在煤礦、隧洞等地下工程中的新型化學(xué)灌漿材料應用

    化學(xué)灌漿材料屬于有機高分子材料，主要有聚氨酯類(lèi)、環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)、丙烯酰胺類(lèi)、丙烯酸鹽類(lèi)、脲醛樹(shù)脂類(lèi)等灌漿材料。它主要是通過(guò)壓力或化學(xué)滲透作用灌入混凝土縫隙、各種巖體裂隙及各種松散地層中，能在較短的時(shí)間內很快固結，使松散的或破碎的圍巖、混凝土結構或散粒體膠結成連續體，恢復結構的整體性。在水利水電、隧洞及工民建工程中有著(zhù)非常重要的應用價(jià)值。它具有粘度低、滲透性好、粘結強度高、強度增長(cháng)快且高、變形性好等優(yōu)異的性能。在煤礦、隧洞、水利水電、鐵道、市政等工程領(lǐng)域中有著(zhù)較廣泛的應用。


    隨著(zhù)我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源緊缺促使煤礦開(kāi)采業(yè)大力發(fā)展，一批大型、高產(chǎn)高效的井礦紛紛投產(chǎn)，傳統煤礦采深加大，隨之而來(lái)的生產(chǎn)安全和高效生產(chǎn)保障問(wèn)題十分嚴峻，如大的斷裂帶、破碎松散圍巖區、裂隙發(fā)育帶、動(dòng)壓增大下冒頂、地下水害等直接影響煤礦井下安全和高效生產(chǎn)。國家基礎設施的快速發(fā)展，西南、西北地區各類(lèi)鐵路隧洞、公路隧洞、引水隧洞的建設，同樣面臨著(zhù)復雜地質(zhì)條件下的各類(lèi)災害問(wèn)題的及時(shí)和有效處理。傳統的水泥/水玻璃和普通的化灌材料和施工技術(shù)已很難適應現代安全、快速高效生產(chǎn)的需要。而國際上先進(jìn)國家已經(jīng)快速發(fā)展起來(lái)的新型化灌材料和配套技術(shù)，對有效解決復雜地質(zhì)條件下煤巖體加固防塌方、偏幫、頂板穩定性控制、空穴的快速處理、滲漏水及涌水有效快速治理等方面非常具有針對性，有利保障地下工程安全、高效生產(chǎn)的需要。本文主要介紹一種國際先進(jìn)水平的新型化學(xué)灌漿材料及其配套施用技術(shù)特點(diǎn)，以及其在解決國內重點(diǎn)煤炭、隧洞等地下復雜工程施工的凝難問(wèn)題的應用。

       1、新型化學(xué)灌漿技術(shù)和化學(xué)灌漿材料的性能特點(diǎn)

   （1）新型化學(xué)灌漿技術(shù)

       該材料是屬于聚氨酯類(lèi)（PUR）和硅酸鹽改性聚氨酯類(lèi)（Silicate Modified PUR）灌漿材料，它有A、B兩組份組成，100％樹(shù)脂含量，無(wú)任何揮發(fā)性有機成份（無(wú)VOC）的綠色材料。施用配比是固定體積比1:1。產(chǎn)品包裝是1份A料配1份B料，不用現場(chǎng)稱(chēng)量配料。而國內目前的化學(xué)灌漿料多是在現場(chǎng)配對而成，并含有較多的溶劑如丙酮等稀釋劑，且固化劑多為有毒性有機物，材料的性能不穩定，隨意性較大，其科學(xué)性、規范性、性能穩定性較差。同時(shí)施工設備多為簡(jiǎn)陋、單一，僅適用于一般裂隙灌漿。而這類(lèi)新型化灌材料主要適用于灌注量較大的工程需要，如煤礦遇到斷層時(shí)的破碎煤巖體圍巖體加固固結，以防止冒頂/片幫和頂板控制，或加固煤體柱增加煤體柱的支護強度等；隧洞施工中遇到破碎或松散圍巖的固結處理；以及煤巖體裂隙或圍巖較大滲漏水或涌水的封堵和加固處理等，在國外如歐洲、澳洲、美國的隧洞和地下工程中有著(zhù)十幾年的廣泛應用歷史，在我國煤礦、隧洞等工程中的應用是近幾年才開(kāi)始的。它的主要性能特點(diǎn)如下所示：

       ①粘度低（100～200mPa.s），可灌性和滲透性?xún)?yōu)；

       ②該材料為100％樹(shù)脂含量，無(wú)任何揮發(fā)性（VOC）物質(zhì)，幾乎沒(méi)有任何異味，通過(guò)國家建材環(huán)保認證；阻燃性?xún)?yōu)，對于地下工程應用安全可靠。

       ③凝結時(shí)間可調，一般為2～3分鐘，可以實(shí)現十幾秒到30～40分鐘左右。

       ④抗壓強度高（50MPa以上），壓縮變形大（>50%），粘結力高（>5MPa）。

       ⑤施用性強，可以是不發(fā)泡的硬質(zhì)樹(shù)脂。也可以調節到一定發(fā)泡膨脹特性，從2～3倍發(fā)泡倍數，到自由膨脹可達20倍以上。其發(fā)泡體韌性大，受壓下不破壞。一定的發(fā)泡特性可以適用于有較大的圍巖節理層裂縫的灌注加固，保證更好的粘結性，并具有較高的抗壓強度。

        ⑥配套的施用注漿泵為固定進(jìn)料配比（1:1體積比）、自動(dòng)混料和輸出，輸出壓力最高可達20～25MPa�？梢詫�(shí)現自動(dòng)封孔技術(shù)。施工操作簡(jiǎn)便易行，1～2人操作即可。

        ⑦實(shí)現雙組分灌漿技術(shù)，兩組分單獨按固定配比進(jìn)料、混合和輸出�？梢詫�(shí)現根據工程條件可控灌漿，對凝結時(shí)間和反應特性可調節，方便易行�，F場(chǎng)注漿量實(shí)現可控，節約用料�？蓪�(shí)現準確計量，不用現場(chǎng)復雜配料，科學(xué)性、規范性強。配套技術(shù)先進(jìn)成熟。

        ⑧堵水材料技術(shù)具有粘度低、遇水迅速增稠（粘度可以在10秒左右從100mPa.s增長(cháng)到5000mPa.s左右），實(shí)現簡(jiǎn)易設備有效控制水患問(wèn)題。

    （2）新型化學(xué)灌漿材料的物理力學(xué)性能

        這類(lèi)化學(xué)灌漿材料產(chǎn)品主要有以下幾種（都是液體產(chǎn)品、固定1:1配比）：圍巖固結用純聚氨酯注漿料、圍巖固結用硅酸鹽改性聚氨酯注漿料、快速堵漏水用聚氨酯類(lèi)注漿料、空穴快速充填用硅酸鹽改性聚氨酯注漿料，其物理力學(xué)性能分別見(jiàn)表1、2、3和4。

         表1  圍巖固結用純聚氨酯注漿料物理力學(xué)性能參數

產(chǎn)品特性
 A組分
 B組分
 
外觀(guān)
 淡黃色或無(wú)色透明液體
 深褐色液體
 
粘度（23±2℃ ）/ mPa.s
 100~200
 100～200
 
比重 （23±2℃ ）kg/m3
 1020±10
 1230±10
 
使用配比（體積比）
 1:1
 
開(kāi)始反應時(shí)間（23±2℃ ）
 一般為40～60 秒左右，可以實(shí)現十幾秒到十幾分鐘左右
 
終止反映時(shí)間（23±2℃ ）
 一般為1～3分鐘，可以實(shí)現十幾秒到30分鐘左右
 
發(fā)泡特性
 可以根據工程特點(diǎn)（環(huán)境溫度、裂隙發(fā)育情況），可控制不發(fā)泡到為發(fā)泡2～3倍左右
 
單軸抗壓強度  /MPa
 >50（發(fā)泡1～2倍）
 
與干混凝土面粘接強度 /MPa
 >4（發(fā)泡1～2倍）
 
與濕混凝土面粘接強度 /MPa
 >1
 
阻燃特性
 離火自熄

 
表2  快速堵水用聚氨酯注漿料物理力學(xué)性能參數

產(chǎn)品特性
 A組分
 B組分
 
外觀(guān)
 淡黃色或無(wú)色透明液體
 深褐色液體
 
粘度（23±2℃ ）/ mPa.s
 100~200
 100～200
 
比重 （23±2℃ ）kg/m3
 1030±10
 1240±10
 
使用配比（體積比）
 1:1
 
反應終止時(shí)間（23±2℃ ）
 15～40 秒左右
 
10秒內粘度增加情況
 可以從100mPa.s增加到5000mPa.s
 
發(fā)泡特性
 與水有一定發(fā)泡
 
單軸抗壓強度  /MPa
 >50
 
與干混凝土面粘接強度 /MPa
 >4
 
與濕混凝土面粘接強度 /MPa
 >1
 

 

表3   圍巖固結用硅酸鹽改性聚氨酯注漿料物理力學(xué)性能參數

產(chǎn)品特性
 A組分
 B組分
 
外觀(guān)
 無(wú)色透明液體
 深褐色液體
 
粘度（23±2℃ ）/ mPa.s
 100~200
 100～200
 
比重 （23±2℃ ）kg/m3
 1500±10
 1150±10
 
使用配比（體積比）
 1:1
 
開(kāi)始反應時(shí)間（23±2℃ ）
 40～60 秒左右
 
終止反映時(shí)間（23±2℃ ）
 2～5分鐘
 
與水反應特性
 不與煤巖體中水反應發(fā)泡，保持本體力學(xué)性能
 
單軸抗壓強度  /MPa
 >40
 
與干砼面粘接強度  /MPa
 >4
 
與潮濕砼面黏結強度 / MPa
 >1
 

 

表4  空穴充填用硅酸鹽改性聚氨酯發(fā)泡注漿料物理力學(xué)性能參數


產(chǎn)品特性
 A組分
 B組分
 
外   觀(guān)
 無(wú)色透明液體
 深褐色液體
 
粘度（23±2℃ ）/ mPa.s
 200~300
 100～200
 
比重 （23±2℃ ）kg/m3
 1500±10
 1200±10
 
使用配比（體積比）
 1:1
 
開(kāi)始反泡時(shí)間（23±2℃ ）
 20～40 秒
 
終止發(fā)泡時(shí)間（23±2℃ ）
 1分鐘左右
 
發(fā)泡特性
 自由發(fā)泡倍數達25倍
 

        2、新型化學(xué)灌漿技術(shù)的灌注工藝和配套施工設備的性能特點(diǎn)

    新型化學(xué)灌漿技術(shù)的灌注工藝性能   

        國內目前使用的化學(xué)灌漿設備主要是單組分注漿泵，設備簡(jiǎn)陋，專(zhuān)業(yè)性差，流量小，灌注壓力�。ㄒ话悴坏�1MPa），多適用于混凝土裂縫補強加固灌漿，形式簡(jiǎn)單，不適用于工程大量灌漿要求。也有兩組分的進(jìn)口灌漿設備，但是施用性較差，主要是與國內的灌漿材料性能難以配套。因此在實(shí)際應用中有較大的局限性。