凍結管充填用水泥漿及凍結管充填工藝

《凍結管充填用水泥漿及凍結管充填工藝》是中煤特殊鑿井有限責任公司於2015年9月28日申請的發明專利，該專利申請號為201510633716X，公布號為CN105236867A，專利公布日為2016年1月13日，發明人是成中海、陸衛國、亓燕秋、李子祥、武勝男、豆安峰、黃智、魏延平。

《凍結管充填用水泥漿及凍結管充填工藝》凍結管充填用水泥漿，包括氯化鈣水溶液、水泥、黏土粉和纖維素，其中氯化鈣水溶液與水泥的重量比為0.8～1:1，黏土粉的添加比例為水泥重量的1％～3％，纖維素的添加比例為氯化鈣水溶液重量的0.1％～0.5％。該發明還提供一種採用上述凍結管充填用水泥漿的凍結管充填工藝，包括注漿前的準備工作、凍結管充填用水泥漿的配製、凍結管充填用水泥漿的灌注、回收供液管等步驟。該發明凍結管充填用水泥漿具有防凍的性能，其冰點可達到零下30～40℃，因此能夠在負溫環境下，即井筒凍結工程停凍後即可對凍結管進行正常充填，從而節省作業時間，另外該發明初凝時間適宜，成型後單軸抗壓強度可達到4.875兆帕。

2020年7月17日，《凍結管充填用水泥漿及凍結管充填工藝》獲得安徽省第七屆專利獎優秀獎。

（概述圖為《凍結管充填用水泥漿及凍結管充填工藝》的附圖摘要）

基本介紹

• 中文名：凍結管充填用水泥漿及凍結管充填工藝
• 公布號：CN105236867A
• 公布日：2016年1月13日
• 申請號：201510633716X
• 申請日：2015年9月28日
• 申請人：中煤特殊鑿井有限責任公司
• 地址：安徽省淮北市東山路131號
• 發明人：成中海、陸衛國、亓燕秋、李子祥、武勝男、豆安峰、黃智、魏延平
• 代理機構：合肥市上嘉專利代理事務所
• 代理人：王偉
• Int.Cl.：C04B28/02(2006.01)I、C04B14/10(2006.01)N、C04B24/38(2006.01)N、C04B22/12(2006.01)N
• 類別：發明專利

專利背景

人工凍結法是中國煤礦建設的主要特殊鑿井工法，通常它採用鹽水（冷媒劑）循環系統將地面製冷站製取的冷量源源不斷地輸送到地下，再由凍結管與土（岩）層進行熱交換，並在凍結管周圍形成井筒施工的臨時圍護結構即凍結壁。隨著凍結技術的進步，井筒的凍結深度也越來越大，凍結管不但要穿越不穩定的含水錶土地層，還要穿過破碎岩層、含水岩層及井筒馬頭門等硐室結構，凍結孔、管可能成為日後井筒外地層上下導水通道，對井筒的使用安全會帶來威脅。為此，相關的規範和標準規定了對凍結管及管外環空充填的要求，以防止從凍結孔、管將井外地層水導入井筒內，如《煤礦井巷工程施工規範》（GB50511-2010）規定，凍結工程完成後，不回收凍結管時，凍結管套用水泥漿充填《煤礦建設安全規程》（AQ1083-2011）規定，凍結孔必須及時用水泥漿或混凝土充填，充填容積不得小於計算容積的95％。

截至2015年9月，凍結管外環空採用緩凝水泥漿置換泥漿的方法，已較好地解決了管外的導水通道問題。但凍結工程結束後，對於解決凍結管內的充填因遇到負溫環境下水泥漿結凍的難題，實際充填方法各異，有的採用碎石或碎石摻乾水泥充填，或用碎石黏土球充填，或待凍結壁融化後再用水泥漿充填。

鑒於當前建井速度的加快，礦山建設方需要在井筒凍結工程停凍後即進行凍結管充填，此時的凍結壁尚未開始解凍，凍結管周圍溫度在-20℃～-30℃，在採用普通的水泥漿或含水材料都難以實施正常的充填的情況下，就需要解決充填材料的防凍問題。

發明內容

專利目的

《凍結管充填用水泥漿及凍結管充填工藝》所要解決的技術問題是提供一種能夠在負溫環境下正常充填，並且充填效果好的凍結管充填用水泥漿。

技術方案

《凍結管充填用水泥漿及凍結管充填工藝》包括氯化鈣水溶液、水泥、黏土粉和纖維素，其中氯化鈣水溶液與水泥的重量比為0.8～1:1，黏土粉的添加比例為水泥重量的1％～3％，纖維素的添加比例為氯化鈣水溶液重量的0.1％～0.5％。進一步的，其中氯化鈣水溶液與水泥的重量比為1:1，黏土粉的添加比例為水泥重量的1％，纖維素的添加比例為氯化鈣水溶液重量的0.3％。進一步的，所述氯化鈣水溶液的濃度為24～30波美度。氯化鈣水溶液的濃度在此範圍內，能夠使凍結管充填用水泥漿的防凍性能達到較好的水平。該發明凍結管充填用水泥漿的優點在於：該發明具有防凍的性能，其冰點可達到零下30～40℃，因此能夠在負溫環境下，即井筒凍結工程停凍後即可對凍結管進行正常充填，從而節省作業時間，另外該發明初凝時間適宜，成型後單軸抗壓強度可達到4.875兆帕。

該發明還提供一種採用上述凍結管充填用水泥漿的凍結管充填工藝，包括以下步驟：

（1）注漿前的準備工作對作業現場進行清理，準備好所需材料，安裝好所需設備，拆除鹽水配、集液圈，打開凍結器頭部；

（2）凍結管充填用水泥漿的配製將氯化鈣水溶液抽至漿池內，再加入水泥、黏土粉和纖維素，攪拌均勻，即得凍結管充填用水泥漿，在灌注前保持凍結管充填用水泥漿的攪拌；

（3）凍結管充填用水泥漿的灌注將凍結管內的供液管上拔1米～2米，然後用高壓軟管連通灌漿泵與供液管，並打開高壓軟管末端安裝的放氣閥，然後開啟灌漿泵輸送凍結管充填用水泥漿，待放氣閥的排氣口出漿時關閉放氣閥，凍結管充填用水泥漿通過高壓軟管和供液管在虹吸作用下連續輸送到凍結管內，當充填高度達到一個段長時，停止送漿，同時打開放氣閥，然後將供液管向上拔出一個段長令供液管的末連線埠位於凍結管內的凍結管充填用水泥漿面以上，再進行下一個段長的充填，直到達到凍結管所需的充填高度為止；

（4）回收供液管補入凍結管充填用水泥漿至凍結管管口，然後拔出供液管，並用鹽水將供液管沖洗乾淨；

（5）凍結管管口處理經驗收合格後，管口用鋼質蓋板封焊。進一步的，所述一個段長為150米～200米。

改善效果

《凍結管充填用水泥漿及凍結管充填工藝》利用凍結管內原有的供液管來輸送凍結管充填用水泥漿，這樣可以簡化作業流程，減少材料投入，實現快速安全施工，可在施工質量得到保證的同時建井工期也得以縮短，充填效率高，並且充填完成後，供液管可以被全部回收並能被再次利用，從而可以節省器材、降低成本。

附圖說明

圖1是《凍結管充填用水泥漿及凍結管充填工藝》凍結管充填工藝流程圖。

圖1

技術領域

《凍結管充填用水泥漿及凍結管充填工藝》涉及凍結法施工領域，具體地說涉及一種凍結管充填用水泥漿及凍結管充填工藝。

權利要求

1.《凍結管充填用水泥漿及凍結管充填工藝》由氯化鈣水溶液、水泥、黏土粉和纖維素組成，其中氯化鈣水溶液與水泥的重量比為0.8～1:1，黏土粉的添加比例為水泥重量的1％～3％，纖維素的添加比例為氯化鈣水溶液重量的0.1％～0.5％，所述氯化鈣水溶液的濃度為24～30波美度。

2.如權利要求1所述的凍結管充填用水泥漿，其特徵在於：其中氯化鈣水溶液與水泥的重量比為1:1，黏土粉的添加比例為水泥重量的1％，纖維素的添加比例為氯化鈣水溶液重量的0.3％。

3.採用權利要求1至2中任一項所述的凍結管充填用水泥漿的凍結管充填工藝，包括以下步驟：（1）注漿前的準備工作對作業現場進行清理，準備好所需材料，安裝好所需設備，拆除鹽水配、集液圈，打開凍結器頭部；（2）凍結管充填用水泥漿的配製將氯化鈣水溶液抽至漿池內，再加入水泥、黏土粉和纖維素，攪拌均勻，即得凍結管充填用水泥漿，在灌注前保持凍結管充填用水泥漿的攪拌；（3）凍結管充填用水泥漿的灌注將凍結管內的供液管上拔1米～2米，然後用高壓軟管連通灌漿泵與供液管，並打開高壓軟管末端安裝的放氣閥，然後開啟灌漿泵輸送凍結管充填用水泥漿，待放氣閥的排氣口出漿時關閉放氣閥，凍結管充填用水泥漿通過高壓軟管和供液管在虹吸作用下連續輸送到凍結管內，當充填高度達到一個段長時，停止送漿，同時打開放氣閥，然後將供液管向上拔出一個段長令供液管的末連線埠位於凍結管內的凍結管充填用水泥漿面以上，再進行下一個段長的充填，直到達到凍結管所需的充填高度為止；（4）回收供液管補入凍結管充填用水泥漿至凍結管管口，然後拔出供液管，並用鹽水將供液管沖洗乾淨；（5）凍結管管口處理經驗收合格後，管口用鋼質蓋板封焊。

4.如權利要求3所述的凍結管充填工藝，其特徵在於：所述一個段長為150米～200米。

實施方式

• 實施例1

《凍結管充填用水泥漿及凍結管充填工藝》包括氯化鈣水溶液、水泥、黏土粉和纖維素，其中氯化鈣水溶液與水泥的重量比為1:1，黏土粉的添加比例為水泥重量的1％，纖維素的添加比例為氯化鈣水溶液重量的0.3％，所述氯化鈣水溶液的濃度為30波美度。

• 實施例2

《凍結管充填用水泥漿及凍結管充填工藝》包括氯化鈣水溶液、水泥、黏土粉和纖維素，其中氯化鈣水溶液與水泥的重量比為0.8:1，黏土粉的添加比例為水泥重量的3％，纖維素的添加比例為氯化鈣水溶液重量的0.5％，所述氯化鈣水溶液的濃度為24波美度。

• 實施例3

《凍結管充填用水泥漿及凍結管充填工藝》包括氯化鈣水溶液、水泥、黏土粉和纖維素，其中氯化鈣水溶液與水泥的重量比為0.9:1，黏土粉的添加比例為水泥重量的2％，纖維素的添加比例為氯化鈣水溶液重量的0.1％，所述氯化鈣水溶液的濃度為27波美度。

• 實施例4

《凍結管充填用水泥漿及凍結管充填工藝》包括以下步驟：（1）注漿前的準備工作對作業現場進行清理，準備好所需材料，安裝好所需設備，拆除鹽水配、集液圈，打開凍結器頭部；（2）凍結管充填用水泥漿的配製將氯化鈣水溶液抽至漿池內，再加入水泥、黏土粉和纖維素，添加的速度不宜快並要均勻，以防產生團塊，攪拌均勻，即得凍結管充填用水泥漿，在灌注前保持凍結管充填用水泥漿的攪拌；氯化鈣水溶液可採用凍結管用冷凍鹽水系統設備中的鹽水或地溝槽回收的鹽水，一般情況下先轉存到儲水箱裡，製漿時就近使用，或直接從鹽水箱或地構槽內抽取使用；漿池內另設一台潛污泵，連線刺槍對漿液進行二次攪拌，防止沉澱結塊；（3）凍結管充填用水泥漿的灌注將凍結管內的供液管上拔1米～2米，然後用高壓軟管連通灌漿泵與供液管，並打開高壓軟管末端安裝的放氣閥，然後開啟灌漿泵輸送凍結管充填用水泥漿，待放氣閥的排氣口出漿時關閉放氣閥，凍結管充填用水泥漿通過高壓軟管和供液管在虹吸作用下連續輸送到凍結管內，當充填高度達到一個段長時，停止送漿，同時打開放氣閥，然後將供液管向上拔出一個段長令供液管的末連線埠位於凍結管內的凍結管充填用水泥漿面以上，再進行下一個段長的充填，直到達到凍結管所需的充填高度為止；一個段長為150米～200米比較適宜，這樣能夠在不影響拔出供液管的同時減少上拔次數；攪拌機出漿口及灌漿泵吸入口設定過濾網（網目宜不小於4毫米），以阻擋水泥團塊進入孔管內引起堵管；灌漿前，先將供液管提離孔底2～3米，以防管底堵塞或供液管卡阻；（4）回收供液管補入凍結管充填用水泥漿至凍結管管口，然後拔出供液管，並用鹽水將供液管沖洗乾淨；拔管時避免中途停頓，以防泥漿因沉澱或初凝抱管；（5）凍結管管口處理經驗收合格後，管口用鋼質蓋板封焊。

• 實施例5

按實施例1至實施例3的配方在現場配製凍結管充填用水泥漿並測試冰點等性能，然後製作充填試樣，放置在-25℃的鹽水裡養護，然後對養護7天的試樣先進行外觀檢查，發現所有試樣結構完整、緻密，說明負溫環境未破壞凍結管充填用水泥漿的漿體結構。再對養護28天的試樣進行性能試驗。結果見表1。

表1

編號	冰點/℃	單軸抗壓強度/兆帕	初凝時間/小時	終凝時間/小時
實施例1	-40	3.784	5.5	11
實施例2	-37	4.875	6	11.6
實施例3	-30	4.516	5.9	11.5
平均值	-35.3	4.392	5.8	11.37

備註：凍結管充填用水泥漿的初凝時間不宜過早，否則會影響供液管上拔，因為工程的特殊性，對於終凝時間不做要求。

• 實施例6

按實施例1和實施例4提供的凍結管充填用水泥漿和凍結管充填工藝套用於某礦副井井筒凍結管充填工程，外排凍結孔深400米，孔數30個，內排凍結孔深245，孔數12個，充填統計如下表2所示：

表2

孔別	孔數	孔深	設計充填量（立方米/孔）	實際充填量（立方米/孔）	充填率%
內排	12	400	4.82	4.9	101.66
外排	30	245	3.31	3.4	102.72

常規水泥漿充填需等待凍結工程結束後2-3個月，甚至更長時間才可進行，該發明不僅可以立即充填，且充填速度快，充填效率高，充填工期較常規縮短半個月，同時供液管可以被全部回收並能被再次利用，節約人材機等各方面費用高達20萬。

榮譽表彰

2020年7月17日，《凍結管充填用水泥漿及凍結管充填工藝》獲得安徽省第七屆專利獎優秀獎。