礦用聚氨酯基加固材料穩(wěn)定性研究

于瀟灃，王玉超，柏廣峰，趙昕楠，張 豫，李洪蛟，孫 剛

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 礦用材料分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

隨著礦井采煤規(guī)模的擴(kuò)大和延深，采煤環(huán)境越來(lái)越惡劣，“三高一擾動(dòng)”[1]的影響越來(lái)越嚴(yán)重，進(jìn)一步破壞了圍巖的穩(wěn)定性。破碎圍巖經(jīng)常引發(fā)頂板垮落、煤壁片幫和巷道變形等安全問(wèn)題，不但顯著降低采掘效率，而且嚴(yán)重威脅井下人員的生命安全。對(duì)于松軟破碎煤巖體，錨桿錨網(wǎng)等錨固效果不明顯，而注漿加固可發(fā)揮獨(dú)特作用[2-4]。注漿加固或錨注聯(lián)合支護(hù)等均是依靠注漿材料網(wǎng)絡(luò)骨架、充填壓密、黏結(jié)補(bǔ)強(qiáng)和轉(zhuǎn)換破壞機(jī)制等作用[5]，提高了圍巖完整性和承載力。在工期緊張、臨時(shí)性加固工程中，高分子注漿材料得到廣泛應(yīng)用，主要用于采掘工作面超前注漿加固，工程中應(yīng)用的高分子注漿材料主要有聚氨酯類[6-7]和硅酸鹽改性聚氨酯類[8-9]。

目前，關(guān)于這2類注漿加固材料的研究已取得了許多成果，主要集中在：材料制備[10-11]、工程應(yīng)用、擴(kuò)散加固機(jī)理[12-13]和性能研究[14]等，而關(guān)于2類加固材料穩(wěn)定性的研究很少。2類加固材料均是雙組分漿液，且當(dāng)前施工均要求體積比為1∶1。但在現(xiàn)場(chǎng)注漿操作中，由于各種原因不能嚴(yán)格保證實(shí)際配比準(zhǔn)確無(wú)誤，如倒料損失誤差、泵缸密封圈故障和其他不可預(yù)見(jiàn)因素等。這就導(dǎo)致實(shí)際注漿時(shí)，雖然注漿量充足卻仍存在局部煤巖體加固效果差的問(wèn)題。

因此，為深入研究加固材料在井下注漿時(shí)的配比失調(diào)和生產(chǎn)過(guò)程中的稱量誤差對(duì)材料性能的影響，開展了模擬配比失調(diào)和稱量誤差試驗(yàn)，測(cè)定了雙組分加固材料非正常配比和存在稱量誤差下反應(yīng)固結(jié)體的力學(xué)強(qiáng)度和反應(yīng)溫度，為更安全地使用2類加固材料提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)原料及方案

1.1 試驗(yàn)原料

筆者研究的聚氨酯基加固材料主要包括聚氨酯類和硅酸鹽改性聚氨酯類，這也是目前煤礦井下應(yīng)用最廣泛的2類高分子類加固材料，均是雙組分漿液，組分構(gòu)成見(jiàn)表1。

表1 聚氨酯基加固材料組分構(gòu)成Table 1 Component compositions in two kinds of polyurethane grouting materials

1.2 試驗(yàn)方案

1)方案：對(duì)于聚氨酯加固材料，探究了A比B過(guò)量20%、10%(均為體積比)，B比A過(guò)量20%、10%，即φ(A)∶φ(B)=1.2∶1.0、1.1∶1.0、1.0∶1.0、1.0∶1.1和1.0∶1.2時(shí)，配比誤差對(duì)反應(yīng)固結(jié)體抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和最高反應(yīng)溫度的影響。加固材料實(shí)際生產(chǎn)中各組分稱量誤差一般低于1%，本著嚴(yán)格試驗(yàn)的原則，將A、B雙組分中重要原料人為設(shè)置稱量誤差為±5%。重要原料主要指對(duì)固結(jié)體理化性能影響較顯著的組分，主要包括聚合MDI、聚醚多元醇和催化劑，研究了±5%稱量誤差下對(duì)材料抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響。對(duì)于硅酸鹽改性聚氨酯加固材料，當(dāng)配比偏差為20%時(shí)，會(huì)出現(xiàn)發(fā)泡、出水、泛堿異?，F(xiàn)象，甚至難以成型試驗(yàn)。因此，試驗(yàn)中僅測(cè)試了配比偏差10%下的力學(xué)強(qiáng)度。

2)制樣：抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和最高反應(yīng)溫度的制樣及測(cè)試方法參考AQ 1089—2011《煤礦加固煤巖體用高分子材料》[15]。

3)儀器：高功率攪拌機(jī)、JM222型點(diǎn)溫計(jì)、成型模具、恒溫恒濕箱、YAW-300電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)、CMT-20電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 聚氨酯加固材料

2.1.1 A、B組分配比對(duì)性能穩(wěn)定性的影響

AQ1089—2011《煤礦加固煤巖體用高分子材料》未對(duì)材料配比容錯(cuò)能力提出要求，但現(xiàn)場(chǎng)注漿施工時(shí)并不能嚴(yán)格保證A、B組分配比為1∶1。不可避免的配比偏差對(duì)加固材料各項(xiàng)性能是否有影響，究竟有多大影響，是否會(huì)造成安全隱患等均未知。為此，首先測(cè)試了不同配比下加固材料固結(jié)體的主要性能參數(shù)，包括抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和最高反應(yīng)溫度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同A、B組分配比下聚氨酯材料性能測(cè)試結(jié)果Table 2 Performance results of polyurethane materials with different A，B ratios

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)A、B組分配比失調(diào)時(shí)，抗壓強(qiáng)度均下降，最高下降幅度為20%，但仍達(dá)79.1 MPa。當(dāng)B組分過(guò)量時(shí)，抗剪切強(qiáng)度降幅較小，但A組分過(guò)量時(shí)其強(qiáng)度超大幅下降，最大降幅高達(dá)56.9%，其抗剪強(qiáng)度僅11.2 MPa，已低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的15 MPa。類似的，B組分過(guò)量時(shí)，其抗拉強(qiáng)度小幅增加。反之，A組分過(guò)量20%情況下，抗拉強(qiáng)度跌幅甚至高達(dá)72.7%，僅6.8 MPa。當(dāng)A組分逐漸過(guò)量時(shí)，其抗剪和抗拉強(qiáng)度大幅降低。這可能是A組分比例增加使聚氨酯體系軟段含量增大，相對(duì)降低了硬段含量，而材料抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度是由聚氨酯硬段貢獻(xiàn)的。另外，當(dāng)A組分過(guò)量時(shí)，最高反應(yīng)溫度可降低約7 ℃，從反應(yīng)放熱角度有利于施工安全，但要當(dāng)心其抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度大幅下降，以免因力學(xué)強(qiáng)度下降而引發(fā)安全事故。

2.1.2 稱量誤差對(duì)性能穩(wěn)定性的影響

為探究±5%稱量誤差對(duì)聚氨酯力學(xué)強(qiáng)度的影響，進(jìn)行了如下試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。其中，抗壓強(qiáng)度最高的仍是原比例配方，當(dāng)聚合MDI和聚醚多元醇減少原配比質(zhì)量的5%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度小幅下降。聚合MDI、聚醚多元醇和催化劑在±5%稱量誤差下，其抗壓強(qiáng)度整體波動(dòng)幅度不大，在91 MPa上下徘徊。同樣的，抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度仍是原配方比例最高。且其強(qiáng)度波動(dòng)較小，抗剪和抗拉強(qiáng)度均值分別為21 MPa和19 MPa。

圖1 稱量誤差對(duì)聚氨酯材料力學(xué)強(qiáng)度的影響Fig.1 Influence of weighing error on mechanical strength of polyurethane materials

2.2 硅酸鹽改性聚氨酯加固材料

2.2.1 配比對(duì)性能穩(wěn)定性的影響

因本身不燃、反應(yīng)溫度低、濕環(huán)境正常固化等優(yōu)點(diǎn)，硅酸鹽改性聚氨酯材料逐漸成為應(yīng)用最廣泛的注漿加固材料之一。但因?qū)儆谟袡C(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體系，材料性能的發(fā)揮嚴(yán)重依賴雙組分配比及混勻程度。

井下施工出現(xiàn)的出水、泛堿、發(fā)泡和無(wú)強(qiáng)度等異?，F(xiàn)象大多數(shù)與配比失調(diào)有關(guān)。試驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，當(dāng)B組分過(guò)量20%時(shí)立即出現(xiàn)上述狀況，甚至難以成型測(cè)試。為此，僅測(cè)試了過(guò)量10%的力學(xué)強(qiáng)度，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)A、B組分配比失調(diào)時(shí)，抗壓強(qiáng)度均下降，最高下降幅度為12%。當(dāng)配比失調(diào)10%時(shí)，其抗剪切強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度變化幅度均不大，最大僅5.3%。因此，該配方的硅酸鹽改性聚氨酯加固材料最高允許配比誤差在10%，配比嚴(yán)重失調(diào)時(shí)會(huì)失去加固作用。

表3 不同A、B組分配比下改性聚氨酯材料性能測(cè)試結(jié)果Table 3 Performance results of modified polyurethane materials with different A、B ratio

2.2.2 稱量誤差對(duì)性能穩(wěn)定性的影響

同樣，研究了±5%稱量誤差對(duì)硅酸鹽改性聚氨酯固結(jié)體力學(xué)強(qiáng)度的影響。為盡可能避免制樣對(duì)強(qiáng)度數(shù)據(jù)的影響，每個(gè)數(shù)據(jù)均是5個(gè)平行樣品求均值得到。觀察圖2知，±5%稱量誤差對(duì)材料抗壓、抗剪切和抗拉強(qiáng)度的影響較小，其均值分別為40.2、14.9和11 MPa。因此，±5%稱量誤差對(duì)材料力學(xué)強(qiáng)度的影響基本可以忽略。

圖2 稱量誤差對(duì)硅酸鹽改性聚氨酯材料力學(xué)強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of weighing error on mechanical strength of silicate modified polyurethane

3 結(jié) 論

1)對(duì)于聚氨酯加固材料，當(dāng)A、B組分配比為1.2∶1.0時(shí)，抗剪和抗拉強(qiáng)度分別下降56.9%和72.7%。當(dāng)B組分過(guò)量20%時(shí)，最高反應(yīng)溫度升高6 ℃。因此，聚氨酯加固材料使用中盡量保持正常配比，謹(jǐn)防A組分過(guò)量引發(fā)力學(xué)強(qiáng)度大幅降低，及B組分過(guò)量致使反應(yīng)溫度升高。

2)對(duì)于硅酸鹽改性聚氨酯加固材料，配比失調(diào)20%時(shí)，出現(xiàn)出水、泛堿、發(fā)泡和成型困難等異常現(xiàn)象。配比失調(diào)10%下，抗壓、抗剪和抗拉強(qiáng)度雖下降，但不會(huì)影響正常加固施工。

3)調(diào)整2類注漿加固材料配方時(shí)，除了研究標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相關(guān)性能，還應(yīng)探究其最大配比容錯(cuò)能力，避免實(shí)際施工時(shí)因配比失調(diào)引發(fā)安全問(wèn)題。

4) 2類材料在±5%稱量誤差下，其抗壓、抗剪和抗拉強(qiáng)度變化幅度不大，基本可以忽略其對(duì)強(qiáng)度的影響。