水泥-黄土注浆充填材料的试验研究

采空区危害巨大,目前主要采用注浆充填方式进行处置。水泥-粉煤灰浆液在采空区治理中得到了广泛的应用,但在一些采空区治理工程中,由于缺乏粉煤灰,需要寻找其他低成本的注浆材料。水泥-黄土浆液具有就地取材、工艺简单等优势,是替代水泥-粉煤灰浆液的首选。本文以陕西泾阳、甘肃兰州、山西吕梁黄土为研究对象,通过大量水泥-黄土浆液黏度、结石率、凝结时间、结石体强度等性质的试验,研究了水泥掺量、水固比、黄土类型、水玻璃掺量等因素对水泥-黄土浆液性质及其结石体强度的影响。试验结果表明:随黄土掺量的增加,结石体强度、浆体流动性降低,而凝结时间延长; 水泥-黄土浆液结石体早期强度较低,而后期强度增长较大; 黄土的地域性分布,造成水泥-黄土浆液性质差异较大,黄土的粒径越粗,结石体的强度越高; 与离石黄土浆液相比,马兰黄土浆液性能稳定,强度较高,更适宜于采空区充填注浆; 水玻璃的掺入,使浆液黏度增大,结石率提高,凝结时间缩短,强度减小。本研究成果为采空区注浆设计和施工提供了新的思路。     

水泥-黄土注浆充填材料的试验研究

采空区危害巨大,目前主要采用注浆充填方式进行处置。水泥-粉煤灰浆液在采空区治理中得到了广泛的应用,但在一些采空区治理工程中,由于缺乏粉煤灰,需要寻找其他低成本的注浆材料。水泥-黄土浆液具有就地取材、工艺简单等优势,是替代水泥-粉煤灰浆液的首选。本文以陕西泾阳、甘肃兰州、山西吕梁黄土为研究对象,通过大量水泥-黄土浆液黏度、结石率、凝结时间、结石体强度等性质的试验,研究了水泥掺量、水固比、黄土类型、水玻璃掺量等因素对水泥-黄土浆液性质及其结石体强度的影响。试验结果表明:随黄土掺量的增加,结石体强度、浆体流动性降低,而凝结时间延长;水泥-黄土浆液结石体早期强度较低,而后期强度增长较大;黄土的地域性分布,造成水泥-黄土浆液性质差异较大,黄土的粒径越粗,结石体的强度越高;与离石黄土浆液相比,马兰黄土浆液性能稳定,强度较高,更适宜于采空区充填注浆;水玻璃的掺入,使浆液黏度增大,结石率提高,凝结时间缩短,强度减小。本研究成果为采空区注浆设计和施工提供了新的思路。     

煤矿采空区充填墩台承载特性试验

高浓度浆液注入到采空区后形成充填墩台,墩台搭接尺寸将影响其上覆承载力。为掌握搭接尺寸对上覆承载力影响规律,选取水泥为胶结材料,标准砂为骨料,配制高浓度浆液,并利用3D打印技术制模制作墩台试样,进行单轴抗压试验。结果表明,单个墩台在顶面面积和高度一定时堆积角度越小极限承载力越大;堆积角30°和45°的搭接墩台试样的极限承载能力均在对应的单个墩台的2.0~3.5倍范围,试样硬化后,搭接墩台试样的极限承载力随着搭接尺寸的增加呈先增大后减小的趋势;采用墩台充填的方式进行采空区治理时,合理设置注浆孔间距,使所注浆液在采空区内部形成搭接墩台群,其承载效果优于均匀分布的单个墩台;堆积角30°搭接墩台的场地承载力整体优于堆积角45°的搭接墩台;采空区内取充填堆积角30°搭接墩台,且注浆孔间距为极限搭接尺寸的38.5%时,治理场地内整体承载力最大。研究成果将为高浓度浆液部分充填治理采空区的工程实施提供依据。      

花管注浆在全充填采空区治理工程的应用

为规范采空区治理工程设计方案和施工工艺,杜绝因设计方案导致的治理质量隐患,结合《高速公路采空区(空洞)勘察设计与施工治理手册》,通过对各采空区治理工程试验段试验、检测统计分析,提出全充填压力注浆法设计、施工优化改进技术方案——浆液正循环花管注浆法。此法可完全消除冒落带和裂隙带通道堵塞、钻孔主通道封闭现象,彻底解决传统裸孔注浆法经常出现的注浆表观终止假象;可高压直接作用孔底和孔壁,有效突破煤柱边缘孔底通道;可完全解决注浆孔因堵塞、封闭等原因造成的报废事故,节约投资;提高浆液的充填率和结石率,能够安全有效保证治理质量。     

黏土水泥浆材特性的试验研究

黏土水泥浆材是采空区处治的优选注浆材料,但目前关于优化浆材配比的研究较少。针对毕威高速公路水塘隧道出口段采空区处治工程,提出采用黏土水泥浆液进行注浆处理,并进行室内试验研究,得到了不同配比浆液的凝结时间、结石率、结石密度、结石体抗压强度、渗透系数及冲蚀率等性能指标。试验结果表明,固相比较低的浆液凝结时间较短,抗压强度较高,渗透系数较大;随原浆比重增加,浆液的凝结时间缩短,强度提高且渗透系数降低;偏铝酸钠可有效缩短浆液的凝结时间;最终确定了黏土水泥浆材的配比和原浆比重。本次研究可为高速公路下伏采空区的注浆治理提供设计依据。     

风积沙质胶结充填材料性能对水固比响应分析

煤炭胶结充填开采技术是一项基于生态、地质和资源安全的新型开采技术,质量分数是控制胶结充填材料性能的重要因素。为了掌握风积沙质胶结充填材料对质量分数的响应,试验研究了质量分数对材料多项性能的影响规律。结果表明:抗压强度、坍落度、泌水率、分层度对质量分数的响应较为显著,凝结时间相对较弱。随着质量分数升高,抗压强度增长较快,坍落度、泌水率、分层度明显降低,凝结时间缓慢降低。同时质量分数与材料输送的屈服应力、黏度系数、沿程阻力等具体指标直接相关,但对各指标影响规律存在较大差异。分析认为,质量分数对材料性能和指标的控制是基于水分在材料输送和硬化过程中的化学和物理作用,水分在材料中既是化学反应的参与项,也是物理性能的控制项,对于每一种胶结充填材料均存在合理的质量分数区间。      

孔隙砂岩多次化学注浆试验研究

选取宁东地区典型的孔隙砂岩,采用不同颜色示踪的化学浆液进行4次注浆试验;揭示了浆液在孔隙中的扩散、充填规律及注浆次数与被注岩层渗透系数、孔隙率之间的关系。研究发现：每次化学注浆浆液的充填情况有明显的差别,首次注浆浆液在整个岩样均有较均匀的充填,后续的各次注浆浆液均呈现部分区域积聚充填的现象;随着注浆次数的增加岩样的渗透系数减小,孔隙充填率增加,渗透系数、孔隙充填率与注浆次数的关系可分别采用幂函数及对数函数拟合;4次注浆后岩样的渗透系数减小了97%,说明多次注浆起到了很好的减渗效果。依据试验成果,建立数值计算模型,预测了不同注浆次数、不同开挖条件下注浆孔及井筒的涌水量,并与井筒实际涌水量进行对比,发现两者数据较为吻合,说明依据试验结果建立数值模型进行涌水量预测是可行的。     

大型复杂采空区注浆效果检测方法研究

大型复杂采空区由于具有分布范围广、多层、厚度及埋深不等和周围岩性复杂等特点,导致其注浆质量检测难度较大,目前尚无可靠的系统检测方法。结合某采空区注浆工程实践,对浆液结石体的电阻率进行了现场试验,得到了浆液结石体的视电阻率范围为93～130m,与采空区及围岩均有较大差异。运用电测深法和电磁波CT对采空区注浆前后进行检测,发现注浆后浅部0～30m范围内,视电阻率普遍得到降低且变得相对均匀稳定; 深部低阻异常在注浆后电阻率也得以减弱,且均匀范围明显扩大; 电磁波吸收系数在40～70m范围内得到提高约25%。钻探取心发现,多数孔内可见注浆结石体; 检测孔的后期注浆中, 10个孔的注浆量均不大于周围相邻4个孔的注浆量平均值的15%。对以上检测结果分析可知:采空区在物性特征上表现为较低的电磁波吸收系数,注浆以后升高; 地下水位之上的采空区表现为较高的电阻率,注浆之后降低,地下水位以下的采空区则反之。注浆前后采空区物探差异明显,本段落采空层的浆液充填效果较好,几种检测方法的结果具有良好的对应关系。同时表明,采用全域检测的电测深和局部详查的电磁波CT相结合的物探方法,与钻探取心结果及检测孔后期注浆数据进行分析对比,可以对大型复杂采空区注浆效果进行有效检测和评价,可为类似采空区提供借鉴。     

考虑黏度时变性的水泥浆液盾构壁后注浆扩散规律及管片压力模型的试验研究

对水泥浆液黏度时变性进行了试验研究,证实了工程常用水灰比范围内水泥浆液服从宾汉姆流体特性;不同水灰比浆液黏度均随注浆时间增大而大幅度增加。根据试验结果,考虑注浆过程中水泥浆液黏度随时间的变化,对盾构壁后注浆水泥浆液的扩散规律及因注浆而造成的管片压力进行了推导及分析。计算表明：相同注浆时间条件下,水泥浆液扩散半径及注浆对管片产生的压力值均随注浆压力的增大而增大。考虑浆液黏度时变性后,扩散半径、注浆对管片压力值等均较不考虑浆液时变性时减小,且随注浆压力的增大,浆液黏度变化对管片压力值的影响更加明显。相同注浆压力条件下,浆液扩散半径及对管片产生的压力值均随注浆时间的增长而增加,但注浆前期增长速度较快,而后逐渐减缓。研究成果对于盾构壁后注浆工艺选择及参数设计具有较大的指导意义。     

煤矿采空区场地注浆设计及治理效果检测分析

拟建徐州工业园区南湖小学场地下存在多层采空区,对建筑物的影响较大。根据项目规划、煤层开采情况和场地岩土工程条件,在场地稳定性评价的基础上,提出了场地采空区地基注浆治理设计,确定了采空区治理范围、深度、注浆孔平面布置及工作量、注浆施工工艺顺序、注浆主要材料及浆液比级。注浆施工结束后,采用钻孔取心、波速测试、室内单轴抗压强度试验和钻孔压水试验等方法对场地注浆效果进行了综合检测,所得检测结果均达到预期的注浆效果,场地注浆充填治理的质量达到了采空区治理设计要求,可为类似场地注浆治理工程施工提供参考。     

浆液-风积沙双相介质充填材料堆积角度实验研究

堆积角度是描述充填材料采空区内空间堆积形态的一个重要参数,对确定钻孔间距、优化浆液配置、调整注浆工艺参数具有重要的指导意义。为掌握浆液-风积沙双相介质充填材料堆积角度变化规律,采用尾矿自流堆积模型实验和流变特性实验,以风积沙的质量掺入比为变量,分别测定不同含砂率条件下浆料堆积参数和流变参数,并以此为基础对Sofra&Boger公式进行了回归修正,建立适合于浆液-风积沙双相介质充填材料的堆积角度计算式,为充填材料堆积角度定量评价提供了一条新途径。      

岩溶基底隧道拱顶沉陷三段四层关键技术研究

为有效治理岩溶基底城市隧道拱顶地层沉陷地质灾害,在充分探明沉陷区水文地质、工程地质特征的基础上,提出了“三段四层控制技术”,将治理区划分为沉陷区重点加固段、影响区次重点加固段和超前加固段;再根据治理深度和治理顺序进一步把沉陷区重点加固段分为顶部阻浆层、拱顶止浆垫层、拱顶加固层和中间加固层,研究了每段、每层注浆加固机理、浆液类型选择和控制注浆参数。研究成果表明,采用孔内复合止浆技术满足不同深度地层分段注浆为主、垂直孔和定向斜孔相结合,充填注浆、劈裂-挤密注浆相结合,以速凝浆液为主、单液水泥浆为辅,严格控制安全注浆参数,是“三段四层控制技术”安全有效注浆的技术关键,该技术方案在岩溶基底城市隧道拱顶地层沉陷地质灾害治理方面,取得了较好的注浆加固效果,有良好的推广应用价值。      

Rheological characteristics of mixed kaolin–sand slurry,impacts of pH,temperature, solid concentration and kaolin–sand mixing ratio

Significant amount of slurry waste is produced from mineral processing plants globally constituting high levels of both kaolin and sand in aqueous suspension. Large quantities of slurry and mine tailings require efficient handling, transportation and storage system. The transportation and treatment of kaolin–sand slurry is dependent on its rheological behaviour which is a function of temperature, total solid concentration and pH. In this study, the effects of total solid concentration, pH and temperature on rheological behaviour of kaolin–sand mixture were investigated. These parameters were varied to analyse the viscosity, yield stress, flow index and shear force requirements of the mixed kaolin–sand suspension as a function of these varying parameters. Experimental rheological investigation conducted on rotational stress-controlled rheometer equipped with Peltier concentric cylinder system showed that the kaolin–sand mixture suspension is shear thickening in nature. The shear stress-rate rheograms for the kaolin–sand suspension can be modelled by the Herschel–Bulkley model with high levels of accuracy for pH range of 4–11, temperature range of 20–50 °C and solid concentration of 5–50 %. Solid concentration of the suspension was found to significantly affect the rheological behaviour of the mixture where higher kaolin–sand slurry concentration resulted in greater viscosity and the trend becoming less predictable for solid concentration greater than 50 % by weight. pH was another factor affecting the rheological behaviour of kaolin–sand slurry. pH of 3 or less resulted in the dramatic increase of viscosity of the suspension possibly due to the isoelectric point of the mixture system found between pH of 3 and 4.     

长距离非开挖穿越技术在岩石层、砂层的施工实践

立沙油品储运项目输油管道东江穿越工程,管道穿越水平距离为1085m。穿越地层主要为不同风化程度的花岗岩及砂层等复杂地层,其中穿越最硬岩石单轴饱和抗压强度达到36．7MPa,采用大型非开挖水平定向钻机进行施工。简述了施工测量及确定方位角、钻导向孔、扩孔及管道回拖等主要施工过程。通过采用加设直径300mm导向套管、布置人工磁场等施工措施,有效地保证了穿越轨迹与设计曲线重合;存泥浆中添加堵漏剂等外加剂,防止泥浆从岩石裂隙巾流失;在施工至砂层时增加泥浆粘度及添加润滑剂等措施防止塌孔．同时减小扩孔及回拖阻力：采用开挖发送沟并在沟内灌水,使管道存孔内保持悬浮状态等措施以减少管道的摩擦阻力,确保管道顺利回拖。     

煤矿井下水砂突涌钻孔封孔技术研发与应用

桑树坪煤矿采取地面注骨料和井下注浆技术治理奥灰(奥陶纪灰岩)岩溶陷落柱时,施工的3个常规检查钻孔出现严重的水砂突涌现象,封孔难度极大,采取向孔内下入木楔、反丝止浆塞等方法均封孔失败。针对此难题,提出带压顶替注浆封孔技术,首先,向孔内注入大于套管体积的清水以确保孔内通畅,避免砂粒填充至套管内,导致封孔深度未达到套管以下稳定岩层;之后,采取低泵量向孔内多次循环注入大于套管体积的稀水泥浆;最后,待水泥浆凝固后,采取小直径钻头钻进至套管外以检查大孔径钻孔的封孔质量。该技术成功应用于3个常规检查钻孔封堵工程,实践发现:先期注浆封孔水泥浆液水灰比宜选取1︰1,单次候凝时间宜选取3~4 d,延长水泥浆候凝时间,可提高钻孔封孔质量。此技术适用于井下狭小空间作业,可防止孔口涌水涌砂,避免孔内水砂高速流动,确保封孔质量及人员安全,为封堵类似水砂突涌钻孔提供技术借鉴。      

冻结孔泥浆置换中缓凝水泥浆及混合浆的性能劣化规律

冻结孔泥浆置换已成为岩层冻结法凿井的必需环节,但冻结管下放易遭遇浆液黏滞阻力过大,甚至被“抱死”导致钻孔报废。为深入掌握深孔环境中水泥浆及其与泥浆混合浆的性能劣化规律,以表观黏度作为衡量指标,考虑养护时间、温度、失水状态及混合浆的体积比等因素,分别开展缓凝水泥浆、混合浆的室内试验研究。结果表明:养护时间20 h内,水泥浆和混合浆的黏度均随养护时间延长而增长,但混合浆黏度值及增长速率远超过水泥浆;二者黏度与温度之间呈非线性变化关系;失水状态加速浆液的黏度增长,尤其是对混合浆的黏度影响更大;混合浆的黏度与体积比之间呈现为非线性关系;与缓凝水泥浆相比,混合浆的黏度剧增等性能劣化现象,受养护时间、温度及失水状态的影响都更为显著。分析认为,水泥与泥浆的混合浆液的黏度骤升、流动性大幅下降甚至丧失,是冻结管下沉阻力过大甚至被“抱死”的关键原因;因此,控制浆液混合段高度,抑制混合浆的黏度增长,是保证冻结管安全顺利下沉的关键。