一种具有自愈合功能的矿用注浆材料及其制备方法与流程

本发明属于矿山工程，具体涉及一种具有自愈合功能的矿用注浆材料及其制备方法。

背景技术：

1、注浆技术是矿山巷道围岩加固、防治水害、封堵裂隙及控制围岩变形的重要工程技术手段。随着矿山开采条件日趋复杂，井下环境呈现高应力、高渗流、强扰动和长期服役等特点，对矿用注浆材料的流动扩散性、早期成石能力、后期抗渗性能及长期服役稳定性提出了更高要求。

2、现有矿用注浆材料在实际应用中仍存在一定不足。首先，现有材料体系普遍存在早期成石性能与长期抗渗耐久性能难以兼顾的问题。部分材料早期强度发展较慢，难以及时形成稳定封堵结构；部分材料在硬化过程中存在收缩、泌水离析和沉降分层现象，易导致固结体结构不连续，或在固结体与围岩界面处形成脱空和渗流通道，从而影响加固效果及后续服役稳定性。

3、其次，现有注浆材料通常缺乏对服役期微裂隙的自主修复能力。矿山巷道固结体在围岩扰动、应力循环、干湿交替和渗流冲刷等作用下，易在内部或界面处产生微裂隙。一旦微裂隙进一步发展并贯通形成渗流通道，通常需要通过二次或多次补浆进行修复。该类维护方式施工组织困难、成本较高，且会影响矿井正常生产，因此难以满足矿山工程对长期稳定性和经济性的要求。

4、此外，在绿色矿山建设和“双碳”目标背景下，矿用注浆材料还面临固废资源化利用与矿化固碳协同不足的问题。电石渣、煤矸石等工业固废产量大、堆存量高，若不能实现高值化利用，不仅占用土地资源，还可能带来环境风险。现有技术虽然尝试利用工业固废与二氧化碳进行矿化反应制备胶凝材料，但在实际应用中，二氧化碳的传质与离子化、ca2+/mg2+的供给与矿化沉淀、以及si/al活性组分的溶出与凝胶生成之间难以实现稳定、高效耦合，导致固碳效率、胶凝反应稳定性和结构致密化程度不足，进而影响材料的凝结硬化行为、早期结构形成速度及最终综合性能。

5、因此，亟需提供一种能够实现固碳活化与胶凝反应高效协同，并赋予固结体服役期内微裂隙自主修复能力的矿用注浆材料及其制备方法，以满足复杂矿山工程条件下对注浆材料早期成石、长期抗渗、耐久服役及绿色低碳利用的综合要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种具有自愈合功能的矿用注浆材料及其制备方法，以解决现有矿用注浆材料存在的早期成石性能不足、长期服役过程中易产生裂隙渗漏、缺乏自修复能力、复注频繁，以及工业固废利用效率不高、矿化固碳与胶凝反应协同性不足等问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种具有自愈合功能的矿用注浆材料，包括固碳活化胶凝主料80-120份、胶凝增强料50-120份、激发剂3-25份、封装自愈合组分0.1-15份、诱导组分0.1-15份和水80-160份；其中，所述固碳活化胶凝主料由电石渣、煤矸石粉和促固碳组分混合，经二氧化碳活化固碳反应制得。

3、本申请还提供上述具有自愈合功能的矿用注浆材料的制备方法，包括将固碳活化胶凝主料、胶凝增强料、激发剂、封装自愈合组分、诱导组分和水混合，任选加入凝结调节剂、减水剂、保水剂和调凝剂，以制得所述具有自愈合功能的矿用注浆材料；其中，所述固碳活化胶凝主料通过将电石渣、煤矸石粉和水混合形成浆料后，加入促固碳组分并通入二氧化碳进行活化固碳反应，再经脱水、干燥和粉磨处理获得。

4、与现有技术相比，本申请至少具有以下有益效果：

5、其一，本申请所述具有自愈合功能的矿用注浆材料以电石渣和煤矸石粉构建固碳活化胶凝主料，能够实现高碱性含钙固废与含硅铝固废的协同利用。在活化固碳过程中，促固碳组分有助于促进二氧化碳的溶解、水化和离子化，并加快其与体系中ca2+/mg2+发生矿化沉淀反应，生成以caco3为主的细小碳酸盐产物。该过程不仅实现了二氧化碳的矿化封存，而且有利于固废体系的同步活化，为后续胶凝反应提供更有利的反应基础。

6、其二，本发明通过激发剂促进固碳活化胶凝主料中活性si/al组分的溶出，并形成c-(n)-a-s-h、n-a-s-h等凝胶相。所形成的凝胶相与矿化生成的细小碳酸盐颗粒能够产生协同作用，其中凝胶相提供主体胶结和骨架支撑，碳酸盐颗粒发挥晶核促进和孔隙填充作用，从而形成“骨架胶结+孔隙填充”的复合致密结构。该结构有利于降低孔隙连通性和离子迁移通道，提高材料的早期成石能力、结构致密度、抗渗性能和长期耐久性。

7、其三，本发明通过引入封装自愈合组分和诱导组分，使材料具备服役期裂隙自主修复能力。所述封装自愈合组分和诱导组分可在固结体内部长期稳定存在。当固结体在服役过程中因外界扰动产生微裂隙且有水分渗入时，封装自愈合组分中的菌群可被激活，诱导组分中的营养源、矿化诱导底物和钙源逐步释放，并在裂隙内部诱导形成caco3等矿化沉积产物，从而实现裂隙封闭、渗流通道阻断及局部强度恢复。由此，可有效降低补浆频次和后期维护成本，提高巷道加固体系的长期服役可靠性。

8、其四，本发明所述材料体系兼具工程性能与资源环境效益。一方面，可实现电石渣、煤矸石等工业固废的高值化利用，并使二氧化碳以稳定矿化产物形式固定于材料内部；另一方面，所得材料具有较好的施工适配性、力学性能、抗渗耐久性能和自愈修复能力，能够为矿山围岩加固和水害治理提供兼顾初始加固效果与长期维护性能的材料方案。

9、综上所述，本发明提供的具有自愈合功能的矿用注浆材料及其制备方法，将工业固废资源化利用、二氧化碳矿化封存、胶凝结构增强以及服役期裂隙自愈修复协同复合，在满足井下注浆施工要求的同时，能够提高材料的综合性能和长期服役稳定性，具有较好的工程应用前景。

1.一种具有自愈合功能的矿用注浆材料，其特征在于，包括固碳活化胶凝主料80-120份、胶凝增强料50-120份、激发剂3-25份、封装自愈合组分0.1-15份、诱导组分0.1-15份和水80-160份；

2.根据权利要求1所述具有自愈合功能的矿用注浆材料，其特征在于，所述固碳活化胶凝主料颗粒的比表面积≥500m2/kg，所述固碳活化胶凝主料颗粒的d50为3-20μm；

3.根据权利要求1所述具有自愈合功能的矿用注浆材料，其特征在于，所述封装自愈合组分包括载体和负载于载体上的菌群颗粒；

4.根据权利要求1所述具有自愈合功能的矿用注浆材料，其特征在于，所述诱导组分包括载体，负载于载体上的营养源、矿化诱导底物和钙源；

5.根据权利要求1所述具有自愈合功能的矿用注浆材料，其特征在于，所述促固碳组分包括载体，负载于载体上的芽孢杆菌属菌种、假单胞菌属耐碱菌种、碳酸酐酶和尿素酶中的一种或多种；

6.根据权利要求1所述具有自愈合功能的矿用注浆材料，其特征在于，所述具有自愈合功能的矿用注浆材料还包括凝结调节剂0.1-5份、减水剂0.05-1.0份、保水剂0.02-0.5份和调凝剂0.01-0.3份。

7.根据权利要求6所述具有自愈合功能的矿用注浆材料，其特征在于，所述凝结调节剂包括氢氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾、氧化钙、碳酸钠和碳酸钾中的一种或多种；

8.权利要求1-7任一项所述具有自愈合功能的矿用注浆材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将固碳活化胶凝主料、胶凝增强料、激发剂、封装自愈合组分、诱导组分和水，任选地凝结调节剂、减水剂、保水剂和调凝剂混合，得到所述具有自愈合功能的矿用注浆材料。

9.根据权利要求8所述具有自愈合功能的矿用注浆材料的制备方法，其特征在于，还包括步骤制备固碳活化胶凝主料；

10.根据权利要求9所述具有自愈合功能的矿用注浆材料的制备方法，其特征在于，步骤a中，所述混合浆料的含水量为10%-40%；