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   在煤礦、隧洞等地下工程中的新型化學灌漿材料應用

    化學灌漿材料屬于有機高分子材料，主要有聚氨酯類、環氧樹脂類、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非常重要的應用價值。它具有粘度低、滲透性好、粘結強度高、強度增長快且高、變形性好等優異的性能。在煤礦、隧洞、水利水電、鐵道、市政等工程領域中有著較廣泛的應用。


    隨著我國經濟的快速發展，能源緊缺促使煤礦開采業大力發展，一批大型、高產高效的井礦紛紛投產，傳統煤礦采深加大，隨之而來的生產安全和高效生產保障問題十分嚴峻，如大的斷裂帶、破碎松散圍巖區、裂隙發育帶、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。國家基礎設施的快速發展，西南、西北地區各類鐵路隧洞、公路隧洞、引水隧洞的建設，同樣面臨著復雜地質條件下的各類災害問題的及時和有效處理。傳統的水泥/水玻璃和普通的化灌材料和施工技術已很難適應現代安全、快速高效生產的需要。而國際上先進國家已經快速發展起來的新型化灌材料和配套技術，對有效解決復雜地質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、高效生產的需要。本文主要介紹一種國際先進水平的新型化學灌漿材料及其配套施用技術特點，以及其在解決國內重點煤炭、隧洞等地下復雜工程施工的凝難問題的應用。

       1、新型化學灌漿技術和化學灌漿材料的性能特點

   （1）新型化學灌漿技術

       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，無任何揮發性有機成份（無VOC）的綠色材料。施用配比是固定體積比1:1。產品包裝是1份A料配1份B料，不用現場稱量配料。而國內目前的化學灌漿料多是在現場配對而成，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物，材料的性能不穩定，隨意性較大，其科學性、規范性、性能穩定性較差。同時施工設備多為簡陋、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，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；

       ②該材料為100％樹脂含量，無任何揮發性（VOC）物質，幾乎沒有任何異味，通過國家建材環保認證；阻燃性優，對于地下工程應用安全可靠。

       ③凝結時間可調，一般為2～3分鐘，可以實現十幾秒到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，可以是不發泡的硬質樹脂。也可以調節到一定發泡膨脹特性，從2～3倍發泡倍數，到自由膨脹可達20倍以上。其發泡體韌性大，受壓下不破壞。一定的發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料配比（1:1體積比）、自動混料和輸出，輸出壓力最高可達20～25MPa。可以實現自動封孔技術。施工操作簡便易行，1～2人操作即可。

        ⑦實現雙組分灌漿技術，兩組分單獨按固定配比進料、混合和輸出。可以實現根據工程條件可控灌漿，對凝結時間和反應特性可調節，方便易行。現場注漿量實現可控，節約用料。可實現準確計量，不用現場復雜配料，科學性、規范性強。配套技術先進成熟。

        ⑧堵水材料技術具有粘度低、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），實現簡易設備有效控制水患問題。

    （2）新型化學灌漿材料的物理力學性能

        這類化學灌漿材料產品主要有以下幾種（都是液體產品、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，其物理力學性能分別見表1、2、3和4。

         表1  圍巖固結用純聚氨酯注漿料物理力學性能參數

產品特性
 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
 
開始反應時間（23±2℃ ）
 一般為40～60 秒左右，可以實現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，可以實現十幾秒到30分鐘左右
 
發泡特性
 可以根據工程特點（環境溫度、裂隙發育情況），可控制不發泡到為發泡2～3倍左右
 
單軸抗壓強度  /MPa
 >50（發泡1～2倍）
 
與干混凝土面粘接強度 /MPa
 >4（發泡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性能參數

產品特性
 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
 
反應終止時間（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
 
發泡特性
 與水有一定發泡
 
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性能參數

產品特性
 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
 
與水反應特性
 不與煤巖體中水反應發泡，保持本體力學性能
 
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泡注漿料物理力學性能參數


產品特性
 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
 
終止發泡時間（23±2℃ ）
 1分鐘左右
 
發泡特性
 自由發泡倍數達25倍
 

        2、新型化學灌漿技術的灌注工藝和配套施工設備的性能特點

    新型化學灌漿技術的灌注工藝性能   

        國內目前使用的化學灌漿設備主要是單組分注漿泵，設備簡陋，專業性差，流量小，灌注壓力小（一般不到1MPa），多適用于混凝土裂縫補強加固灌漿，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。因此在實際應用中有較大的局限性。