微纳米无机注浆材料研发与应用.pdf

第4 5 卷第3 期 2 0 2 0 年3 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5N o ．3 M a r ．2 0 2 0 移动阅读 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，2 0 2 0 ，4 5 3 9 4 9 9 5 5 ．d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C ．S J l 9 ．1 7 5 4 Z H A N GH a i b o ，D IH o n g f e n g ，L I UQ i n g b o ，e ta 1 ．R e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fm i c r o - n a n oi n o r g a n i cg r o u t i n gm a t e r i a l s [ J ] ．J o u m a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 3 9 4 9 9 5 5 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．S J l 9 ．1 7 5 4 微纳米无机注浆材料研发与应用 张海波1 ，- ，狄红丰1 ，刘庆波3 ，侯成岩1 ，郑冬冬1 ，柴虎成1 ，周宏范3 ，刘浪1 ，管学茂1 ’2 I ．河南理工大学材料科学与工程学院，河南焦作4 5 4 0 0 3 ；2 ．河南省深地材料科学与技术重点实验室，河南焦作4 5 4 0 0 3 ；3 ．中煤新集能源股 份有限公司，安徽淮南2 3 2 1 7 0 摘要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，提出了支护一改 性一卸压“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1 0 8 2 ，经超 细化加工，材料粒径达到6 ．7 “m ，比表面积为l2 0 0m 2 ／k g ，达到微纳米级别；水灰比为1 ．0 时，6h 抗压强度达到6 ．8M P a ，泌水率低至2 ．8 ％，初凝时间为1 0m i n 。煤体注浆加固模拟实验结果表明， 注浆前后煤样强度提高2 4 ．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1 0 斗m 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。 关键词千米深井；微纳米无机注浆材料；模拟注浆；强度；锚杆拉拔 中图分类号T D 3 5 3文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 0 0 3 0 9 4 9 0 7 R e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fm i c r o - n a n oi n o r g a n i cg r o u t i n gm a t e r i a l s Z H A N GH a i b 0 1 ”，D IH o n g f e n 9 1 ，L I UQ i n g b 0 3 ，H O UC h e n g y a n l ，Z H E N GD o n g d o n 9 1 ，C H A IH u c h e n 9 1 ， Z H O UH o n g f a n 3 ，L I UL a n 9 1 ，G U A NX u e m a 0 1 ，2 1 ．S c h o o lo f M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，H e n a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ，J i a o z u o4 5 4 0 0 3 ，C h i n a ；2 ．1 t e n a nK e yL a b o r a t o r yo f M a t e r i a l so nD e e p E a r t h E n g i n e e r i n g ，J i a o z u o4 5 4 0 0 3 ，C h i n a ；3 ．X i n f iE n e r g yC o ．，L t d ．，C h i n aN a t i o n a lC o a lG r o u pC o r p ．，H u a i n a n2 3 2 1 7 0 ，C h i n a A b s t r a c t A st h ed e p t ho fc o a lm i n i n gh a si n c r e a s e dg r a d u a l l y ，t h el a r g e - d e f o r m a t i o ni s s u eo ft h es t r a t ao fr o a d w a y sa t 10 0 0md e e po rm o r en e e d st ob es o l v e du r g e n t l y ．T h es t r a t ac o n t r o la n di n t e l l i g e n tm i n i n gt e c h n o l o g yi nc o a lm i n e sa t 10 0 0m d e e p ，an a t i o n a lk e yr e s e a r c ha n di n v e n t i o np r o g r a m ，p r o p o s e sa “t h r e e - i n - o n e ”c o o p e r a t i v ec o n t r o lt e c h n o l o g y ， w h i c hi sf o rb o l t i n g - g r o u t i n g - d e s t r e s s i n go fc o a lm i n er o a d w a y s ．T h ek e yp o i n tf o rt h em o d i f i c a t i o no fg r o u t i n gi st h a tt h e s p e c i f i cm o d i f i e dm a t e r i a ls h o u l dp o s s e s sh i g hp e r m e a b i l i t ya n de a r l ys t r e n g t h ．I nt h i ss t u d y ，ak i n do fm i c r o - n a n oi n o r - g a n i cg r o u t i n gm a t e r i a lh a sb e e nd e v e l o p e du s i n gl a wm a t e r i a l si n c l u d i n gs u l p h o a l u m i n a t ec e m e n tc l i n k e r ，g y p s u ma n d l i m e ，i nc o m b i n a t i o nw i t ht h eo p t i m i z a t i o no ft h em i x i n gr a t i oa n du l t r a - f i n eg r i n d i n gm e t h o d s ．T h ep a r t i c l es i z e ，s p e c i f i c s u r f a c ea r e a ，c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，b l e e d i n gr a t ea n ds e t t i n gt i m eo ft h i sm a t e r i a lh a v eb e e nt e s t e d ．T h es e l f - m a d eg r o u - t i n gs i m u l a t i o ns y s t e mw a su s e dt ot e s tt h ee f f e c to fm i c r o - n a n oi n o r g a n i cg r o u t i n gm a t e r i a l ss t r e n g t h e n i n gt h ec o a lb o d y ． F i n a l l y ，t h i sm o d i f i e dm a t e r i a lw a sp u ti n t of i e l da p p l i c a t i o ni nK o u z i d o n gM i n e ，C h i n a ．T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fm a t e - r i a lp e r f o r m a n c es h o wt h a tt h eo p t i m a lm a s sr a t i oo fs u l p h o a l u m i n a t ec e m e n tc l i n k e rt og y p s u mt ol i m ei s1 0 8 2 ．A f - 收稿日期2 0 1 9 - 1 2 - 0 8修回日期2 0 2 0 一O l 1 6责任编辑常琛 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 7 Y F C 0 6 0 3 0 0 4 ；河南省自然科学基金资助项目 1 8 2 3 0 0 4 1 0 2 0 7 作者简介张海波 1 9 7 4 一 ，男，河南焦作人。副教授，博士。T e l 0 3 9 1 - 3 9 8 6 9 3 6 ，E m a i l z z h b h p u ．e d u ．c n 通讯作者管学茂 1 9 6 5 一 ，男，湖北石首人，教授，博士生导师。T e l 0 3 9 1 3 9 8 6 9 0 2 ，E m a i l g u a n x u e m a o h p u ．e d u ．c n 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 t e ru l t r a f i n ep r o c e s s i n g ，t h ep a r t i c l es i z eo ft h em a t e r i a lr e a c h e s6 ．7 m ，a n dt h es p e c i f i cs u r f a c ea r e ai s12 0 0m 2 ／k g ， m e e t i n gt h em i c r o n a n ol e v e l ．W h e nt h ew a t e r - c e m e n tr a t i oi s1 ．0 ，t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha t6h o u r si s6 ．8M P a ，t h e b l e e d i n gr a t ei sa sl o w a s2 ．8 ％．a n dt h ei n i t i a ls e t t i n gt i m ei s1 0m i n u t e s ．T h er e s u l t so fc o a lg r o u t i n gr e i n f o r c e m e n ts i m - u l a t i o ns h o wt h a tt h es t r e n g t ho fc o a ls a m p l e ss u b j e c t e dt og r o u t i n gh a sb e e ni n c r e a s e db y2 4 ．4 ％．T h er e s u l t so ff i e l d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nm a n i f e s tt h a tt h ep u l l o u tf o r c eo f a n c h o rb o l t sa f t e rb e i n gs u b j e c t e dt og r o u t i n gh a sb e e ni n c r e a s e db y2t i m e s ．T h e s em a yb ed u et ot h a tt h es l u r r yf i l l sc o a lc r a c k s ，e n h a n c i n gt h ei n t e g r i t yo fc o a l ．I na d d i t i o n ，i t w a so b s e r v e db yS E Mt h a tt h es l u r r yc a np a s st h r o u g ht h e1 0 岬c r a c k s ，s u g g e s t i n gg o o dp e r m e a b i l i t y ．C o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lc e m e n t - b a s e dg r o u t i n gm a t e r i a l s ，t h em i c r o n a n oi n o r g a n i cg r o u t i n gm a t e r i a l sh a v eh i g h e rp e r m e a b i l i t ya n d e a r l ys t r e n g t h ．C o m p a r e dw i t ho r g a n i cc h e m i c a lg r o u t i n gm a t e r i a l s ，t h em i c r o - n a n oi n o r g a n i cg r o u t i n gm a t e r i a l sa r en o n c o m b u s t i b l ew i t hm u c hl o w e rc o s ta n db e t t e rs a f e t y ，d u et ot h e i ri n o r g a n i cm i n e r a lc o m p o n e n t s ． K e yw o r d s c o a lm i n e sw i t hd e p t hm o r et h a n10 0 0m ；m i c r o n a n oi n o r g a n i cg r o u t i n gm a t e r i a l s ；s i m u l a t i o ng r o u t i n g ； c o m p r e s s i v es t r e n g t h ；b o l t ．p u l l ．o u t 随着煤炭开采深度的增加，“深部”开采成为常 态⋯。高地应力与强采动叠加作用下，千米深井巷 道围岩发生持续性流变大变形、围岩整体移动、煤岩 软化、裂隙闭合，围岩渗透性差旧。3J 。任何单一的支 护方式都不能彻底解决千米深井围岩大变形控制难 题∞。6J 。国家重点研发计划“煤矿千米深井围岩控制 及智能开采技术”提出了千米深井巷道围岩支护一改 性一卸压“三位一体”协同控制技术的构思∞J ，其中 “支护”指巷道掘出后及时、高强支护，“改性”指通过 注浆加固增强煤岩体的完整性，提高其力学性能，同 时为高预紧力锚杆、锚索提供基础，对注浆材料提出 了渗透扩散进入2 0 m 以下微裂隙，凝结速度快，早 期强度高的要求。 在化学注浆材料研究方面，目前以聚氨酯类为代 表的有机注浆材料虽然具有良好的渗透扩散性和早 强性“ ’10 | ，但由于价格高昂、污染地下水、对人体有腐 蚀、易燃等缺点限制了其广泛应用。在无机注浆材料 方面，研究者卜1 3 - 通过超细加工将硅酸盐水泥颗粒 粒径减小到2 0 斗m 以下用于煤岩加固，获得了良好 的渗透性，但凝结时间长，早期无强度。也有研究 者4 。1 副利用硫铝酸盐水泥水化反应快，早期强度高 的特点，获得了高早期强度的注浆材料，但对于超细 化硫铝酸盐注浆材料的性能缺乏研究。 笔者针对千米深井巷道围岩注浆改性对材料的性 能要求，优化硫铝酸盐水泥基注浆材料配比，同时采用 超细加工进一步改善眭能，开发出了微纳米无机双液注 浆材料。将材料粒径控制在7u J n 以下，实现高渗透陛， 凝结时间控制在1 5m i n 以内，实现注浆漏浆自封闭，6h 强度尽量高，实现高强锚杆、锚索的及时高预紧力锚固。 通过自制加压装置模拟注浆加固，测试了注浆对煤体抗 压性能的改善效果；通过钻孔窥视、扫描电镜微观观测 和锚杆拉拔评估了现场注浆加固的效果。 1 实验原料与实验方法 1 ．1 实验原料 硫铝酸盐水泥熟料，焦作华岩实业有限公司生 产，其化学组成为L o s s 为0 ．1 7 ％，S i C 2 为6 ．3 6 ％， F e 2 0 3 为1 ．2 7 ％，T i C 2 为1 ．7 7 ％，A 1 2 0 3 为3 8 ．2 7 ％， C a O 为4 0 ．2 3 ％，M g O 为1 ．1 5 ％，S O ，8 ．8 8 ％；矿物组 成为C 4 A 2 S ，B C 2 S ，C 4 A F ，f S 0 3 ，f C a O ，C a O T i C 2 分别为7 4 ．5 4 ％，1 8 ．2 5 ％，3 ．8 6 ％，0 ．8 1 ％，2 ．0 2 ％， 3 ．0 1 ％，硫铝酸钙 C 。A ，S 矿物含量达到7 4 ％以上， 品质优良；石膏购自焦作华岩实业有限公司，其化学 组成L o s s ，S i C 2 ，F e 2 0 3 ，M g O ，A 1 2 0 3 ，C a O ，S 0 3 ，A l k a l i 分别为6 ．1 4 ％，1 ．0 4 ％，0 ．1 8 ％，2 ．6 4 ％，0 ．2 3 ％， 3 8 ．6 3 ％，5 0 ．1 1 ％，0 ．1 2 ％；石灰购自焦作胜利石灰 厂，C a O 有效含量为7 1 ．5 ％。 1 ．2 原料配比 按表1 设计优化无机注浆材料组成配比，固定硫 铝酸盐水泥熟料用量，改变石膏、石灰用量，同时保证 硫铝酸盐水泥熟料量与石膏石灰总量相同。将不同 配比材料按水灰比1 ．0 1 ．0 分别搅拌制浆，制备 7 0 ．7m m X 7 0 ．7m m X 7 0 ．7m m 试样，脱模后测试试样 6h 单轴抗压强度，以强度高低优选出最佳配比。 表1 实验配合比 T a b l e1T e s tm i xr a t i o 编号蕖曩羹著 石膏石灰 编号蒙曩鬟蒿 石膏石灰 ll O9141 064 21 0825l O55 3l O7361 046 1 ．3 超细加工 根据1 ．2 节所优选的最佳配比，将硫铝酸盐水 万方数据 第3 期张海波等微纳米无机注浆材料研发与应用 泥熟料作为一种组分 黄料 ，石膏、石灰按比例混 合物作为另一种组分 白料 。采用球磨机分别对 黄料、白料进行超细粉磨，粉磨前后材料激光粒度 分布曲线如图1 所示。可以看出，黄料粒径D 。，从 4 9 ．3 斗m 减小到6 ．7 斗m ，比表面积从3 8 0m 2 ／k g 提 高到12 0 0m 二／k g ；白料粒径D 。，从51 ．7 “m 减小到 6 ．2 I x m ，比表面积从3 6 0m ／k g 增加 到l2 5 0I n ／k g ，材料部分粒径在纳米级。因此，称 超细粉磨后的黄料、白料为微纳米无机注浆材料， 如图2 所示。 网1 粉磨前、后原料粒径分布曲线 F i g ．1 R a wm a t e r i a lp a r t i c l es i z ed i s t i ’i b u t i o ne H r v e sb e f o i ‘ea n da f t e rg r i n d i n g 图2 微纳米无机注浆材料 F i g ．2M i t t l 0 一n a i l i n o , ’g a n i cg l ’o u t i n gn l a t e r i a l s 1 ．4 实验方法 浆液泌水率测试，将黄料、白料分别按设计的水 灰比加水搅拌制成浆液，分别倒人5 0 0m 1 ．量筒中，静 置3 0r a i n ，读出浆液上部清液体积，与初始加入浆液 中的水体积相比，得到浆液泌水率。 浆液凝结时间测试，将黄料、白料分别按设计的 水灰比加水搅拌制成浆液，按质量比l l 将黄料、白 料浆液混合均匀，参照硫铝酸盐水泥 G B 2 0 4 7 2 - - 2 0 0 6 6 。测试材料初凝与终凝时问。 单轴抗压强度测试，将黄料、白料分别按设计的 水灰比加水搅拌制成浆液，按质量比1 1 将黄料、白 料浆液混合均匀，注入7 0 ．7m m X 7 0 ．7m m x 7 0 ．7n l l n 试模中，采用保鲜膜覆盖。在2 0 ℃养护室中养护 2h ，拆模，继续养护到相应龄期，参照水泥胶砂强度 检验方法 G B ／T1 7 6 7 1 - - 1 9 9 9 ⋯标准测试试样单 轴抗压强度。 2 材料性能测试结果 2 ．1 优选配比 以表1 中材料配比制备的试样抗压强度测试结 果如图3 所示，可以发现，当硫铝酸盐水泥熟料、石 膏、石灰的比例为1 0 8 2 时，试样6h 抗压强度最 实验编号 图3 抗压强度实验结果 F i g ．3C o m p r e s s i v es t r e n g t he x p e l ’i m e n tr e s t l l t s 万方数据 9 5 2 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 高，达到2 ．5M P a 。以下实验的材料配比皆以此为优 选配比进行实验。 2 ．2 泌水率 浆液泌水率是表征浆液稳定性的指标，测试结果 如图4 所示，可以看出，随水灰比增大，浆液稳定性变 差。水灰比为1 ．0 时，超细加工前后，黄料浆液泌水 率从2 4 ．3 ％降低至1 ．8 ％，白料浆液泌水率从2 6 ．8 ％ 降低至2 ．8 ％，显著提高了稳定性。 一ll 超细前 一I I 超细后 。。。。●●。一 ●●一 。。‘●_ 一 蚓4 浆液泌水率 F i g ．4 S l m ．1 ．vb l e e d i n gr t i l e 2 ．3 凝结时间 不同水灰比浆液凝结时间测试结果如图5 所示， 可以看出，随水灰比增大，浆液初、终凝时间都增大。 当水灰比为1 ．0 时，超细加工前后，浆液初、终凝时问 分别从4 6 ，5 8 减小到1 0 ，1 4r a i n ，大幅降低了浆液凝 结时问，为现场注浆过程[ } 1 实现漏浆白凝封闭提供了 基础，保证了注浆连续性和单孔注浆量。 2 ．4 抗压强度 注浆材料抗压强度测试结果见表2 ，可以看出强 度随水灰比的减小而增大，随龄期的增加而增大。当 水灰比为1 ．0 时，超细加工前，6h 抗压强度为 2 ．5M P a ，而超细加工后达到6 ．8M P a ，提高了近1 ．8 倍。因此，微纳米无机注浆材料能够快速加固煤体， 为锚杆、锚索施加高预紧力提供了锚固基础。 2 ．5 结果分析 通过超细加工，黄料、白料粒度减小剑了1 0 m 以下，比表面积增加到l2 0 01 1 1 二／k g 以上，加水后材 图5 浆液凝结时f n J F i g ．5 S i t ．1 n fs e l l i n gt i n l P 料表面快速吸附大量液体，颗粒因自重沉降速度降 低，浆液泌水率降低。材料粒度减小，反应面积增加， 颗粒中的C a n ，s o i 一和A 1 0 ；等离子更易从材料表面 溶出，在浆液中达到一定溶解度时形成钙矾石等晶 体，极大的加速了反应进程，从而引起凝结时间大幅 缩短，抗压强度大幅提高。 表2 抗压强度测试结果 T a b l e2 C o m p r e s s i v es t r e n g t ht e s tr e s u l t s 强度／M P a 项目水灰比 21 1 61 1 f I3f I 2 9f I O ．81 ．3 超细前 1 ．0 12 6 ．6l O ．OJ 4 ．7 4 ．37 ．8I I5 l4 ．482 4 ．4】6 ．92 0 ．0 88 1 4 ．17 ．1 6 ．6l O ．51 4 ．0 1 0 ．5 6 ．8 1 ，2 3 注浆加固煤模拟实验 采用如图6 所示自制的注浆模拟装置对煤样进 行模拟注浆实验，装置示意如图7 所示，煤样通过钻 孔取芯方法 图8 获得4 , 5 0m i n x 5 0I l l l n 的圆柱状试 样 图9 ，煤样表面有环向或纵向裂纹。模拟注浆实 验时，将煤样装入注浆模拟装置模腔中，首先关闭模 腔进浆口开关，将真空泵与模腔出浆口连接，打开出 浆口开关，对模腔和模腔中的试样抽真空。然后关闭 出浆口开关，打开进浆口开关，采用加压泵将管路中 眦仍 一 8 0 2O ●， 后细超 万方数据 第3 期张海波等微纳米无机注浆材料研发与应用 的浆液注入模腔，在1 0M P a 压力下保压3 0l n i n ，泄 压，开模取出注浆后的煤样，擦除表面浆液，如图1 0 所示，浆液注入了煤样裂隙。将注浆后的煤样在 2 0 ℃下养护3c 1 ，测试抗压强度，注浆前煤样平均抗 压强度为4 ．5M P a ，注浆后达到5 ．6M P a ，提高了 2 4 ．4 ％，说明通过注浆方法可以有效提高煤体强度。 图6 注浆模拟装置 F i g ．6G l ’o u t i n gs i m u l a t i m ld e v i c e 加 压力管I 灌浆钐P ／ 压 昔H 出l _ _ ■o 泵 m 浆I 开天j 一慕 ] 厂■] I 奎兰兰F -●- 卸压阀 进浆口 开关 煤样 图7 注浆模拟装置示意 F i g ．7 S c h e m a t i cd i a g r a mo fg l ’o u t i n gs i m u l a t i o nd e v i c e 图8 钻孑L 取芯方法取样 F i g ．8D r i l l i n ga n dC O l ’i n gm e t h o ds a m p l i n g 图9 取出的煤芯 F i g ．9 ’F a k eo u tt h e 。 a 1c o r e 图l O 注浆后煤样 F i g ．10 G r o u t e dU O E l l s a m p l e 4 工程应用 4 ．1 工程背景 中煤新集口孜东矿1 2 1 3 0 2 运输巷埋深10 0 0i n ； 在巷道4 0 01 1 1 处采用直墙半圆拱断面，掘宽5 8 0 0l l l l n ，掘高41 0 0m m ，净断面面积2 0 ．1 6n l ；巷道 东邻1 2 1 3 0 1 工作面采空区，中问留有1 5m 宽度煤 柱，采用锚杆、锚索、铁丝网和钢筋梯梁联合支护，表 面无喷浆。由于压力大，煤体裂隙发育，锚杆、锚索锚 固力严重降低，煤柱表面外挤，巷道两帮移近。采用 所开发的微纳米无机注浆材料对1 2 1 3 0 2 机巷煤柱进 行了4 0m 滞后注浆加固试验，测试了相关注浆参数 并进行了注浆效果观测。 4 ．2 注浆工艺 采用双液注浆工艺，图l l 为注浆工艺流程 图。首先将黄料、白料分别在高速搅拌机内加水 搅拌均匀，水灰比控制在0 ．8 ～1 ．1 。采用双液注 浆泵分别将黄料浆液与白料浆液加压输送至孔口 混合器，混合后注入煤壁，注浆相关参数记录见表 3 。注浆过程中，煤壁表面出现漏浆情况时，关停 注浆泵1 0 ～4 0S ，漏浆处浆液快速凝固，封闭漏浆 口 图12 ，重新开泵继续注浆，实现了无喷浆封 闭表面巷道连续注浆加固。 制浆系统 注浆系统 罔11注浆工艺流程 F i g ．11 S ‘1 l e m a t i cd i a g r a n io t ’g t ’o u t i n gp r o t 。P S S ] 万方数据 9 5 4 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 图1 2 漏浆口自动封闭 F i g ．1 2L e a k i n gh o l ei sa u t o m a t i c a l l ys e a l e d 4 ．3 锚杆拉拔试验 分别在煤柱侧帮测试了微纳米无机注浆材料注 浆前后锚杆拉拔力变化，采用2 支M S K 2 3 5 0 锚固剂 锚固，注浆前后锚固力测试统计结果如图1 3 所示，注 浆加固前测试了三根锚杆，平均拉拔力3 7k N ，注浆 加固后i 见0 试了三根锚杆，平均拉拔力1 0 5k N 。可以 看出，注浆加固后锚杆锚固力提高了2 倍，间接说明 巷道围岩自身强度得到了显著提高，为支护一改性一 卸压“三位一体”协同控制技术提供了基础。 图1 3 注浆前后锚杆拉拔力变化 F i g ．13C h a n g e si np u l l o u tf o r c eo fa n c h o rr o d b e f o r ea n d a f t e rg r o u t i n g 4 ．4 钻孔窥视观测与取样观测 微纳米无机注浆材料注浆加固前后，分别对煤壁 进行了钻孔窥视，结果如图1 4 所示，可以看出，注浆 前浅部煤体松散，深部煤体存在环向和纵向裂隙，注 浆后煤体得到压实，裂隙中可以看到浆液填充。 O ．6 m1 ．5 m2 ．9 m4 ．8 m 注浆前 0 ．6 m1 ．8 m 3 ．0 1 1 1 42 m 注浆后 图1 4 注浆加固前后钻孔观测图像 F i g - 1 4 B o r e h o l ec a m e r ai m a g e so fd r i l l i n gb e f o r ea n d a f t e rg r o u t i n g 4 ．5 扫描电子显微镜 S E M 观察 为了观测浆液在裂隙中的微观扩散情况，注浆后 从煤壁深度2m 左右凿取出2 0m m 左右大小的煤 块，在扫描电子显微镜下观测浆液渗流情况，结果如 图1 5 所示。可以看到，注浆材料浆液可以充满 1 0 斗m 大小的煤岩裂隙，形成密实的结石体，且与煤 蚀 图1 5 浆液渗流S E M 照片 F i g ．15 S E Mi m a g e so fs l u r r ys e e p a g ei nc o a l 万方数据 第3 期张海波等微纳米无机注浆材料研发与应用 9 5 5 岩粘接紧密。从微观结构上说明了微纳米无机注浆 材料增强煤体完整性，提高整体强度的机理。 5 结论 1 硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰质量比 为1 0 8 2 时，所开发的无机注浆材料早期强度最 高。 2 通过超细加工制备了微纳米无机注浆材料， 水灰比为1 ．0 时，6h 抗压强度达到6 ．8M P a ，浆液泌 水率小于2 ．8 ％，初凝时间1 0m i n ，终凝时间1 4m i n 。 3 采用自制的注浆模拟装置进行了煤样注浆 实验，注浆后煤样强度提高了2 4 ．4 ％。 4 开发的微纳米无机注浆材料在中煤新集口 孜东矿进行了4 0m 长巷道煤柱侧帮注浆加固应用， 注浆前后锚杆拉拔力提高了2 倍，浆液可以在煤体中 良好扩散，与煤岩粘接紧密，围岩整体性明显改善。 参考文献 R e f e r e n c e s 谢和平，高峰，鞠杨，等．深部开采的定量界定与分析[ J ] ．煤炭 学报，2 0 1 5 ，4 0 1 卜l O ． X I EH e p i n g ，G A OF e n g ，J UY a n g ，e ta 1 ．Q u a n t i t a t i v ed e f i n i t i o na n d i n v e s t i g a t i o no fd e e pm i n i n g [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ， 2 0 1 5 ，4 0 1 卜1 0 ． S U NL i h u i ，W UH a o y u a n ，Y A N GB e n s h e n g ，e ta 1 ．S u p p o r tf a i l u r eo f ah i i g h - s t r e s ss o f t - r o c kr o a d w a yi nd e e pc o a lm i n ea n dt h ee q u a l i z e d y i e l d i n gs u p p o r tt e c h n o l o g y Ac B es t u d y [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l o fC o a lS c i e n c e ＆T e c h n o l o g y ，2 0 1 5 ，2 4 2 7 9 2 8 6 ． 康红普，王国法，姜鹏飞，等．煤矿千米深井围岩控制及智能开 采技术构想[ J ] ．煤炭学报，2 0 1 8 ，4 3 7 1 7 8 9 - 1 8 0 0 ． K A N GH o n g p u ，W A N GG u o f a ，J I A N GP e n g f e i ，e ta 1 ．C o n c e p t i o nf o r s t r a t ac o n t r o la n di n t e l l i g e n tm i n i n gt e c h n o l o g yi nd e e pc o a lm i n e s w i t hd e p t hm o r et h a nl0 0 0m [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ， 2 0 1 8 ，4 3 7 1 7 8 9 1 8 0 0 ． K A N GH o n g p u ．S u p p o r tt e c h n o l o g i e sf o rd e e pa n dc o m p l e xr o a d w a y s i nu n d e r g r o u n dc o a lm i n e s Ar e v i e w [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a