雙液及新型化學(xué)注漿材料加固破碎煤巖體對(duì)比小試

侯婧禎

(同煤集團(tuán)同家梁礦，山西 大同 037025)

煤炭在我國(guó)一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)地位十分重要，然而煤礦地域條件非常復(fù)雜，尤其隨著礦井開(kāi)采規(guī)模的擴(kuò)展和開(kāi)采向縱深方向發(fā)展，礦井開(kāi)拓、準(zhǔn)備和回采巷道都會(huì)有不同程度的變形甚至破壞，嚴(yán)重影響了煤礦的安全生產(chǎn)。

為了控制煤巖體的變形，確保煤礦采掘空間的穩(wěn)定和安全程度，必須采取有效的控制措施。化學(xué)灌漿材料是目前應(yīng)用于煤礦安全治理較多的材料之一，其目的主要是防滲堵漏以及穩(wěn)定工程結(jié)構(gòu)和圍巖，并廣泛應(yīng)用在煤礦安全治理的各個(gè)方面[1]。目前采用的化學(xué)漿液有馬麗散、固邦特和固安特等，雖然具有高度黏合力和很好的機(jī)械性能，但其施工工藝復(fù)雜，并且價(jià)格昂貴。為此，針對(duì)注漿技術(shù)存在的問(wèn)題，分析常用礦用雙液化學(xué)漿材和新型注漿漿材的優(yōu)越性，為實(shí)現(xiàn)煤礦安全有序、高產(chǎn)高效提供理論參考。

1 礦區(qū)概況及工程背景

某煤礦位于淮南煤田的中部水文地質(zhì)單元，煤田以中厚傾煤層為主，構(gòu)造復(fù)雜程度中等，為一隱伏式礦井。目前，開(kāi)采主要煤層為8煤、11-2煤和13-1煤層。淺部煤層開(kāi)采工作面主要集中在西部，部分工作面回采過(guò)程中出現(xiàn)突涌水現(xiàn)象，還出現(xiàn)個(gè)別工作面在回采過(guò)程中壓架子事故。出水直接水源為砂巖水，間接水源為底部松散層水。為了確保安全生產(chǎn)，需要采用化學(xué)漿液加固技術(shù)進(jìn)行治理。

2 注漿材料的研究現(xiàn)狀

注漿材料是注裝技術(shù)中不可缺少的重要組成部分之一，不同漿材物理力學(xué)性能的差異性導(dǎo)致漿材選擇的多樣性。我國(guó)最早是用的漿材為石灰和黏土，之后將水泥用于注漿，近年來(lái)化學(xué)漿材尤其是有機(jī)高分子漿材得到飛速發(fā)展。

在煤礦行業(yè)中，一般將漿材分為水泥和化學(xué)漿材兩大類(lèi)。水泥漿材具有結(jié)石體強(qiáng)度高、材料來(lái)源廣、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，但其制的漿液一般只能注入到直徑或?qū)挾容^大的孔/裂隙中?；瘜W(xué)注漿材料可注性好、漿液黏度低，但是一般的化學(xué)漿液又具備一定的毒性，切價(jià)格相對(duì)較貴，使得化學(xué)漿材的應(yīng)用也在一定程度上受到了限制[2]。

根據(jù)漿液的類(lèi)型，可分為懸濁液和溶液兩種類(lèi)型。在實(shí)際工程中，由于懸濁液類(lèi)漿材較易獲得，價(jià)格較低，需求量大時(shí)使用較多。溶液類(lèi)漿液通常指化學(xué)漿液，其可注性、結(jié)石率高，離析率較小，可注難度較大的條件下效果突出。

為了改善現(xiàn)有漿材，在全世界業(yè)內(nèi)研究者的共同努力下，針對(duì)水泥注漿材料與化學(xué)注漿材料的缺點(diǎn)，先后推出了一系列的低毒、無(wú)毒、高效能的改進(jìn)型新材料。如今，國(guó)內(nèi)外的各種注漿漿材品種已經(jīng)達(dá)到數(shù)百余種之多。

3 雙液化學(xué)漿液的物理力學(xué)性能試驗(yàn)

3.1 雙液化學(xué)漿液的基本性能

注漿材料通常由主劑和溶劑組成，漿液使用的主要原材料即為主劑，加入的稀釋劑即為溶劑。由于實(shí)際需要，一般漿液中主劑大多由數(shù)種主劑混合而成。

雙液化學(xué)漿液主要是將兩種化學(xué)漿液組成的注漿材料。依據(jù)注漿工程的需要，除了按按一定比例外，雙液化學(xué)漿液必要時(shí)會(huì)加入催化劑，以極大的提高圍巖加固和堵水的效果，尤其在地下水流速度大的地層中達(dá)到快速堵漏的目的。

一般而言，雙液漿液具有可控性強(qiáng)、結(jié)實(shí)率高、流動(dòng)性好等特點(diǎn)，且其物理力學(xué)性能主要表現(xiàn)在凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度、抗?jié)B等方面。

3.2 常用化學(xué)注漿材料物理力學(xué)性能

3.2.1 物理性能

根據(jù)礦區(qū)概況及工程背景的實(shí)際情況，將其常用的馬麗散、固爾亞、固瑞特等五種化學(xué)漿液進(jìn)行雙組分分組，使用時(shí)將二者按一定比例混合后注入地層，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其凝膠時(shí)間、最高反應(yīng)溫度、膨脹率等指標(biāo)。測(cè)試時(shí)室溫為18 ℃，料測(cè)試結(jié)果，如表1所示。

表1 常用化學(xué)注裝材料測(cè)試結(jié)果

由表1可知，從與水反應(yīng)現(xiàn)象來(lái)看，固爾亞、馬麗散和固瑞特遇水不發(fā)生反應(yīng)，無(wú)膨脹現(xiàn)象，固邦特和同安特遇水發(fā)泡，具存一定的膨脹率，說(shuō)明固爾亞、馬麗散和固瑞特特性為油溶性漿液，固邦特和同安特性質(zhì)為水溶性。一般而言，油性槳液的存放和操作過(guò)程簡(jiǎn)單方便，但因材料不膨脹，耗費(fèi)溶劑量大；水性漿液優(yōu)點(diǎn)為有利于充填巖石裂隙從而減少注漿材料的用量，但因其性質(zhì)為水溶性，千分之一的含水都能使體系發(fā)泡影響注架施工，造成不利的結(jié)果，因此使用、操作和泵送過(guò)程中需格外小心。

3.2.2 力學(xué)性能

在實(shí)驗(yàn)室溫度為23 ℃、相對(duì)濕度為55%的實(shí)驗(yàn)室情況下，煤矸石與漿液質(zhì)量比取5∶1，對(duì)五種化學(xué)漿材進(jìn)行固結(jié)體的抗壓和抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，以了解五種漿液對(duì)受注體的固結(jié)作用。結(jié)果顯示，同等漿液用量下，對(duì)煤矸石固結(jié)強(qiáng)度最高的漿材是固邦特，其他四種相差不大，且固結(jié)強(qiáng)度最低的漿材是馬麗散。當(dāng)煤矸石與漿液質(zhì)量比取5∶1時(shí)，固邦特抗壓強(qiáng)度為4.15 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.47 MPa，而馬麗散分別為1.996 MPa和0.32 MPa。測(cè)試結(jié)果，如圖1所示。

圖1 煤矸石固結(jié)體單軸抗拉、抗壓強(qiáng)度(配比5∶1)

在相同實(shí)驗(yàn)室條件下，當(dāng)漿液用量分別為14%、17%、20%(砂與漿液質(zhì)量比分別為6∶1、5∶1、4∶1)時(shí)，對(duì)五種化學(xué)漿材進(jìn)行固結(jié)體的抗壓和抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果顯示，五種化學(xué)注漿材料在一定溫度條件下發(fā)生凝膠固化反應(yīng)，隨著注漿用量的增加砂固結(jié)體的強(qiáng)度也隨之增大，且固邦特固砂強(qiáng)度均高于其他四種雙液化學(xué)注漿材料，固瑞特固結(jié)強(qiáng)度最低。具體的，當(dāng)漿液用量為6∶1、5∶1、4∶1時(shí)，固邦特強(qiáng)度分別為5.56 MPa、8.85 MPa和12.40 MPa，固瑞特強(qiáng)度分別為3.76 MPa、6.64 MPa和7.44 MPa。同時(shí)，除了固邦特漿材用量為20%(砂與漿液質(zhì)量比4∶1)時(shí)較合適，其他4種漿材裝液用量與強(qiáng)度的變化趨勢(shì)更為相似，漿材用量為17%(砂與漿液質(zhì)量比5∶1)時(shí)較合適。測(cè)試結(jié)果，如圖2所示。

圖2 漿液用量與強(qiáng)度的關(guān)系

綜合考慮下，固邦特遇水發(fā)泡，具有一定的膨脹率，且同等漿液用量下，其形成的煤矸石和砂的固結(jié)體強(qiáng)度最高，宜優(yōu)先選用。

4 新型化學(xué)漿材的物理力學(xué)性能試驗(yàn)

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研及實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段注漿材料的種類(lèi)和配方正在不斷增加，對(duì)比得到聚氨酯類(lèi)注獎(jiǎng)材料具有注漿效果較好、無(wú)毒性、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、凝結(jié)時(shí)間可控、固結(jié)體強(qiáng)度高、配方較多、漿液的粘度較小、滲透性好等優(yōu)點(diǎn)，故模擬實(shí)驗(yàn)所使用的新型化學(xué)注漿材料為雙組份聚氨酯材料[3-4]。綜合考慮經(jīng)濟(jì)科學(xué)可操作性以滿(mǎn)足工程需要，將其制備成白料和黑料，黑料主要成分為多異氰酸酯化合物，白料通常為含多羥基化合物，并在實(shí)際使用中加入控制凝結(jié)時(shí)間及阻燃性等性能的外加劑。

4.1 物理性能

在不同溫度時(shí)，漿液反應(yīng)的速度不同。對(duì)所制備的聚氨酯漿液的白料和黑料使用烤燈，然后等體積混合反應(yīng)，測(cè)定固化時(shí)間并定時(shí)測(cè)定反應(yīng)時(shí)的溫度變化。結(jié)果顯示，黑白料的初始溫度越髙，整個(gè)反應(yīng)固化過(guò)程越快，通過(guò)不斷攪拌，漿產(chǎn)生氣泡膨脹，有助于充分反應(yīng)。由于漿液黑白料的初始溫度影響混合反應(yīng)，為了得到比較科學(xué)客觀的試驗(yàn)結(jié)果，在模型試驗(yàn)中需要控制漿液的反應(yīng)時(shí)間。綜合對(duì)比模型試驗(yàn)與實(shí)際工程條件，固化時(shí)間在室溫時(shí)為15 min。漿液反應(yīng)溫度變化，如圖3所示。

圖3 漿液反應(yīng)溫度變化

4.2 力學(xué)性能

為了測(cè)定力學(xué)性能，通過(guò)黑白料固化反應(yīng)形成的固結(jié)體均為直徑50 mm、高100 mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件。同時(shí)，測(cè)試需對(duì)比漿液本身的力學(xué)性能，以作為注漿效果評(píng)價(jià)參考。試件破壞試驗(yàn)結(jié)果為，純漿液固結(jié)均表現(xiàn)為從一端開(kāi)裂破壞，試件并未被完全破壞，標(biāo)準(zhǔn)砂固結(jié)體受壓破壞時(shí)有剝落趨勢(shì)，但整體較為完整，且二者單軸抗壓強(qiáng)度分別平均為102.03 MPa、63.64 MPa。同時(shí)，從煤固結(jié)體試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著漿液用量的增加，煤固結(jié)體的強(qiáng)度逐漸增大，這與一般雙液化學(xué)漿液試驗(yàn)類(lèi)似，且在密閉加壓條件下，漿液用量明顯高于無(wú)壓固結(jié)煤時(shí)的用量，但是強(qiáng)度卻較低，為1.49 MPa。從標(biāo)準(zhǔn)砂固結(jié)體試驗(yàn)結(jié)果可知，漿液用量的增加，無(wú)壓固砂體的抗壓強(qiáng)度也隨之增大，在壓力作用下，漿液與標(biāo)準(zhǔn)砂質(zhì)量比為1∶3.4時(shí)，固結(jié)體強(qiáng)度高達(dá)63.64 MPa。

5 結(jié)語(yǔ)

五種常用的雙液化學(xué)漿液中，固邦特遇水發(fā)泡，具有一定的膨脹率，且同等漿液用量下，其形成的砂和煤奸石的固結(jié)體強(qiáng)度最高，宜優(yōu)先選用；新型化學(xué)漿材砂固結(jié)體抗壓強(qiáng)度均高于固邦特的固結(jié)強(qiáng)度，值得推廣應(yīng)用。