【摘要】：本文針對煤礦井下松軟煤巖體細(xì)微裂隙注漿加固采用采用高分子注漿材料性價(jià)比低,而采用普通水泥基注漿材料顆粒大、難以注入的難題,以普通硅酸鹽超細(xì)水泥為基體材料,以納微顆粒材料為增強(qiáng)外加劑,開發(fā)了高流態(tài)超早強(qiáng)注漿材料,并對該注漿材料的流變特性、可注性和超早強(qiáng)性的改性規(guī)律和改性方法進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究,對該材料的漿液擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬研究,對該材料的煤礦井下風(fēng)氧化帶頂板加固進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用研究。論文的主要工作及取得的成果如下:(1)分析了影響高流態(tài)超早強(qiáng)注漿材料注漿效果性能指標(biāo),在測定原材料粒徑分布并分析超細(xì)硅酸鹽水泥和輔助顆粒增強(qiáng)材料的顆粒級配的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了高流態(tài)超早強(qiáng)注漿材料組分。通過漿液黏度時(shí)變性試驗(yàn)、漿液流變性試驗(yàn)、漿液流動(dòng)度試驗(yàn)、凝結(jié)時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量試驗(yàn),探究了玻璃微珠、超細(xì)硅灰和納米SiO_2等外加劑對漿液黏度、流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量等流變特性相關(guān)參數(shù)的影響規(guī)律,揭示了高流態(tài)超早強(qiáng)注漿材料高流變性的改性機(jī)理。結(jié)果表明:(1)高流態(tài)超早強(qiáng)注漿材料的漿液是典型的黏度時(shí)變性冪律型流體。玻璃微珠能夠增加漿液的觸變性、流動(dòng)度和凝結(jié)時(shí)間,降低漿液黏度和標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量;超細(xì)硅灰和納米SiO_2對漿液的觸變性和流動(dòng)度影響不大,但能減少漿液凝結(jié)時(shí)間,增加漿液的黏度和標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量。(2)玻璃微珠具有填充作用和滾珠效應(yīng),超細(xì)硅灰具有填充作用、摩擦作用和火山灰活性作用,納米SiO_2具有填充作用和結(jié)晶成核作用,利用這些作用的疊加效應(yīng)能夠有效調(diào)控高流態(tài)超早強(qiáng)注漿材料的流變特性。(2)通過低場核磁共振分析儀研究了高流態(tài)超早強(qiáng)注漿材料的水化反應(yīng)過程,揭示了高流態(tài)超早強(qiáng)注漿材料水化過程中漿液組分變化規(guī)律。建立了基于低場核磁共振的漿液可注性監(jiān)測平臺,對高流態(tài)超早強(qiáng)注漿材料的漿液和普通水泥漿液進(jìn)行了可注性對比試驗(yàn)。結(jié)果表明:(1)高流態(tài)超早強(qiáng)注漿材料的溶解期和潛伏期為10~35min,比普通425硅酸鹽水泥縮短,漿液黏度穩(wěn)定期時(shí)長基本上等于溶解期與潛伏期之和,注漿工作應(yīng)在漿液溶解期和穩(wěn)定期進(jìn)行�；诘蛨龊舜殴舱癯上竦淖{監(jiān)測平臺,可以對被注巖芯施加0~30MPa的注漿壓力,在0~40MPa范圍內(nèi)保持穩(wěn)定圍壓,在0~80℃范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的注漿溫度,實(shí)現(xiàn)對煤礦井下注漿工程中漿液擴(kuò)散的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、精準(zhǔn)成像監(jiān)測模擬。高流態(tài)超早強(qiáng)注漿材料的漿液比普通水泥漿液具有優(yōu)異的可注性。(3)制備了不同外加劑添加量、不同齡期標(biāo)準(zhǔn)試樣,研究外加劑添加量對不同齡期的硬化超細(xì)水泥漿體的抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、割線模量和殘余強(qiáng)度的影響規(guī)律。利用低場核磁共振分析儀探測不同外加劑含量、不同齡期硬化超細(xì)水泥漿體的孔隙率和孔徑分布。通過熱重分析、差熱分析、掃描電鏡試驗(yàn)測試外加劑和齡期對硬化超細(xì)水泥微觀結(jié)構(gòu)的影響,揭示硬化高流態(tài)超早強(qiáng)注漿材料的超早強(qiáng)機(jī)理。結(jié)果表明:(1)高流態(tài)超早強(qiáng)注漿材料強(qiáng)度是由硬化超細(xì)水泥漿體內(nèi)部的孔隙率和孔徑分布、硬化超細(xì)水泥漿體的成分和微觀結(jié)構(gòu)這兩大主要因素決定的。(2)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0到12%,硬化超細(xì)水泥漿體各齡期的強(qiáng)度在添加玻璃微珠時(shí)逐步降低,在添加超細(xì)硅灰時(shí)先增大后減小,在添加量8%時(shí)28d抗壓強(qiáng)度提高了37.8%。添加納米SiO_2既可以提高1d強(qiáng)度也可以提高28d強(qiáng)度,28d強(qiáng)度最大可提高98.8%。(3)添加納微顆粒增強(qiáng)外加劑能夠調(diào)節(jié)和優(yōu)化硬化水泥漿體的孔隙率和孔徑分布,提高其強(qiáng)度。(4)納微顆粒增強(qiáng)外加劑的火山灰活性作用、結(jié)晶成核作用、填充作用,綜合疊加,可以促進(jìn)水化硅酸三鈣凝膠結(jié)構(gòu)的形成,減少了Ca(OH)_2板狀結(jié)晶,起到了良好的增強(qiáng)效果。(4)在研究高流態(tài)超早強(qiáng)注漿材料流變特性的基礎(chǔ)上,綜合考慮漿液的黏度時(shí)變性、流變模式等漿液的時(shí)變參數(shù),被注介質(zhì)的孔隙率和滲透率的動(dòng)態(tài)變化,綜合考慮漿液在多孔介質(zhì)中擴(kuò)散時(shí)的流固耦合效應(yīng),采用COMSOL多物理場建模軟件,研究分析高流態(tài)超早強(qiáng)注漿材料在松散煤巖體細(xì)微孔隙內(nèi)滲流規(guī)律,結(jié)果表面:相同注漿壓力作用下,流固耦合模型的平均擴(kuò)散半徑始終小于非流固耦合模型。在相同注漿壓力作用下,平均孔隙率和滲透率隨著注漿過程的進(jìn)行而降低;平均孔隙率和滲透率隨著注漿壓力增大而減小。(5)針對顧北煤礦13116工作面風(fēng)氧化帶回采時(shí)頂板松散破碎容易冒頂?shù)碾y題,建立針對顧北礦風(fēng)氧化帶頂板巖層滲透特性的基于漿液流變參數(shù)時(shí)變性的漿液擴(kuò)散方程,進(jìn)行了注漿工程設(shè)計(jì),驗(yàn)證了高流態(tài)超早強(qiáng)注漿材料的工程效果,為該材料的工程應(yīng)用提供了借鑒。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TD353
【圖文】：

于超細(xì)水泥的，普遍比超細(xì)水泥的顆粒還大，比超細(xì)水泥更難注入為細(xì)微裂隙煤巖體注漿材料的增強(qiáng)材料。圖 2-2 玻璃微珠和超細(xì)硅灰與超細(xì) 1000 的粒徑分布對比圖e 2-2 Comparison of particle size distribution of glass beads and ultrafine silica fumultrafine 100001020304050607080901000 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60積分分布/%粒徑/μm玻璃微珠 普通硅灰超細(xì)1000 超細(xì)硅灰

圖 2-5 漿液制備Figure 2-5 Slurry preparation性測試ld 公司 DV3T 系列流變儀有四種裝配有，分別是 DV3TLV、DV3TRV、DV3THA應(yīng)的轉(zhuǎn)子配合能測定一定的黏度范圍。本選取 DV3THB 流變儀，配合 SC4-21 轉(zhuǎn)剪切速率為 0~240s-1；在電腦上安裝現(xiàn)電腦對 DV3THB 流變儀的所有操作控求平均的方法，剪切速率先由 0 升高到 2在漿液攪拌好后立即倒入燒杯中，靜置 3再靜置 30s 開始測量，采集數(shù)據(jù)。

圖 2-5 漿液制備Figure 2-5 Slurry preparation1.2 漿液流變特性測試美國 Brookfield 公司 DV3T 系列流變儀有四種裝配有不同形變扭力系型號可供選擇，分別是 DV3TLV、DV3TRV、DV3THA 和 DV3THB，的流變儀與對應(yīng)的轉(zhuǎn)子配合能測定一定的黏度范圍。本試驗(yàn)中測定超細(xì)的流變特性時(shí)選取 DV3THB 流變儀，配合 SC4-21 轉(zhuǎn)子，黏度測量范~400000mPa·s，剪切速率為 0~240s-1；在電腦上安裝 Brookfield 公ocaclc T 軟件，實(shí)現(xiàn)電腦對 DV3THB 流變儀的所有操作控制和自動(dòng)數(shù)據(jù)采記錄采用多點(diǎn)求平均的方法，剪切速率先由 0 升高到 236 s-1，然后由 勻速降低到 0。在漿液攪拌好后立即倒入燒杯中，靜置 30s 后移動(dòng)燒杯使?jié){液并居中，再靜置 30s 開始測量，采集數(shù)據(jù)。

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本文編號：2779446