灌漿用高分子複合膠凝劑的製備和使用方法

2023-06-05 10:00:01

專利名稱：灌漿用高分子複合膠凝劑的製備和使用方法
灌漿用高分子複合膠凝劑的製備和使用方法本發明屬於地質災害治理和煤礦、其他品種礦山開採後的採空區及廢舊巷道、塌陷坑填充治理中膠凝劑技術領域，具體的說是灌漿用高分子複合膠凝劑。在地質災害治理中主要有泥石流控制、河道淤泥漿清除作業等，目前在這方面沒有使用膠凝劑技術的報導。泥石流控制主要採用種植草皮、水泥砂漿對山體提前進行加固等措施，對已形成的泥石流沒有很好的控制措施，存在治理成本高、技術手段少等缺陷。目前可通過本材料的使用進行治理和預防一是提前在易發區域播撒高分子膠凝劑使泥土在雨水來臨時形成膠泥減少土壤流動和水的滲透來實現；二是在形成泥石流的區域及時噴灑膠凝劑減少泥漿的流動性並及時從泥漿中析出清水來減輕泥石流的危害。河道泥漿清除作業目前主要通過挖泥船挖掘來進行，效率低成本高。目前可通過高壓水製作成泥漿水，然後用泥漿泵輸送到遠處後用膠凝劑使泥漿中的泥土固化，並及時析出清水排入河道循環往復實現清遊。礦山開採後的採空區及廢舊巷道、塌陷坑填充治理，除煤礦外大部分礦山企業主要通過灌注水泥砂漿、粉煤灰等建築材料外加水玻璃和碳酸氫氨做膠凝劑來實現。但存在著用量大，效果差、成本特高、效率低等問題。部分企業為降低成本，採用粘土為灌漿材料外加水玻璃和碳酸氫氨做膠凝劑，但由於該類型膠凝材料缺乏固水功能，灌漿後脫水量大，形成大量空區水倉，容易形成潰漿和水害，影響周圍和礦井的後續開採作業，造成新的安全隱
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■/Qi、O煤礦地質災害治理除同以往礦山採空區治理有相同之處外還必須考慮到採空區瓦斯、火、水等災害的防治，所以對治理方法和材料要求就更高。目前有用黃土、粉煤灰等材料製作成液體泥漿外加聚丙烯酸鈉或者水玻璃、碳酸氫銨等組合做膠凝劑使用的先例，但存在使用時膠凝效果差，時效期短，粘彈性和堆積性無法調製，特別是聚丙烯酸鈉做膠凝劑使用後由於產生較強的溶水性，組份單一，缺乏一定粘彈性，除防滅火效果與本產品性能相近外，填充和防治水的效果較弱，成本也較高，工藝較複雜，其配方組合在整個地質災害、採空區治理、煤礦開採使用綜合性方面有著一定的局限性。總之，目前採空區填充及灌漿技術要求膠凝劑在使用上，要求適應性廣、各種類型黃土、泥土甚至到水泥砂漿等都可使用，工藝上簡單易行，性能上有向填充、堵漏、降溫、惰化、阻燃等綜合性能發展的趨勢。核心就是將各種填充材料與水混合後在注入空區和破碎體、裂隙帶等區域前混入膠凝劑，形成粘稠狀的漿液或膠體。其中的水分或化學物質能形成阻化膜降低氧化反應，同時，水分蒸發可降低溫度，形成的膠體能密實填充於空體和縫隙， 堵住漏風的通道和滲水的裂隙，達到高效、廣泛應用的目的。並且使用上要考慮到礦山條件的複雜，水、土不便，多數山高路遠，注漿區域隱蔽複雜，所以要求使用工藝簡單易行，能遠距離輸送，液固轉化方便等。目前用於填充、堵漏、固化、防火、防水化學凝膠技術所用的膠凝劑主要有無機凝膠、高分子膠體、複合膠體三類I)、無機凝膠如Ba(SCN)與MnS04製得的
3BaS04凝膠及矽酸凝膠，例如湖南大學發布的發明專利《一種用於礦山充填的高含水泥漿固化劑及使用方法》專利號CN102211917A)、許多吸水性樹脂也能形成有機凝膠，像蛋白質、明膠、表面處理增強了親水性的澱粉、纖維素等天然高分子材料，都能夠形成水凝膠。近年來人工合成的高吸水樹脂也越來越多，它們也能吸附大量水而形成凝膠，例如徐精彩等老師發布的《煤層火災滅火複合膠體》專利號CN1500535A)第三類凝膠是由微量的有機和無機材料組成複合膠凝劑與基料通過反應生成。原理是泥漿中的顆粒充填在膠凝劑形成的網狀膠體結構之間，起充填和增強作用，由於吸水材料吸收了大量水分，體積膨脹與泥漿顆粒相互接觸而形成假凝膠，再通過加入線型高分子基料，控制大量分子和分子鏈段與泥漿顆粒間架橋作用形成複合泥漿膠體，所形成的泥漿膠體其綜合性能都大大優於單純的無機和有機添加劑形成的泥漿凝膠。能形成複合膠體的基料及添加的膠凝劑組合很多，但是出於降低複合膠體成本、 方便操作工藝等考慮，許多高吸水礦物和吸水性樹脂等高分子材料都是較理想製作泥漿複合膠體的膠凝添加劑。有關方面在膠凝劑方面進行了研究，並取得了一定的成績。但現有技術或多或少存在這樣或那樣的不足，如注入空區後容易潰槳、成本高、膠凝強度低、綜合性能差，防火不能防水、防水不能防火，且添加使用中工藝比較複雜，混合不均勻，製作的膠體泥漿不太理想等。本發明的目的在於克服現有技術的缺陷，綜合有機、無機凝膠材料的優點，通過高分子材料的複合化、功能化，提供一種新型複合膠凝劑配方和製作方法以及使用方法。為實現上述目的設計一種灌漿用高分子複合膠凝劑，所述的膠凝劑的成分和重量百分比如下10 25%的膨潤土, 5 20%的纖維素,5 20%的植物膠，10 15%的氫氧化鈣，10 25%的無機吸溼劑，O. 5 I. 5%的無機分散劑，O. 5 2%的無機絮凝劑，6 18%的有機絮凝劑，5 15%的鹼金屬碳酸鹽。所述的纖維素是羧甲基纖維素。所述的無機吸溼劑優選硫酸鈣。 所述的無機絮凝劑優選氯化鐵。所述的有機絮凝劑優選聚丙烯醯胺。所述的鹼金屬碳酸鹽優選碳酸氫鈉。所述的複合凝膠還可以與水按I : 10 I : 100混合形成混合液。本發明還包括一種製備灌漿用高分子複合膠凝劑的方法，所述的方法包含以下步驟，a.將膨潤土、硫酸鈣、氫氧化鈉、碳酸氫鈉加工粉碎成150目及以上的細粉，b.將植物膠、纖維素、聚丙烯醯胺、氫氧化鈉氯化鐵加工粉碎成40目及以上的細粉，c.將步驟(a)和步驟(b)得到的細粉混合30分鐘後得到複合膠凝劑。灌漿用高分子複合膠凝劑的使用方法步驟如下i.將粘土或粉煤灰加工成粒度小於8_的粉狀物；ii.將所述的粉狀物與水以O. 3 : I I : I的比例混合，得到漿液；
iii.將所述的膠凝劑與水按I : 10 I : 100的比例混合，得到膠凝劑混合液；iv.將所述的膠凝劑混合液與所述的漿液混合，添加比例如下，與水混合前的膠凝劑重量為眾液重量的O. 6 6%o。本發明的膠凝劑中加入的各組分以及各組分之間的配合作用具有以下有益效果膨潤土屬廉價無機吸水材料，具有很強的吸溼性，能吸附相當於自身體積數倍的水而膨脹至30倍，在水介質中能分散呈膠體懸浮液，並具有一定的粘滯性、觸變性和潤滑性，它和泥沙等的摻和物具有可塑性和粘結性，特別是其與聚丙烯醯胺配合使用，在泥漿液聚合中，可吸附於樹脂交聯網絡，使凝膠剛性增強，提高複合泥漿膠體的強度，減少聚丙烯醯胺使用量，降低複合膠凝劑原料成本；植物膠、羧甲基纖維素都是天然高分子材料，在泥漿中具有耐鹽鹼、懸濁等特性， 且不產生鹽析現象。植物膠遇水能溶脹水合形成高粘度的溶膠液，其粘度隨粉劑濃度增加而顯著增加，水合後可與泥漿中的多種離子發生交聯作用，形成具有一定粘彈性水基凝膠， 能極大提高了泥漿膠體的粘度。羧甲基纖維素遇水可形成高粘度的膠體溶液、有粘著、增稠、流動、乳化分散、賦形作用，在泥漿膠體中起著薄膜成型保護膠體的作用。植物膠、羧甲基纖維素形成高粘度的溶膠液與其他高吸水礦物質(指膨潤土、硫酸鈣等)結合形成一定的粘彈性膠黏體，再與泥沙基料混合作用，能有效提高泥漿的粘彈性、緻密性和堆積性；聚丙烯醯胺是合成高分子材料，有著極強的絮凝作用，其通過引進各種離子基團調節，其親水基團與泥漿中其他親水基團架橋吸附，使泥漿中形成親水而水不溶性的凝膠， 極大的增加了吸水性和束水性，使極易流動泥漿在一定的時間、地點很快實現了液固轉化 (一般從加入複合膠凝劑到泥漿成膠狀短則僅需要2分鐘，時間長可控制在30分鐘)，進一步極大的提高了泥漿的粘彈性、緻密性、堆積性和防水性，使形成的泥漿膠體完全具備了填充空區所具備的堆積性，裂隙封堵和防風所具備的粘彈性、緻密性，裂隙漏水所具備防水封堵功能。複合膠凝劑中的硫酸鈣是一種無機膠凝劑，其親水基團能在泥漿中起固化吸水作用。另外硫酸鈣與氫氧化鈣形成的親水基團，具備一定的阻化性能，對煤礦採空區浮煤具備一定的阻燃特性。複合膠凝劑中含有碳酸氫鈉，當泥漿遇高溫後其中可產生二氧化碳惰性氣體，填充空間提高填充效率，使該材料進一步具備煤礦採空區火區治理性能。複合膠凝劑中的氫氧化鈉是分散劑可有效幫助高分子吸水材料和高吸水礦物質均勻滲透到泥漿顆粒中，幫助快速成膠。複合膠凝劑中氯化鐵是無機絮凝劑和促凝劑，與聚丙烯醯胺聯合作用， 不僅能更大提高膠凝效果，而且能提高膠體的高溫特性。通過以上組合配方製作的複合膠凝劑，經粉碎成不同的粒度混合(40和150目)， 使得不同溶解或膠凝反應速度的物質，在泥漿中基本一致，混合的泥漿在管道和鑽孔中能充分的流動混合，流出鑽孔或管道進入空區和裂隙後，能基本按設定的時間立刻同時凝固成膠體泥漿，使得遠距離輸送泥漿，就地制膠的灌漿工藝變得非常容易。特別在地質災害治理，礦山採空區、塌陷區治理和煤礦採空區及採空區火區治理方面有很好的技術效果。配方組合所選用的材料基本都是市場常用產品，用量少，基本無毒無害環保，成本比其他相同材料要低30%。性能廣，作用強，應用廣泛，特別針對施工人員不能到達的工作區域、有危險的區域、地下空區、礦山採空區等的填充、堵漏、防風、防火、防水的治理工程有很好的應用前景。[具體實施方式
]對本發明做進一步說明，但是本發明不局限於實施例，其中的生產裝置的製造技術對本專業的人來說是非常清楚的。實施例I(A)複合膠凝劑按照重量百分比，分別稱取20 %的膨潤土、20 %硫酸鈣、IO %的氫氧化鈣、12 % 的植物膠、12 %的羧甲基纖維素、16 %的聚丙烯醯胺，8 %的碳酸氫鈉、O. 6 %的氫氧化鈉、 I. 4%氯化鐵混合均勻製備膠凝劑。(B)漿液製備(按照質量份計)(I)將黃土篩分成粒度小於8_的粉狀物，稱取500份土 400份水勻混合成漿液；(2)再將膠凝劑稱取I份；(3)將稱取的膠凝劑加入100份水中並均勻混合成膠凝劑水溶液；(4)將混合好的膠凝劑水溶液以一定的壓力注入到泥水漿液中。(5)將注入膠凝劑水溶液的泥水漿液進一步混合攪拌，3分鐘後形成凝膠，並同時注入到空區和裂隙及破損的煤體表面進行治理。實施例2(A)複合膠凝劑按照重量百分比，分別稱取22%的膨潤土、18%硫酸鈣、5%的氫氧化鈣、20%的植物膠、20 %的羧甲基纖維素、8 %的聚丙烯醯胺，5 %的碳酸氫鈉、I %的氫氧化鈉、I %氯化鐵混合均勻製備膠凝劑。(B)漿液製備(按照質量份計)(I)將黃土篩分成粒度小於8_的粉狀物，稱取500份土與400份水均勻混合成漿液；(2)再將複合膠凝劑稱取5份；(3)將稱取的膠凝劑加入100份水中並均勻混合成膠凝劑水溶液；(4)將混合好的膠凝劑水溶液注入到泥水漿液中；(5)將注入膠凝劑水溶液的泥水漿液進一步混合攪拌6分鐘後形成凝膠，並同時注入到空區和裂隙及破損的煤體表面進行治理。實施例3(A)複合膠凝劑 按照重量百分比，分別稱取18 %的膨潤土、16 %硫酸鈣、15 %的氫氧化鈣、10 %的植物膠、12%的羧甲基纖維素、16%的聚丙烯醯胺，10%的碳酸氫鈉、I %的氫氧化鈉、2%氯化鐵混合均勻製備膠凝劑。(B)漿液製備(按照質量份計)(I)將黃土篩分成粒度小於8mm的粉狀物，稱取550份土與350份水均勻混合成漿液；(2)再將膠凝劑稱取2份；
(3)將稱取的膠凝劑加入100份水中並均勻混合成膠凝劑水溶液；(4)將混合好的膠凝劑水溶液添加到泥水漿液中。(5)將注入膠凝劑水溶液的泥水漿液進一步混合攪拌5分鐘後形成有堆積性泥漿膠體，並同時注入到空區和裂隙及破損的煤體表面進行治理工作。
權利要求
1.灌漿用高分子複合膠凝劑，其特徵在於所述的膠凝劑的成分和重量百分比如下 10 25%的膨潤土, 5 20%的纖維素，5 20%的植物膠，10 15%的氫氧化I丐，10 25%的無機吸溼劑，O. 5 I. 5%的無機分散劑，O. 5 2%的無機絮凝劑，6 18%的有機絮凝劑，5 15%的鹼金屬碳酸鹽。
2.如權I所述的灌漿用高分子複合膠凝劑，其特徵在於所述的纖維素是羧甲基纖維素。
3.如權I所述的灌漿用高分子複合膠凝劑，其特徵在於所述的無機吸溼劑是硫酸鈣。
4.如權I所述的灌漿用高分子複合膠凝劑，其特徵在於所述的無機絮凝劑是氯化鐵。
5.如權I所述的灌漿用高分子複合膠凝劑，其特徵在於所述的有機絮凝劑是聚丙烯醯胺。
6.如權I所述的灌漿用高分子複合膠凝劑，其特徵在於所述的鹼金屬碳酸鹽是碳酸氫鈉。
7.如權I所述的灌漿用高分子複合膠凝劑，其特徵在於所述的複合凝膠與水按 I : 10 I : 100混合形成混合液。
8.一種製備灌漿用高分子複合膠凝劑的方法，其特徵在於所述的方法包含以下步驟，a.將膨潤土、硫酸鈣、氫氧化鈉、碳酸氫鈉加工粉碎成150目及以上的細粉，b.將植物膠、纖維素、聚丙烯醯胺、氫氧化鈉氯化鐵加工粉碎成40目及以上的細粉，c.將步驟(a)和步驟(b)得到的細粉混合30分鐘後得到複合膠凝劑。
9.一種權I所述灌漿用高分子複合膠凝劑的使用方法，其特徵在於該方法步驟如下，i.將粘土或粉煤灰加工成粒度小於8_的粉狀物， .將所述的粉狀物與水以O. 3 : I I : I的比例混合，得到漿液，iii.將所述的膠凝劑與水按I: 10 I : 100的比例混合，得到膠凝劑混合液；iv.將所述的膠凝劑混合液與所述的漿液混合，添加比例如下，與水混合前的膠凝劑重量為楽■液重量的O. 6 6%o。
全文摘要
本發明屬於地質災害治理和煤礦、其他品種礦山開採後的採空區及廢舊巷道、塌陷坑填充治理中的膠凝劑技術領域，提供一種新型灌漿用高分子複合膠凝劑配方和方法。膠凝劑的成分和重量百分比如下10～25％的膨潤土，5～20％的纖維素，5～20％的植物膠，10～15％的氫氧化鈣，10～25％的無機吸溼劑，0.5～1.5％的無機分散劑，0.5～2％的無機絮凝劑，6～18％的有機絮凝劑，5～15％的鹼金屬碳酸鹽，通過加工粉碎，與水混合注入到泥漿中進行膠凝，本發明充分吸收和利用高吸水礦物質和吸水性合成樹脂的特性，引進各種離子基團通過調節得到特定的性能，達到水溶性強但在泥漿中能形成親水而水不溶性的凝膠，並對泥漿中的固體和溶解物質有良好的粘附力，成膠性好，束水功能強，膠凝速度快且可調，成本低，無汙染。
文檔編號C04B12/00GK102603220SQ20121009667
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月1日 優先權日2012年4月1日
發明者趙偉, 趙俊延, 陳新源, 陳雄 申請人:昌吉市先導工程材料有限責任公司