双液及新型化学注浆材料加固破碎煤岩体对比小试

2021-09-06侯婧祯

山西化工 2021年4期

侯婧祯

(同煤集团同家梁矿，山西大同 037025)

煤炭在我国一次能源生产和消费结构中的基础地位十分重要，然而煤矿地域条件非常复杂，尤其随着矿井开采规模的扩展和开采向纵深方向发展，矿井开拓、准备和回采巷道都会有不同程度的变形甚至破坏，严重影响了煤矿的安全生产。

为了控制煤岩体的变形，确保煤矿采掘空间的稳定和安全程度，必须采取有效的控制措施。化学灌浆材料是目前应用于煤矿安全治理较多的材料之一，其目的主要是防渗堵漏以及稳定工程结构和围岩，并广泛应用在煤矿安全治理的各个方面[1]。目前采用的化学浆液有马丽散、固邦特和固安特等，虽然具有高度黏合力和很好的机械性能，但其施工工艺复杂，并且价格昂贵。为此，针对注浆技术存在的问题，分析常用矿用双液化学浆材和新型注浆浆材的优越性，为实现煤矿安全有序、高产高效提供理论参考。

1 矿区概况及工程背景

某煤矿位于淮南煤田的中部水文地质单元，煤田以中厚倾煤层为主，构造复杂程度中等，为一隐伏式矿井。目前，开采主要煤层为8煤、11-2煤和13-1煤层。浅部煤层开采工作面主要集中在西部，部分工作面回采过程中出现突涌水现象，还出现个别工作面在回采过程中压架子事故。出水直接水源为砂岩水，间接水源为底部松散层水。为了确保安全生产，需要采用化学浆液加固技术进行治理。

2 注浆材料的研究现状

注浆材料是注装技术中不可缺少的重要组成部分之一，不同浆材物理力学性能的差异性导致浆材选择的多样性。我国最早是用的浆材为石灰和黏土，之后将水泥用于注浆，近年来化学浆材尤其是有机高分子浆材得到飞速发展。

在煤矿行业中，一般将浆材分为水泥和化学浆材两大类。水泥浆材具有结石体强度高、材料来源广、造价低廉等优点，但其制的浆液一般只能注入到直径或宽度较大的孔/裂隙中。化学注浆材料可注性好、浆液黏度低，但是一般的化学浆液又具备一定的毒性，切价格相对较贵，使得化学浆材的应用也在一定程度上受到了限制[2]。

根据浆液的类型，可分为悬浊液和溶液两种类型。在实际工程中，由于悬浊液类浆材较易获得，价格较低，需求量大时使用较多。溶液类浆液通常指化学浆液，其可注性、结石率高，离析率较小，可注难度较大的条件下效果突出。

为了改善现有浆材，在全世界业内研究者的共同努力下，针对水泥注浆材料与化学注浆材料的缺点，先后推出了一系列的低毒、无毒、高效能的改进型新材料。如今，国内外的各种注浆浆材品种已经达到数百余种之多。

3 双液化学浆液的物理力学性能试验

3.1 双液化学浆液的基本性能

注浆材料通常由主剂和溶剂组成，浆液使用的主要原材料即为主剂，加入的稀释剂即为溶剂。由于实际需要，一般浆液中主剂大多由数种主剂混合而成。

双液化学浆液主要是将两种化学浆液组成的注浆材料。依据注浆工程的需要，除了按按一定比例外，双液化学浆液必要时会加入催化剂，以极大的提高围岩加固和堵水的效果，尤其在地下水流速度大的地层中达到快速堵漏的目的。

一般而言，双液浆液具有可控性强、结实率高、流动性好等特点，且其物理力学性能主要表现在凝结时间、强度、抗渗等方面。

3.2 常用化学注浆材料物理力学性能

3.2.1 物理性能

根据矿区概况及工程背景的实际情况，将其常用的马丽散、固尔亚、固瑞特等五种化学浆液进行双组分分组，使用时将二者按一定比例混合后注入地层，在实验室测定其凝胶时间、最高反应温度、膨胀率等指标。测试时室温为18 ℃，料测试结果，如表1所示。

表1 常用化学注装材料测试结果

由表1可知，从与水反应现象来看，固尔亚、马丽散和固瑞特遇水不发生反应，无膨胀现象，固邦特和同安特遇水发泡，具存一定的膨胀率，说明固尔亚、马丽散和固瑞特特性为油溶性浆液，固邦特和同安特性质为水溶性。一般而言，油性桨液的存放和操作过程简单方便，但因材料不膨胀，耗费溶剂量大；水性浆液优点为有利于充填岩石裂隙从而减少注浆材料的用量，但因其性质为水溶性，千分之一的含水都能使体系发泡影响注架施工，造成不利的结果，因此使用、操作和泵送过程中需格外小心。

3.2.2 力学性能

在实验室温度为23 ℃、相对湿度为55%的实验室情况下，煤矸石与浆液质量比取5∶1，对五种化学浆材进行固结体的抗压和抗拉强度试验，以了解五种浆液对受注体的固结作用。结果显示，同等浆液用量下，对煤矸石固结强度最高的浆材是固邦特，其他四种相差不大，且固结强度最低的浆材是马丽散。当煤矸石与浆液质量比取5∶1时，固邦特抗压强度为4.15 MPa，抗拉强度为0.47 MPa，而马丽散分别为1.996 MPa和0.32 MPa。测试结果，如图1所示。

图1 煤矸石固结体单轴抗拉、抗压强度(配比5∶1)

在相同实验室条件下，当浆液用量分别为14%、17%、20%(砂与浆液质量比分别为6∶1、5∶1、4∶1)时，对五种化学浆材进行固结体的抗压和抗拉强度试验。结果显示，五种化学注浆材料在一定温度条件下发生凝胶固化反应，随着注浆用量的增加砂固结体的强度也随之增大，且固邦特固砂强度均高于其他四种双液化学注浆材料，固瑞特固结强度最低。具体的，当浆液用量为6∶1、5∶1、4∶1时，固邦特强度分别为5.56 MPa、8.85 MPa和12.40 MPa，固瑞特强度分别为3.76 MPa、6.64 MPa和7.44 MPa。同时，除了固邦特浆材用量为20%(砂与浆液质量比4∶1)时较合适，其他4种浆材装液用量与强度的变化趋势更为相似，浆材用量为17%(砂与浆液质量比5∶1)时较合适。测试结果，如图2所示。

图2 浆液用量与强度的关系

综合考虑下，固邦特遇水发泡，具有一定的膨胀率，且同等浆液用量下，其形成的煤矸石和砂的固结体强度最高，宜优先选用。

4 新型化学浆材的物理力学性能试验

通过文献调研及实际调研发现，现阶段注浆材料的种类和配方正在不断增加，对比得到聚氨酯类注奖材料具有注浆效果较好、无毒性、对环境无污染、凝结时间可控、固结体强度高、配方较多、浆液的粘度较小、渗透性好等优点，故模拟实验所使用的新型化学注浆材料为双组份聚氨酯材料[3-4]。综合考虑经济科学可操作性以满足工程需要，将其制备成白料和黑料，黑料主要成分为多异氰酸酯化合物，白料通常为含多羟基化合物，并在实际使用中加入控制凝结时间及阻燃性等性能的外加剂。

4.1 物理性能

在不同温度时，浆液反应的速度不同。对所制备的聚氨酯浆液的白料和黑料使用烤灯，然后等体积混合反应，测定固化时间并定时测定反应时的温度变化。结果显示，黑白料的初始温度越髙，整个反应固化过程越快，通过不断搅拌，浆产生气泡膨胀，有助于充分反应。由于浆液黑白料的初始温度影响混合反应，为了得到比较科学客观的试验结果，在模型试验中需要控制浆液的反应时间。综合对比模型试验与实际工程条件，固化时间在室温时为15 min。浆液反应温度变化，如图3所示。

图3 浆液反应温度变化

4.2 力学性能

为了测定力学性能，通过黑白料固化反应形成的固结体均为直径50 mm、高100 mm标准圆柱体试件。同时，测试需对比浆液本身的力学性能，以作为注浆效果评价参考。试件破坏试验结果为，纯浆液固结均表现为从一端开裂破坏，试件并未被完全破坏，标准砂固结体受压破坏时有剥落趋势，但整体较为完整，且二者单轴抗压强度分别平均为102.03 MPa、63.64 MPa。同时，从煤固结体试验结果可知，随着浆液用量的增加，煤固结体的强度逐渐增大，这与一般双液化学浆液试验类似，且在密闭加压条件下，浆液用量明显高于无压固结煤时的用量，但是强度却较低，为1.49 MPa。从标准砂固结体试验结果可知，浆液用量的增加，无压固砂体的抗压强度也随之增大，在压力作用下，浆液与标准砂质量比为1∶3.4时，固结体强度高达63.64 MPa。