高性能无机-有机复合注浆材料研究

管学茂^1,2，张海波^1,2，杨政鹏^1,2，李海艳^1,2，路建军³，狄红丰¹，帅波¹，徐驰¹，王国普³

1. 河南理工大学材料科学与工程学院2. 河南省深地材料科学与技术重点实验室3. 中煤新集能源股份有限公司

摘 要：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<7. 0μm,最佳配比为硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰质量比5∶4∶1;合成了纳米锂铝类水滑石增强材料,具有锂离子增强和纳米晶核诱导结晶双重协同增强作用,当掺量为无机注浆材料质量的2%时,抗压强度提高145%,达到12. 3 MPa;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. 0 min,2 h抗压强度为10. 2 MPa,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37 kN提高到注浆后的145 kN。

关键词：千米深井;微纳米注浆材料;纳米增强;有机调节剂;黏结强度;