结合力弱等技术难题,重点开展了特种水泥基注浆材料（Special Cement-based Grouting Materials,简称SCGM）大水灰比条件下超细化处理后的水化特征和物理性能、添加碳酸钙和水化硅酸钙（C-S-H）凝胶的增强机理和水化特征、添加亲煤岩性有机调节剂对注浆结石体结构与性能的影响规律以及工业
【基金项目】
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国家重点研发计划; 河南省科技创新人才项目
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本文为解决大断面、大采深、高地应力矿井破碎煤岩注浆加固材料渗透性差、抗压强度低、界面结合力弱等技术难题,重点开展了特种水泥基注浆材料（Special Cement-based Grouting Materials,简称SCGM）大水灰比条件下超细化处理后的水化特征和物理性能、添加碳酸钙和水化硅酸钙（C-S-H）凝胶的增强机理和水化特征、添加亲煤岩性有机调节剂对注浆结石体结构与性能的影响规律以及工业化试验研究。通过本论文研究能够为SCGM性能的优化设计以及改善煤层注浆加固效果提供科学依据和指导。本文取得的主要研究成果如下:（1）探明了在大水灰比条件下超细化对SCGM的水化特征和物理性能的影响规律。随着SCGM细度不断增加,钙矾石的生成量逐渐增加,水化速率不断加快,前期放热量明显增加,后期放热量相应减少;经超细化粉磨处理后,SCGM硬化体的早期抗压强度增长幅度较为明显,膨胀率显著提高。随着SCGM细度不断增大,28d水化产物先后出现细针状和带状钙矾石（AFt）、短针状AFt、C-S-H凝胶絮状体等四种特征形貌。随着水灰比的增大,SCGM的抗压强度逐渐减小,膨胀率逐渐降低,SCGM的28d抗压强度出现倒缩,但仍表现为微膨胀特性。（2）研究了碳酸钙对SCGM的增强机理和水化特征的影响规律。溶剂组成、合成方法、表面活性剂的添加工艺及掺量均会对碳酸钙的晶体结构和形貌产生影响。在50℃纯水作溶剂的条件下,当掺量为1.5g/L的柠檬酸作为表面活性剂时,合成出的碳酸钙晶体为类球状的纯方解石型晶体;当掺量为3g/L的柠檬酸作为表面活性剂时,合成出的碳酸钙晶体为圆柱状的纯方解石型晶体。在60℃的水与乙醇（2:3）混合溶液作溶剂的条件下,当掺量为6g/L的聚乙烯吡咯烷酮（简称PVP）作为表面活性剂时,制备生成的碳酸钙为块状纯方解石型晶体;在其他条件下,制备出的碳酸钙晶体均呈现为文石型、解石型和球霰石型的混合晶体。研究表明,添加超细碳酸钙加快了水泥水化进程,增加了水化产物的生成量,进而有效提高了SCGM硬化体的抗压强度,不同形貌的超细碳酸钙对SCGM硬化体的抗压强度增强能力呈现为:圆柱状碳酸钙＞类球状碳酸钙＞块状碳酸钙,即圆柱状碳酸钙对SCGM硬化体的抗压强度增强作用最为显著。（3）研究了C-S-H凝胶对SCGM增强机理和水化特征的影响规律。不同合成方法制备的C-S-H凝胶的固体物含量、结晶度及硅酸根离子聚合度有所不同,增加晶化时间能够提高C-S-H凝胶的结晶度和生成量。在干养条件下,添加C-S-H凝胶使得SCGM早期抗压强度有明显提高,尤其是1d强度提高最为显著。不同晶体结构、溶解速率和溶解度的偏硅酸钠会对C-S-H凝胶的结构产生影响,对SCGM的宏观性能有改性作用。在掺量为1%时,不同初始钙硅比制备的C-S-H凝胶均能在不同程度上使SCGM的凝结时间缩短,且随着初始钙硅比增加,初凝和终凝时间整体均呈现先增长后缩短的趋势,当初始钙硅比增加至1.8时,凝结时间达到临界点。添加C-S-H凝胶能够显著提升SCGM的早期强度增长率,但是随着龄期延长,增长率逐渐降低。（4）采用室温下“一锅法”制备了液态和固态亲煤岩性有机调节剂,提出了亲煤岩性有机调节剂的优化调控方法,获得的液态和固态亲煤岩性有机调节剂均具有良好的水溶性、煤岩界面浸润性和粘结性能,添加亲煤岩性有机调节剂可以有效改善SCGM与煤的界面粘结作用,且对SCGM物理力学性能无明显影响。与液态亲煤岩性有机调节剂相比,固态亲煤岩性有机调节剂具有运输方便,安全性高,易于操作等优势,在SCGM现场施工中更具有实用价值。（5）提出一种适用于煤矿深井巷道远距离SCGM高压注浆工艺。浆液在远离煤矿工作面的巷道中进行拌制,通过管道在压力下输送到工作面注浆点进行注浆,注浆时采用深浅孔两用注浆管作为孔口管封孔注浆,实现漏浆点自行封闭。本文在中煤新集能源股份有限公司口孜东矿千米深井下进行了工程试验研究,试验段注浆效果检测结果表明,经SCGM注浆加固后,煤岩体裂隙得到较好充填。
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