矿山堵水注浆材料胶凝及结构演化机理研究

摘要

矿井水害已经成为矿山建设和生产中的主要灾害之一。水灾害断链减灾的关键手段之一就是应用注浆工程对导水通道及空区、老隆进行治理。水泥液浆，以及速凝水泥浆材在矿山水害治理过程中有着广泛的应用。但是关于其凝结机理的研究往往还停留在理论分析的层次，不能为工程实际提供可靠的依据。
　　注浆选取工业水泥，矿选尾砂，水玻璃速凝剂作为矿井水害材料配比的试验材料。首先，对材料进行了配比试验，获得了不同配比浆料的主要性能参数。分析了凝结时间与抗压强度这两个对水害治理注浆材料性能影响最大的这两个因素。其次，基于NMR技术对三种注浆浆体核磁共振T2弛豫特性以及孔隙率特性进行了研究。最后，在此基础之上探讨了三种配比的注浆浆料在不同龄期时其显微结构的特性和变化。
　　通过实验发现双液注浆材料的凝结时间随着速凝剂掺量的增加而下降，达到一定程度后，速凝剂不再具有速凝效果。在试验配比范围内，当速凝浆及主浆体积比为0.5∶1时凝结时间最短。速凝剂的掺入显著提高了双液浆的早期强度，但牺牲了浆料后期强度发展的潜力。速凝剂掺量的越高，注浆材料的强度也越低。
　　通过注浆材料核磁共振横向弛豫时间的变化趋势，可以推断浆体中毛细孔隙逐步向更小的凝胶孔结构发展。这是由于随着水化反应的进行，水化产物不断生长填充了原有的孔隙造成的。其中纯水泥浆孔隙最小。速凝剂浆体中大孔隙向小孔隙演化的趋势最弱。尾砂的加入，延长了胶凝时间，但是其中的活性成分对注浆材料的后期水化有着一定作用。
　　注浆浆体内部呈蜂窝状网格状结构，但是其网格结构差异显著。纯水泥浆体形成的结构最为致密，网格孔隙在10微米级。速凝水泥中，结构网格间孔隙以及网格结点尺寸都最大，达到了100微米级。注浆材料的抗压强度与其结构的致密程度相关，纯水泥浆料的结构随着水化反应的进行逐渐发展，而添加了速凝剂的浆料虽然能够取得较高的早期强度。但是，有水化反应所引起的结构生长则受到了阻碍。因此，其后期强度远不如纯水泥注浆材料。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 矿山水害灾害链及断减灾关键技术

1．2 研究综述

1．2．1 注浆材料研究现状

1．2．2 基于NMR技术在胶凝机理研究现状

1．2．3 胶凝机理显微结构研究现状

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

2 实验材料及实验方法

2．1 试验原料与特性

2．2 实验方法

2．2．1 注浆材料性能实验方法

2．2．2 基于NMR的浆体水化演化及孔隙率实验

2．2．3 显微结构实验

2．3 小结

3 注浆材料胶凝及强度规律

3．1 水泥凝结机理及速凝作用原理

3．1．1 水泥水化化学过程

3．1．2 速凝剂对水泥速凝的作用原理

3．2 胶凝时间试验结果统计分析

3．2．1 凝结时间配比方案及实验结果

3．2．2 主浆析水率及比重的变化规律

3．2．3 凝结时间规律

3．3 强度试验配比方案及结果

3．3．1 强度试验配比方案与结果

3．3．2 速凝剂及尾砂掺量对浆体强度的影响规律

3．3．3 双液浆强度失效机理探讨

3．4 小结

4 基于NMR的胶凝机理研究

4．1．NMR核磁共振原理

4．1．1 原子核磁性

4．1．2 极化

4．1．3 脉冲翻转

4．1．4 弛豫现象

4．2 注浆材料中水分的核磁共振弛豫机制

4．2．1 孔隙介质的核磁共振弛豫理论

4．2．2 多指数衰减

4．2．3 注浆材料的中水分的构成

4．2．4 不同水分的核磁共振弛豫特性

4．3 核磁共振实验设备

4．3．1 核磁共振试验分析系统

4．3．2 实验参数控制

4．4 NMR注浆材料的水分组分演化研究

4．4．1 试验材料

4．4．2 注浆材料配比

4．4．3 注浆材料中水分的组分研究

4．4．4 注浆材料中水分随水化反应的演化规律

4．4．5 注浆材料水化差异过程差异研究

4．4．6 可蒸发水含量演化规律

4．5 小结

5 注浆材料显微结构比较分析

5．1 注浆材料显微结构分析原理与方法

5．1．1 晶体

5．1．2 晶体光学

5．1．3 不透明矿物的光反射性质

5．1．2 反光偏振显微镜的原理

5．2 显微结构的研究内容

5．3 显微结构分析研究

5．3．1 试验配比

5．3．2 水化组成的显微结构分析

5．3．3 注浆材料凝结体结构的显微结构分析

5．3．4 注浆体中孔隙，裂隙，和断裂的显微结构

5．4 小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 主要创新点

6．3 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要成果目录

致谢