在煤矿、隧洞等地下工程中的新型化学灌浆材料应用

    化学灌浆材料属于有机高分子材料，主要有聚氨酯类、环氧树脂类、丙烯酰胺类、丙烯酸盐类、脲醛树脂类等灌浆材料。它主要是通过压力或化学渗透作用灌入混凝土缝隙、各种岩体裂隙及各种松散地层中，能在较短的时间内很快固结，使松散的或破碎的围岩、混凝土结构或散粒体胶结成连续体，恢复结构的整体性。在水利水电、隧洞及工民建工程中有着非常重要的应用价值。它具有粘度低、渗透性好、粘结强度高、强度增长快且高、变形性好等优异的性能。在煤矿、隧洞、水利水电、铁道、市政等工程领域中有着较广泛的应用。


    随着我国经济的快速发展，能源紧缺促使煤矿开采业大力发展，一批大型、高产高效的井矿纷纷投产，传统煤矿采深加大，随之而来的生产安全和高效生产保障问题十分严峻，如大的断裂带、破碎松散围岩区、裂隙发育带、动压增大下冒顶、地下水害等直接影响煤矿井下安全和高效生产。国家基础设施的快速发展，西南、西北地区各类铁路隧洞、公路隧洞、引水隧洞的建设，同样面临着复杂地质条件下的各类灾害问题的及时和有效处理。传统的水泥/水玻璃和普通的化灌材料和施工技术已很难适应现代安全、快速高效生产的需要。而国际上先进国家已经快速发展起来的新型化灌材料和配套技术，对有效解决复杂地质条件下煤岩体加固防塌方、偏帮、顶板稳定性控制、空穴的快速处理、渗漏水及涌水有效快速治理等方面非常具有针对性，有利保障地下工程安全、高效生产的需要。本文主要介绍一种国际先进水平的新型化学灌浆材料及其配套施用技术特点，以及其在解决国内重点煤炭、隧洞等地下复杂工程施工的凝难问题的应用。

       1、新型化学灌浆技术和化学灌浆材料的性能特点

   （1）新型化学灌浆技术

       该材料是属于聚氨酯类（PUR）和硅酸盐改性聚氨酯类（Silicate Modified PUR）灌浆材料，它有A、B两组份组成，100％树脂含量，无任何挥发性有机成份（无VOC）的绿色材料。施用配比是固定体积比1:1。产品包装是1份A料配1份B料，不用现场称量配料。而国内目前的化学灌浆料多是在现场配对而成，并含有较多的溶剂如丙酮等稀释剂，且固化剂多为有毒性有机物，材料的性能不稳定，随意性较大，其科学性、规范性、性能稳定性较差。同时施工设备多为简陋、单一，仅适用于一般裂隙灌浆。而这类新型化灌材料主要适用于灌注量较大的工程需要，如煤矿遇到断层时的破碎煤岩体围岩体加固固结，以防止冒顶/片帮和顶板控制，或加固煤体柱增加煤体柱的支护强度等；隧洞施工中遇到破碎或松散围岩的固结处理；以及煤岩体裂隙或围岩较大渗漏水或涌水的封堵和加固处理等，在国外如欧洲、澳洲、美国的隧洞和地下工程中有着十几年的广泛应用历史，在我国煤矿、隧洞等工程中的应用是近几年才开始的。它的主要性能特点如下所示：

       ①粘度低（100～200mPa.s），可灌性和渗透性优；

       ②该材料为100％树脂含量，无任何挥发性（VOC）物质，几乎没有任何异味，通过国家建材环保认证；阻燃性优，对于地下工程应用安全可靠。

       ③凝结时间可调，一般为2～3分钟，可以实现十几秒到30～40分钟左右。

       ④抗压强度高（50MPa以上），压缩变形大（>50%），粘结力高（>5MPa）。

       ⑤施用性强，可以是不发泡的硬质树脂。也可以调节到一定发泡膨胀特性，从2～3倍发泡倍数，到自由膨胀可达20倍以上。其发泡体韧性大，受压下不破坏。一定的发泡特性可以适用于有较大的围岩节理层裂缝的灌注加固，保证更好的粘结性，并具有较高的抗压强度。

        ⑥配套的施用注浆泵为固定进料配比（1:1体积比）、自动混料和输出，输出压力最高可达20～25MPa。可以实现自动封孔技术。施工操作简便易行，1～2人操作即可。

        ⑦实现双组分灌浆技术，两组分单独按固定配比进料、混合和输出。可以实现根据工程条件可控灌浆，对凝结时间和反应特性可调节，方便易行。现场注浆量实现可控，节约用料。可实现准确计量，不用现场复杂配料，科学性、规范性强。配套技术先进成熟。

        ⑧堵水材料技术具有粘度低、遇水迅速增稠（粘度可以在10秒左右从100mPa.s增长到5000mPa.s左右），实现简易设备有效控制水患问题。

    （2）新型化学灌浆材料的物理力学性能

        这类化学灌浆材料产品主要有以下几种（都是液体产品、固定1:1配比）：围岩固结用纯聚氨酯注浆料、围岩固结用硅酸盐改性聚氨酯注浆料、快速堵漏水用聚氨酯类注浆料、空穴快速充填用硅酸盐改性聚氨酯注浆料，其物理力学性能分别见表1、2、3和4。

         表1  围岩固结用纯聚氨酯注浆料物理力学性能参数

产品特性
 A组分
 B组分
 
外观
 淡黄色或无色透明液体
 深褐色液体
 
粘度（23±2℃ ）/ mPa.s
 100~200
 100～200
 
比重 （23±2℃ ）kg/m3
 1020±10
 1230±10
 
使用配比（体积比）
 1:1
 
开始反应时间（23±2℃ ）
 一般为40～60 秒左右，可以实现十几秒到十几分钟左右
 
终止反映时间（23±2℃ ）
 一般为1～3分钟，可以实现十几秒到30分钟左右
 
发泡特性
 可以根据工程特点（环境温度、裂隙发育情况），可控制不发泡到为发泡2～3倍左右
 
单轴抗压强度  /MPa
 >50（发泡1～2倍）
 
与干混凝土面粘接强度 /MPa
 >4（发泡1～2倍）
 
与湿混凝土面粘接强度 /MPa
 >1
 
阻燃特性
 离火自熄

 
表2  快速堵水用聚氨酯注浆料物理力学性能参数

产品特性
 A组分
 B组分
 
外观
 淡黄色或无色透明液体
 深褐色液体
 
粘度（23±2℃ ）/ mPa.s
 100~200
 100～200
 
比重 （23±2℃ ）kg/m3
 1030±10
 1240±10
 
使用配比（体积比）
 1:1
 
反应终止时间（23±2℃ ）
 15～40 秒左右
 
10秒内粘度增加情况
 可以从100mPa.s增加到5000mPa.s
 
发泡特性
 与水有一定发泡
 
单轴抗压强度  /MPa
 >50
 
与干混凝土面粘接强度 /MPa
 >4
 
与湿混凝土面粘接强度 /MPa
 >1
 

 

表3   围岩固结用硅酸盐改性聚氨酯注浆料物理力学性能参数

产品特性
 A组分
 B组分
 
外观
 无色透明液体
 深褐色液体
 
粘度（23±2℃ ）/ mPa.s
 100~200
 100～200
 
比重 （23±2℃ ）kg/m3
 1500±10
 1150±10
 
使用配比（体积比）
 1:1
 
开始反应时间（23±2℃ ）
 40～60 秒左右
 
终止反映时间（23±2℃ ）
 2～5分钟
 
与水反应特性
 不与煤岩体中水反应发泡，保持本体力学性能
 
单轴抗压强度  /MPa
 >40
 
与干砼面粘接强度  /MPa
 >4
 
与潮湿砼面黏结强度 / MPa
 >1
 

 

表4  空穴充填用硅酸盐改性聚氨酯发泡注浆料物理力学性能参数


产品特性
 A组分
 B组分
 
外   观
 无色透明液体
 深褐色液体
 
粘度（23±2℃ ）/ mPa.s
 200~300
 100～200
 
比重 （23±2℃ ）kg/m3
 1500±10
 1200±10
 
使用配比（体积比）
 1:1
 
开始反泡时间（23±2℃ ）
 20～40 秒
 
终止发泡时间（23±2℃ ）
 1分钟左右
 
发泡特性
 自由发泡倍数达25倍
 

        2、新型化学灌浆技术的灌注工艺和配套施工设备的性能特点

    新型化学灌浆技术的灌注工艺性能   

        国内目前使用的化学灌浆设备主要是单组分注浆泵，设备简陋，专业性差，流量小，灌注压力小（一般不到1MPa），多适用于混凝土裂缝补强加固灌浆，形式简单，不适用于工程大量灌浆要求。也有两组分的进口灌浆设备，但是施用性较差，主要是与国内的灌浆材料性能难以配套。因此在实际应用中有较大的局限性。