蒙西矿区黄砂灌浆成胶原理及配比实验研究

姚海飞

(1.中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京 100083；2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

纳林河二号矿井位于鄂尔多斯高原东南部、区域性地表分水岭“东胜梁”的南侧，其地理位置属于蒙西地区。为了预防纳林河二号矿井3-1煤层在开采过程中因煤层自燃而影响生产进度、可能造成人员伤亡和经济损失，煤炭科学技术研究院有限公司先后为该矿井开展了煤自燃倾向性鉴定、煤自然发火标志气体优选、束管监测和注氮防灭火系统设计等防灭火技术服务。研究发现，3-1煤层自燃倾向性等级为Ⅰ类，属容易自燃煤层，该煤层以CO、C2H4及C2H2作为指标性气体，辅助指标气体为C3H8和C3H8/C2H6。

由于3-1煤层为易自燃煤层，故需要采取完善的防灭火技术措施，建立灌浆系统是必要的。煤矿井下防灭火注浆材料一般要具备5个基本性能[1-5]：①不含可燃或助燃物质；②易成浆，并利于通过管道进行水力输送；③具有必要的黏结性、稳定性和脱水性；④制成的浆液具有较大的渗透力和较小的收缩率；⑤注浆材料堆成的实体具有足够的密封性能。

目前，在煤矿现场应用最多的浆体材料主要是黄土和粉煤灰。由于黄土中存在黏土成分，故极容易成浆；而粉煤灰和砂土材料受粒径大小限制、且部分颗粒不易溶于水，因此在成浆过程中易出现沉淀，为便于运输和使用，注浆时需要添加悬浮剂和胶凝剂调节浆液性能。纳林河二号矿井位于毛乌素沙漠东部，具有高原沙漠地貌特征，为风积半流动和半固定沙丘地貌，为新月形或波状沙丘，地表均被第四系风积沙所覆盖，没有基岩出露，地表有大量的黄砂可作为注浆材料。采用黄砂制备的悬砂胶体应具备增稠作用、可泵性、耐高温性、保水性、使用方便、操作简单、无毒无味无害等性能[6-9]。为提高注砂质量，笔者进行砂土灌浆胶体制备实验，以期优选出防灭火效果良好、成本经济的悬浮剂、胶凝剂的配方及配比，力求满足矿井砂土灌浆防灭火的需求。

1 骨料成分分析

1.1 黄砂成分分析

黄砂样品取自纳林河二号矿井矿区地面。将黄砂样品用0.25 mm(60目)分样筛去除大块杂质，取30 g样品置于干燥箱中干燥24 h，用密封袋密封，在实验室进行XRD和SEM测试分析。

黄砂样品与标准卡片对照的XRD实验谱图如图1所示。

通过与标准数据库(ICDD)中的卡片(PDF：46-1045，46-1215，03-0865)相对比，可知纳林河二号矿井黄砂的主要成分为SiO2(质量分数为50%～60%)，另外2种质量分数占比较高的物质为Al2O3和CaO2。峰强度表明结晶度的好坏，峰越尖表明结晶度越好，由图1可知黄砂中SiO2结晶度最好。

黄砂是岩石被风化后经雨水冲刷或由岩石轧制而形成的岩石粒料。黄砂样品的SEM测试结果如图2所示。

(a)100倍电镜下的砂粒

(b)400倍电镜下的砂粒

(c)5 000倍电镜下的砂粒图2 黄砂样品SEM测试图

由图2可知，纳林河二号矿井的黄砂样品中颗粒的最大粒径为0.41 mm，最小粒径为0.04 mm，平均粒径为0.16 mm，粒径分布情况见表1。

表1 黄砂样品颗粒粒径分布

由表1可知，粒径为[0.10，0.20) mm的黄砂占比最高，达57%，基本符合防灭火灌浆材料含砂颗粒粒径小于0.5 mm的物理性能指标要求。

1.2 黄土成分分析

黄土是由风搬运沉积的第四纪陆相粉砂质富含碳酸钙的土状沉积物，主要由粉粒构成，具有大孔隙和垂直节理特征，其颜色呈棕黄、灰黄或褐黄。样品取自纳林河二号矿井周边地表，黄土样品与标准卡片对照的XRD实验谱图如图3所示。

图3 黄土样品与标准卡片对照XRD实验谱图

通过与标准数据库(ICDD)中的卡片(PDF：46-1045，17-0763，18-0297)相对比，可知黄土的主要成分为SiO2(质量分数为60%～70%)，此外质量分数占比较高的2种物质为CaCO3和CaC2O4。

黄土的物理性质表现为疏松、多孔隙，其垂直节理发育、极易渗水，且含有许多可溶性物质。黄土样品的SEM测试结果如图4所示。

(a)50倍电镜下的黄土

(b)1 000倍电镜下的黄土

(c)10 000倍电镜下的黄土图4 黄土样品SEM测试图

由图2可知，黄土样品中颗粒的最大粒径为 0.13 mm，最小粒径为0.01 mm，平均粒径为0.06 mm，粒径分布情况见表2。

表2 黄土样品颗粒粒径分布

由表2可知，94%的黄土粒径介于(0，0.10) mm，黄砂样品中仅19%的黄砂粒径介于(0～0.10) mm，黄土相较于黄砂更细。颗粒粒径太大既不利于成浆，也容易在管道中沉积。如果使用黄砂灌浆则需添加一定量的悬浮剂和胶凝剂，通过添加剂调节黄砂浆体性质，使浆液能混合、不堵管、易输送。

2 成胶原理分析

2.1 悬浮剂成分分析

利用红外光谱实验对悬浮剂的成分进行分析，悬浮剂的红外光谱谱图如图5所示。

图5 悬浮剂的红外光谱谱图

由图5可知，在波数为3 400 cm-1的附近出现酰胺N—H伸缩振动吸收峰，在波数为1 600 cm-1的附近出现酰胺CO伸缩振动吸收峰，在波数为1 025 cm-1的附近出现烯烃C—H面外弯曲振动吸收峰，表明悬浮剂多含有酰胺键、碳碳双键等官能团。

2.2 胶凝剂成分分析

实验用胶凝剂是一种高分子材料，通过傅里叶红外光谱仪对其成分进行分析，胶凝剂的红外光谱谱图如图6所示。

图6 胶凝剂的红外光谱谱图

由图6可以看出，在波数为3 400 cm-1的附近出现酰胺N—H伸缩振动吸收峰，在波数为1 600 cm-1的附近出现酰胺CO伸缩振动吸收峰，在波数为1 400 cm-1的附近出现酰胺C—N伸缩振动吸收峰，在波数为1 100 cm-1的附近出现C—O伸缩振动吸收峰，在波数为1 000 cm-1的附近出现烯烃C—H面外弯曲振动吸收峰，在波数为780 cm-1的附近出现N—H弯曲振动吸收峰，表明胶凝剂含有酰胺键、碳碳双键及醚键等官能团。醚是由一个氧原子连接两个烃基的有机化合物，由于醚键的存在，胶凝剂在一定条件下会发生一些特殊的化学反应，例如与强酸生成盐，与缺电子化合物生成络合物[10-12]。

由胶凝剂的成分及红外光谱谱图分析可知，其主要成胶组分为一种线性大分子材料，复合胶体胶凝剂结构如图7所示。

图7 复合胶体胶凝剂结构图

2.3 复合胶体成胶原理分析

线性高分子材料的水解成胶过程如图8所示。

图8 线性高分子材料的水解成胶过程示意图

线性高分子材料遇到水时，会吸收大量的水分，使高分子链伸展开。每个高分子链段与多个砂浆颗粒之间产生氢键和其他作用力，从而形成不能流动的复合胶体。线性高分子通过架桥作用形成的复合胶体是结构复杂的混合物，砂浆中的颗粒物与高分子材料间存在氢键等分子间力，因而复合胶体具有一定的强度[13-14]。由于大部分线性高分子链段通常呈弯曲状态，且具有柔韧性，因此这类胶体在较小形变下不会破裂，其属于弹性胶体，受力后形状和结构可以恢复。

3 悬砂胶体制备实验

各种胶体材料的成分不同，其物理和化学性质会有一定的差异，而胶体材料的物理和化学性质直接决定其防灭火性能[15]。为了取得良好的悬砂效果，笔者通过胶凝剂和悬浮剂不同的添加量和水砂比的配比实验，确定制备黄砂砂浆时的最佳添加量及水砂比。

3.1 使用悬浮剂配制黄砂砂浆

先使用悬浮剂溶液与黄砂配制黄砂砂浆，观察黄砂砂浆的悬浮状态。根据经验，悬浮剂添加量太小则砂粒无法悬浮，太大则会造成悬浮剂无法完全溶解，产生“结块”现象。因此，选择悬浮剂的添加量(占悬浮剂溶液质量的百分比，下同)为1.0%、2.0%、3.0%，水砂比(悬浮剂溶液与黄砂的质量比，下同)为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1进行正交试验。实验开始前，先将黄砂用0.25 mm(60目)的分样筛去除大块杂质，再放入干燥箱内干燥12 h，确保其完全干燥。

受篇幅所限，仅展示质量比为1.0%悬浮剂、不同水砂比条件下不同时间黄砂砂浆悬浮状态的实验图，如图9所示。实验过程中，悬浮剂能够全部溶解于水，配制好的悬浮剂溶液无“结块”现象。

(a)初始状态

(b)30 min

(c)1 h

(d)2 h图9 在悬浮剂添加量为1.0%及4种水砂比条件下 不同时间黄砂砂浆的悬浮状态

由图9可以看出，在悬浮剂添加量为1.0%的条件下，初始时刻，只有水砂比为1∶1的黄砂砂浆呈悬浮状态，其余水砂比的黄砂砂浆从搅拌均匀之后砂粒就开始下沉，很快就出现了明显的分层现象，并且水砂比越大，砂粒下沉的速度越快；10 min后，水砂比为1∶1的黄砂砂浆也开始分层；30 min后各水砂比的黄砂砂浆均出现明显的分层现象，已基本无差别。

在悬浮剂添加量为2.0%的条件下，实验过程中，配制好的悬浮剂溶液基本无“结块”现象。初始时刻，水砂比为1∶1、2∶1的黄砂砂浆悬浮效果良好，水砂比为3∶1的黄砂砂浆悬浮效果一般，水砂比为4∶1的黄砂砂浆已出现明显的分层现象；在 30 min时，水砂比为2∶1的黄砂砂浆出现不明显的分层现象；在1 h时，水砂比为1∶1的黄砂砂浆开始出现不明显的分层现象；2 h后所有水砂比的黄砂砂浆均出现了明显的分层现象。

在悬浮剂添加量为3.0%的条件下，实验过程中，配制好的悬浮剂溶液有轻微的“结块”现象。初始时刻，水砂比为1∶1、2∶1、3∶1的黄砂砂浆悬浮效果良好，水砂比为4∶1的黄砂砂浆悬浮效果一般，出现了颜色不明显的分层现象，且下层沉砂较多；在30 min时，水砂比为3∶1、4∶1的黄砂砂浆均出现了明显的分层现象；在1 h时，水砂比为2∶1的黄砂砂浆开始出现明显的分层现象，水砂比为1∶1的黄砂砂浆悬浮状态良好；在2 h后，水砂比为1∶1的黄砂砂浆也出现了不明显的分层现象，开始分层的时间约为1.5～2.0 h。

在悬浮剂添加量为3.0%的条件下，悬浮剂已不能完全溶解于水，出现了轻微的“结块”现象，所以悬浮剂的最大添加量不能超过3.0%。

通过对上述实验中黄砂砂浆的性状观察，单纯添加悬浮剂并不能生成悬砂胶体(另通过实验及检索资料得知单纯添加胶凝剂也不能生成悬砂胶体)，所以悬浮剂和胶凝剂必须配合使用才能生成满足矿井注浆要求的悬砂胶体。

3.2 使用悬浮剂和胶凝剂配制黄砂复合胶体

通过胶凝剂溶解实验发现，胶凝剂在水中的最大溶解量(质量比)为2.0%，超过2.0%就无法完全溶解，出现严重的“结块”现象，故选取胶凝剂的添加质量比为0.5%、1.0%、2.0%。

根据悬浮剂添加量实验结果，选取悬浮剂添加量为1.0%、2.0%、3.0%，与不同添加量的胶凝剂进行正交试验。选取水砂比为2∶1，水砂比太大则悬浮成胶效果差，水砂比太小则用水量过大，不符合现场实际应用要求。实验开始前，先将黄砂用0.25 mm(60目)的分样筛去除大块杂质，再放入干燥箱内干燥12 h，确保其完全干燥。

受篇幅所限，仅展示质量比为1.0%悬浮剂、水砂比2∶1条件下不同胶凝剂添加量及不同时间悬砂胶体成胶状态的实验图，如图10 所示。

(a)初始状态

(b)30 min

(c)1 h

(d)2 h图10 在悬浮剂添加量为1.0%、水砂比为2∶1的条件下 3种质量比胶凝剂在不同时间黄砂砂浆的悬浮状态

由图10可以看出，在悬浮剂添加量为1.0%、水砂比为2∶1的条件下，悬浮剂和胶凝剂能够全部溶解于水，配制出的胶体溶液无“结块”现象。在初始时刻，胶凝剂添加量为1.0%和2.0%的悬砂胶体悬浮状态良好，胶凝剂添加量为0.5%的悬砂胶体出现了轻微的分层现象；在30 min时，胶凝剂添加量为0.5%和1.0%的悬砂胶体已出现了较明显的分层沉淀现象，2.0%的悬砂胶体则出现了不明显的分层现象；在1 h时，胶凝剂添加量为2.0%的悬砂胶体沉淀现象更加明显；在2 h时，3种悬砂胶体全部出现了明显分层现象，砂粒已基本沉淀。

在悬浮剂添加量为2.0%、水砂比为2∶1的条件下，悬浮剂和胶凝剂能够全部溶解于水，配制出的胶体溶液无“结块”现象。在初始时刻，3种质量比的悬砂胶体悬浮状态均良好，形成了黏稠、可流动的胶体溶液，近距离观察时，几乎看不到砂粒向下沉淀运动；在30 min时，3种质量比的悬砂胶体依然保持良好的成胶状态，未出现分层现象；在1 h时，胶凝剂添加量为0.5%的悬砂胶体出现了不明显的分层现象；在2 h时，胶凝剂添加量为0.5%的悬砂胶体出现明显分层现象，添加量为1.0%的悬砂胶体出现了轻微分层现象，而添加量为2.0%的悬砂胶体悬浮状态依然良好；在3 h左右，3种质量比的悬砂胶体开始出现分层现象，4 h后砂粒完全沉淀。

在悬浮剂添加量为3.0%、水砂比为2∶1的条件下，悬浮剂和胶凝剂已经不能够完全溶解于水，配制出的胶体溶液出现了白色的“结块”现象，且随着胶凝剂添加量的增大，胶体溶液的黏稠程度也呈增大趋势。在初始时刻，3种质量比的悬砂胶体悬浮状态均良好，形成了黏稠、可流动的胶体溶液，近距离观察时，几乎看不到砂粒向下沉淀运动；在 30 min时，胶凝剂添加量为0.5%的悬砂胶体出现了轻微的分层现象；在1 h时，胶凝剂添加量为0.5%和1.0%的悬砂胶体出现了较明显的分层现象，2.0%的悬砂胶体仍未出现分层现象；在2 h时，胶凝剂添加量为0.5%和1.0%的悬砂胶体出现了明显的分层现象，2.0%的悬砂胶体也出现了不明显的分层现象。表明悬浮剂的添加量会影响胶凝剂的溶解度和成胶效果，会存在一个悬浮剂和胶凝剂的最佳配比。

综合上述配比实验的结果，利用纳林河二号矿井周边黄砂制备的悬砂胶体中悬浮剂和胶凝剂的添加量存在一个最佳配比，小于最佳配比则无法达到良好的悬浮成胶效果，大于最佳配比则悬浮剂、胶凝剂无法完全溶解于水，不仅影响成胶效果，还会造成材料的浪费。通过实验确定的最佳配比中悬浮剂为2.0%，胶凝剂为2.0%，水砂比为2∶1。

4 结论

1)纳林河二号矿井黄砂的主要成分为SiO2(质量分数为50%～60%)，另外2种质量分数占比较高的物质为Al2O3和CaO2。黄土的主要成分为SiO2(质量分数为60%～70%)，另外2种质量分数占比较高的物质为CaCO3和CaC2O4。

2)线性高分子材料遇到水时，会吸收大量的水分，使高分子链伸展开。每个高分子链段与多个砂浆颗粒之间产生氢键和其他作用力，从而形成不能流动的复合胶体。

3)胶凝剂在水中的最大溶解量为2.0%，超过2.0%就无法完全溶解，出现严重的“结块”现象。利用纳林河二号矿井周边黄砂制备的悬砂胶体中悬浮剂和胶凝剂的添加量存在一个最佳配比，通过实验确定的最佳配比中悬浮剂为2.0%，胶凝剂为2.0%，根据现场实际需要及灌浆管路的距离选择水砂比为2∶1。