矿用新型高分子注浆材料研发及注浆加固应用.pdf

收稿日期：作者简介：郑和平（），男，四川蓬溪人，博士研究生，高级工程师，现任川煤集团有限责任公司副总经理。矿用新型高分子注浆材料研发及注浆加固应用郑和平，李季，邢宇龙（川煤集团有限责任公司，四川 成都 ；西安科技大学 能源学院，陕西 西安 ；河北浩威旭光新材料科技有限公司，河北 邯郸 ）摘要：针对无机加固材料和普通有机加固材料在井下开采应用中出现的反应温度较高、粘结度差、易发火等问题，采用实验室试验和理论分析相结合的研究方法，对研发的新型低温高分子加固材料的主要性能进行测试，并根据叙永一矿 工作面顶板破碎情况进行注浆加固方案设计和现场应用。结果表明，新型低温加固材料的浆液粘度、固化时间、反应温度、闪点、阻燃性能以及力学性能等主要性能指标均优于国家标准要求；采用新型有机高分子超低温加固材料对支架上部破碎岩体及煤壁前方顶板进行预注浆加固，注浆施工采用深、浅孔结合，同时兼顾加固与堵水双重作用；工作面顶板注浆加固后，上覆岩层强度变大，承载能力随之变强，工作面液压支架阻力平均值均低于支架的额定工作阻力值，注浆加固效果良好。关键词：软弱顶板；注浆材料；力学性能；注浆加固中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；引言随着我国煤炭开采技术的不断发展，煤岩体加郑和平李季邢宇龙矿用新型高分子注浆材料研发及注浆加固应用 年固材料在解决工作面坍塌、冒顶治理及顶板维护、巷道加固和破碎地质条件下的围岩固化等问题上逐渐得到广泛推广和应用 。近年来，随着煤矿井下生产的安全要求不断提高，对注浆加固材料本身也提出更高的要求，不但需要浆液将松散介质固结成一个相对完整的整体，形成具有高强度、好防水性、稳定化学性能的“结石体”，达到加固、补强、止水等目的，同时也要保证煤矿加固材料的最高反应温度以及现场反应温度达到安全标准 。针对注浆加固材料性能及井下开采应用中出现的问题，众多学者已对其做了诸多研究。周亭等 为解决有机注浆加固材料有机氯含量高，导致以煤炭资源为原料的化工企业中变换催化剂中毒失活的问题，采用一步合成法，以自研发的无卤阻燃剂为原料，制备无卤聚氨酯注浆加固材料，表现出优异的力学性能、阻燃性能和稳定性能；李西凡等 基于煤矿井下不同现场注浆加固工程对注浆材料性能的需要，研发出新型无机双液及单液注浆材料，前者具有突出的快凝、早强特性，后者具有突出的高渗透、高强特性；彭英华等 基于井下煤岩破碎发育、巷道围岩不稳定和煤与瓦斯突出危险性大等难题，为实现巷道过断层破碎带的安全顺利掘进，提出采用水泥 水玻璃（）为注浆材料用于实施注浆固化充填作业，并对不同水灰比、体积比的浆液试快抗压强度、浆液凝胶时间及黏度特性进行了探讨；张保勇等 通过黏度和抗压强度研究确定了高延性水泥基复合材料的基本水灰比，并以粉煤灰、微硅粉以及聚乙烯醇作为掺合剂，研究了不同掺合剂配比对注浆加固材料性能的影响；张耀辉 通过对现有的注浆材料进行分析研究，得出一种加固破碎围岩的新型双液速凝注浆材料，并提出采用层次注浆法解决无机注浆材料跑浆、漏浆的难题；吴怀国等 通过研究硅酸盐改性注浆加固材料的配方反应原理、最新的力学性能研究结果和实际应用情况，得出其完全能用于井下各种复杂条件下快速、高效加固破碎煤体，尤其是压缩弹模比传统聚氨酯注浆加固材料要高很多，更适合煤岩体刚性材料结构体的加固应用。针对煤岩体注浆加固材料在解决煤炭开采中围岩破碎现象时出现的安全性能问题，采用实验室试验和理论分析相结合的研究方法，对新型低温高分子注浆加固材料的力学性能进行测试，根据叙永一矿 工作面顶板破碎问题进行注浆加固方案设计，并进行工业性试验。新型低温高分子注浆材料目前常用的注浆材料分为水泥注浆材料和化学注浆材料 大类。水泥浆液具有无毒、对环境污染小、成本低、材料来源广、凝结成的结石体的强度高、配置方便等显著优点，但水泥颗粒的粒径比较大，不易扩散 ；而化学浆液虽然制作起来工艺比较复杂、成本也比较高，但是它具有浆液粘度低、流动性强、可注性好等优点，因此，在井下煤矿开采中被广泛应用于补强加固、防水等方面。由于无机加固材料和普通有机加固材料在煤矿井下使用过程中直接和井下煤体进行接触和热量交换，材料在现场施工过程中进行化学放热反应，注浆量大时，大量材料积聚还会导致材料反应温度进一步升高，注浆材料产生的高温会加速其周边煤体的氧化过程，进而出现注浆过程中或注浆完成后煤体冒烟或着火的危险事故，同时也伴随着注浆材料粘结度差的问题，不能很好的将围岩粘结成为整体，充分发挥其自身承载能力。针对此类问题，研发的新型纳米复合低温加固材料是一种低粘度、双组分合成的新型环保型高性能纳米复合材料，由 、双组份物料在低温条件下以 的体积比混合反应生成，组份主要成分是聚醚型多元醇，组份主要成分是多亚甲基多本基多异氰酸酯，材料构成参数见表 。表 材料构成 组份原料名称重量 组份原料名称重量 多元醇 异氰酸酯 泡沫稳定剂 多元醇 催化剂 增塑剂 低温有机高分子复合加固材料中的 、组份混合后主要发生聚合反应，随着反应时间的延长，物料经历粘度逐渐增大、体积膨胀、丧失流动性和强度提升 个阶段。由于具有使用效果好、施工快捷、使用过程中受水分影响小、反应热低等特点，已被广泛的应用于煤岩体的加固。同时，高分子加固材料的高度粘合力和良好的机械性能与煤岩体产生高度粘合，强度上升快，并且具有强抗渗性能、抗磨、抗冲击性能和抗老化性能，从而达到长久稳固煤岩体的目的。低温高分子注浆材料性能测试根据 国家安全生产行业标准 规定，从物理性第 期郑和平李季邢宇龙矿用新型高分子注浆材料研发及注浆加固应用能、化学性能及力学性能方面对低温高分子注浆材料的主要性能进行测试。测试在温度（），相对湿度（）的试验室中进行。测试试件制备采用“一步法”，所谓“一步法”就是将聚合物多元醇、催化剂、泡沫稳定剂组成的 组份，与主要成分为异氰酸酯的 组份通过物理混合的方式反应固化成型，如图 所示；试验前试样在标准试验条件下放置 。?图 “一步法”工艺流程 “”物理性能测试浆液粘度测试：取配置完成后的浆液双组份各 左右（以测量液体浸没粘度计转子为标准），将其装 粘度计的测量池上，将恒温水浴锅温度范围调整为（），通过预测，选取量程最为合适的转子，设定转速 ，将仪器清零后，开始测量其粘度数据，待读数稳定后记录。固化时间测试：试件制备过程中，将组份 与组份 混合，开始计时，搅拌约 后停止搅拌，当手接触固结体无粘手现象，此时停止计时，该段时间即为固化时间。闪点测试：将试样装入试验杯至规定刻度线，迅速升高试样的温度，当试样温度达到预计闪点前约 时，减缓升温速度并以恒定的速率升温。温度每升高，用一个小的试验火焰扫过试验杯，当试验火焰引起试样液面上部蒸汽闪火时，记下温度计的温度读数，即为闪点。化学性能测试反应温度测试：室温（）条件下，按浆材自身固化时规定的质量比，称取 、这 组份浆液总量共计 ，混合搅拌均匀后，倒入直径 的自制圆柱形模具中，将物理温度计探针插入试样芯部位置，依次记录达到最高反应温度所需的时间、最高反应温度以及保持最高反应温度的时间。取 次测试平均值记为最高反应温度值，结果精确到。阻燃性能测试：采用 氧指数测定仪测试试样的氧指数；将试样制成 （长 宽 高）大小的样条，每组 个试样，在距离点燃端 处画一条标线，点燃试样时，火焰持续作用时间最长为 ，若 内不能点燃，则增大氧气继续点燃，当样条在 内燃烧至 标线处，此时为最终氧指数值。力学性能测试将产品固结体制成 （直径 高）大小的样品，依据 标准要求，利用试验机进行材料的压缩性能测试，压缩速率为 ，以恒定的速率沿试样轴向进行压缩，直至试样破坏，记录试样的破坏载荷。压缩强度按式（）计算 （）式中，为材料压缩强度，；为试样破坏载荷，；为试样的横截面积，；为试样的直径，。材料测定的性能指标结果见表 。从表 看出，新型纳米复合低温加固材料的各项指标均优于国家标准要求。因此可以看出，新型纳米复合低温加固材料具有以下特点：反应迅速，适合局部注射；且凝结时间可调，可根据施工现场具体情况调整；聚合温度低、抗静电、无火焰蔓延；粘度低，渗透性好，能很好地渗入细小的裂隙中；快速达到最终的物理强度，施工效果好、工期短、易于操作；强度高、粘结力强，对煤层、岩层有优异的粘接性，可与岩层牢固地粘合在一起；绿色环保，反应时不产生有害气体。表 新型纳米复合低温加固材料技术指标 项目标准要求实际检测结果组份组份外观均一性、无结块均一性、无结块闪点 未检出固化时间（）膨胀倍数 倍 抗老化性能（，）表面无变化，质量无损失表面无变化，质量无损失最高反应温度 粘结强度 阻燃抗静电性能满足 标准要求不燃，抗静电性能符合 标准要求苯（）未检出有害物质限量甲苯 二甲苯（）未检出总挥发性有机物（）保质期（常温下 月）陕西煤炭 年 高分子注浆材料应用 工程概况叙永一矿位于四川省叙永县郑东镇落叶坝，隶属于四川省煤炭产业集团芙蓉有限责任公司。矿井内存在近距离主采煤层群分别为 、煤层，每层平均煤厚为 。工作面主采 煤层，煤层比重 ，平均煤厚 ，工作面可采储量为 万 ，工作面平均倾角 ，采高 ，斜长 。工作面顶、底板主要岩性为泥岩、砂质泥岩及少部分细砂岩，属于典型的“三软”煤层，煤岩层综合地质柱状图如图 所示。?图 煤岩层综合地质柱状 工作面采用 型掩护式液压支架。在回采期间，顶板压力持续显著增大，支架呈前倾姿态压死，且顶板松软破碎，极易发生严重冒落和煤壁片帮现象，造成液压支架推移困难，严重威胁矿井安全，如图 所示。针对 工作面顶板实际破碎现状，采用新型有机高分子超低温加固材料对支架上部破碎岩体及煤壁前方顶板进行预注浆加固，注浆施工采用深、浅孔结合，注浆材料同时兼顾加固与堵水双重作用。注浆加固时，采用高压进行灌注，按照材料比例混合注射，使树脂和催化剂反应生成多元网状的弹性体，从而被高压推挤，注入到煤层或岩层，并沿煤岩层裂缝延伸至所有裂隙，在较短的时间内快速膨胀到原体积的 倍，接着固化并产生高强度、高韧性的纳米复合低温材料，达到充填密闭及加固的效果，从而有效地改善软煤岩及破碎煤岩的整体性。?图 工作面压架现象 注浆方案 工作面注浆加固方案在支架前部，距煤壁 布置单排钻孔，孔间距为 ，浅孔和深孔间距为 ；钻孔与水平方向夹角为 ，浅孔深度为 ，深孔深度为 ，孔径为 ；工作面注浆孔布置方案如图 所示。注浆压力为 ，封孔深度为 。?图 工作面注浆孔布置方案 机巷注浆加固方案在机巷桥转段长度 ，每排 个孔，排距，孔径 ，共计 个注浆孔，间距根据现场条件进行调节，注浆孔终孔位置位于顶板法向 位处，终孔点间距 。矮帮孔与顶板夹角 ，深度为 ；中线孔与顶板夹角 ，深度为 ；高帮孔呈 ，深度为 ，孔径为 ；机巷注浆孔布置方案如图 所示。注浆压力为 ，封孔深度为 。第 期郑和平李季邢宇龙矿用新型高分子注浆材料研发及注浆加固应用?图 机巷注浆孔布置方案 注浆效果分析为分析注浆加固方案对倾斜煤层 工作面软弱顶板的加固效果，对工作面液压支架的工作阻力进行监测，结果如图 所示。由图 可以看出，监测周期内，在对工作面顶板进行注浆加固后，由于在注浆材料的加固作用下，顶板上覆岩层的强度变大，承载能力也随之变强。因此，工作面液压支架阻力平均值均低于支架的额定工作阻力值。结论（）新型纳米复合低温加固材料的浆液粘度、固化时间、反应温度、闪点、阻燃性能以及力学性能等主要性能指标均优于国家标准要求。（）针对 工作面顶板实际破碎现状，采用新型有机高分子超低温加固材料对支架上部破碎岩体及煤壁前方顶板进行预注浆加固，注浆施工采用深、浅孔结合，同时兼顾加固与堵水双重作用。（）工作面顶板注浆加固后，上覆岩层强度变大，承载能力随之变强，工作面液压支架阻力平均值均低于支架的额定工作阻力值。参考文献：张淑同，杨志恒，汪华君，等 采场破碎煤体注浆加固渗流规律研究 采矿与安全工程学报，（）：刘泉声，卢超波，刘滨，等 深部巷道注浆加固浆液扩散机理与应用研究 采矿与安全工程学报，（）：徐香庆，郭文喜 松软破碎围岩巷道注浆加固技术应用研究 煤炭工程，（）：仲启方，阎震彪，管歆 巷道围岩注浆加固技术 煤炭技术，（）：熊祖强，龚彦华，刘成威 破碎围岩巷道注浆加固技术 煤矿安全，（）：高良玉 软岩巷道注浆加固技术在水城矿区的应用 煤炭科学技术，（）：周亭，刘青，王斌斌，等 无卤聚氨酯注浆加固材料的性能研究 煤炭技术，（）：李西凡，熊祖强，刘旭峰，等 煤岩注浆加固技术与高性能无机注浆材料研发 煤矿安全，（）：彭英华，华攸金，李希建，等 破碎煤岩巷道注浆加固材料试验与应用 煤炭科学技术，（）：张保勇，高橙，吴强，等 煤体注浆材料优选及加固煤体单轴压缩试验 煤矿安全，（）：张耀辉 双液速凝注浆材料在破碎围岩加固中的应用 煤矿安全，（）：，吴怀国，韩德强，魏宏亮 硅酸盐改性注浆加固材料的最新研究进展和应用 煤炭科学技术，（）：余海豪，徐兆刚，杨浩，等 固井水泥浆环空顶替效率研究 非常规油气，（）：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 （上接第 页）王荣，王新园 矿井排水节能环保研究 煤炭工程，（）：于玲 综采工作面超纯水乳化液保障系统关键技术研究 沈阳：沈阳工业大学，徐建军，杨建超 矿井疏矸水技术研究与应用 陕西煤炭，（）：，肖艳，刘海东，郭中权，等 超滤 反渗透工艺处理高矿化度矿井水设计与运行 中国给水排水，（）：何刚，李改翠 柠条塔煤矿南翼井下矿井水处理站方案设计 陕西煤炭，（）：孟祥龙 煤矿矿井复用水系统应用分析 陕西煤炭，（）：陕西煤炭 年?图 工作面支架工作阻力变化曲线