在煤礦、隧洞等地下工程中的新型化學(xué)灌漿材料應(yīng)用

    化學(xué)灌漿材料屬于有機(jī)高分子材料，主要有聚氨酯類、環(huán)氧樹脂類、丙烯酰胺類、丙烯酸鹽類、脲醛樹脂類等灌漿材料。它主要是通過壓力或化學(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，能在較短的時間內(nèi)很快固結(jié)，使松散的或破碎的圍巖、混凝土結(jié)構(gòu)或散粒體膠結(jié)成連續(xù)體，恢復(fù)結(jié)構(gòu)的整體性。在水利水電、隧洞及工民建工程中有著非常重要的應(yīng)用價值。它具有粘度低、滲透性好、粘結(jié)強(qiáng)度高、強(qiáng)度增長快且高、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)域中有著較廣泛的應(yīng)用。


    隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源緊缺促使煤礦開采業(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(tǒng)煤礦采深加大，隨之而來的生產(chǎn)安全和高效生產(chǎn)保障問題十分嚴(yán)峻，如大的斷裂帶、破碎松散圍巖區(qū)、裂隙發(fā)育帶、動壓增大下冒頂、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(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，西南、西北地區(qū)各類鐵路隧洞、公路隧洞、引水隧洞的建設(shè)，同樣面臨著復(fù)雜地質(zhì)條件下的各類災(zāi)害問題的及時和有效處理。傳統(tǒng)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(yīng)現(xiàn)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)展起來的新型化灌材料和配套技術(shù)，對有效解決復(fù)雜地質(zhì)條件下煤巖體加固防塌方、偏幫、頂板穩(wěn)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，以及其在解決國內(nèi)重點煤炭、隧洞等地下復(fù)雜工程施工的凝難問題的應(yīng)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

   （1）新型化學(xué)灌漿技術(shù)

       該材料是屬于聚氨酯類（PUR）和硅酸鹽改性聚氨酯類（Silicate Modified PUR）灌漿材料，它有A、B兩組份組成，100％樹脂含量，無任何揮發(fā)性有機(jī)成份（無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(xiàn)場稱量配料。而國內(nèi)目前的化學(xué)灌漿料多是在現(xiàn)場配對而成，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(jī)物，材料的性能不穩(wěn)定，隨意性較大，其科學(xué)性、規(guī)范性、性能穩(wěn)定性較差。同時施工設(shè)備多為簡陋、單一，僅適用于一般裂隙灌漿。而這類新型化灌材料主要適用于灌注量較大的工程需要，如煤礦遇到斷層時的破碎煤巖體圍巖體加固固結(jié)，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(hù)強(qiáng)度等；隧洞施工中遇到破碎或松散圍巖的固結(jié)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十幾年的廣泛應(yīng)用歷史，在我國煤礦、隧洞等工程中的應(yīng)用是近幾年才開始的。它的主要性能特點如下所示：

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

       ②該材料為100％樹脂含量，無任何揮發(fā)性（VOC）物質(zhì)，幾乎沒有任何異味，通過國家建材環(huán)保認(rèn)證；阻燃性優(yōu)，對于地下工程應(yīng)用安全可靠。

       ③凝結(jié)時間可調(diào)，一般為2～3分鐘，可以實現(xiàn)十幾秒到30～40分鐘左右。

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

       ⑤施用性強(qiáng)，可以是不發(fā)泡的硬質(zhì)樹脂。也可以調(diào)節(jié)到一定發(fā)泡膨脹特性，從2～3倍發(fā)泡倍數(shù)，到自由膨脹可達(dá)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(jié)理層裂縫的灌注加固，保證更好的粘結(jié)性，并具有較高的抗壓強(qiáng)度。

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

        ⑦實現(xiàn)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�？梢詫崿F(xiàn)根據(jù)工程條件可控灌漿，對凝結(jié)時間和反應(yīng)特性可調(diào)節(jié)，方便易行�，F(xiàn)場注漿量實現(xiàn)可控，節(jié)約用料。可實現(xiàn)準(zhǔn)確計量，不用現(xiàn)場復(fù)雜配料，科學(xué)性、規(guī)范性強(qiáng)。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增長到5000mPa.s左右），實現(xiàn)簡易設(shè)備有效控制水患問題。

    （2）新型化學(xué)灌漿材料的物理力學(xué)性能

        這類化學(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(jié)用純聚氨酯注漿料、圍巖固結(jié)用硅酸鹽改性聚氨酯注漿料、快速堵漏水用聚氨酯類注漿料、空穴快速充填用硅酸鹽改性聚氨酯注漿料，其物理力學(xué)性能分別見表1、2、3和4。

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

產(chǎn)品特性
 A組分
 B組分
 
外觀
 淡黃色或無色透明液體
 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
 
開始反應(yīng)時間（23±2℃ ）
 一般為40～60 秒左右，可以實現(xiàn)十幾秒到十幾分鐘左右
 
終止反映時間（23±2℃ ）
 一般為1～3分鐘，可以實現(xiàn)十幾秒到30分鐘左右
 
發(fā)泡特性
 可以根據(jù)工程特點（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(qiáng)度  /MPa
 >50（發(fā)泡1～2倍）
 
與干混凝土面粘接強(qiáng)度 /MPa
 >4（發(fā)泡1～2倍）
 
與濕混凝土面粘接強(qiáng)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(shù)

產(chǎn)品特性
 A組分
 B組分
 
外觀
 淡黃色或無色透明液體
 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(yīng)終止時間（23±2℃ ）
 15～40 秒左右
 
10秒內(nèi)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(qiáng)度  /MPa
 >50
 
與干混凝土面粘接強(qiáng)度 /MPa
 >4
 
與濕混凝土面粘接強(qiáng)度 /MPa
 >1
 

 

表3   圍巖固結(jié)用硅酸鹽改性聚氨酯注漿料物理力學(xué)性能參數(shù)

產(chǎn)品特性
 A組分
 B組分
 
外觀
 無色透明液體
 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
 
開始反應(yīng)時間（23±2℃ ）
 40～60 秒左右
 
終止反映時間（23±2℃ ）
 2～5分鐘
 
與水反應(yīng)特性
 不與煤巖體中水反應(yīng)發(fā)泡，保持本體力學(xué)性能
 
單軸抗壓強(qiáng)度  /MPa
 >40
 
與干砼面粘接強(qiáng)度  /MPa
 >4
 
與潮濕砼面黏結(jié)強(qiáng)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(shù)


產(chǎn)品特性
 A組分
 B組分
 
外   觀
 無色透明液體
 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
 
開始反泡時間（23±2℃ ）
 20～40 秒
 
終止發(fā)泡時間（23±2℃ ）
 1分鐘左右
 
發(fā)泡特性
 自由發(fā)泡倍數(shù)達(dá)25倍
 

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

    新型化學(xué)灌漿技術(shù)的灌注工藝性能   

        國內(nèi)目前使用的化學(xué)灌漿設(shè)備主要是單組分注漿泵，設(shè)備簡陋，專業(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(qiáng)加固灌漿，形式簡單，不適用于工程大量灌漿要求。也有兩組分的進(jìn)口灌漿設(shè)備，但是施用性較差，主要是與國內(nèi)的灌漿材料性能難以配套。因此在實際應(yīng)用中有較大的局限性。