雙液及新型化學注漿材料加固破碎煤巖體對比小試

侯婧禎

(同煤集團同家梁礦，山西 大同 037025)

煤炭在我國一次能源生產和消費結構中的基礎地位十分重要，然而煤礦地域條件非常復雜，尤其隨著礦井開采規模的擴展和開采向縱深方向發展，礦井開拓、準備和回采巷道都會有不同程度的變形甚至破壞，嚴重影響了煤礦的安全生產。

為了控制煤巖體的變形，確保煤礦采掘空間的穩定和安全程度，必須采取有效的控制措施。化學灌漿材料是目前應用于煤礦安全治理較多的材料之一，其目的主要是防滲堵漏以及穩定工程結構和圍巖，并廣泛應用在煤礦安全治理的各個方面[1]。目前采用的化學漿液有馬麗散、固邦特和固安特等，雖然具有高度黏合力和很好的機械性能，但其施工工藝復雜，并且價格昂貴。為此，針對注漿技術存在的問題，分析常用礦用雙液化學漿材和新型注漿漿材的優越性，為實現煤礦安全有序、高產高效提供理論參考。

1 礦區概況及工程背景

某煤礦位于淮南煤田的中部水文地質單元，煤田以中厚傾煤層為主，構造復雜程度中等，為一隱伏式礦井。目前，開采主要煤層為8煤、11-2煤和13-1煤層。淺部煤層開采工作面主要集中在西部，部分工作面回采過程中出現突涌水現象，還出現個別工作面在回采過程中壓架子事故。出水直接水源為砂巖水，間接水源為底部松散層水。為了確保安全生產，需要采用化學漿液加固技術進行治理。

2 注漿材料的研究現狀

注漿材料是注裝技術中不可缺少的重要組成部分之一，不同漿材物理力學性能的差異性導致漿材選擇的多樣性。我國最早是用的漿材為石灰和黏土，之后將水泥用于注漿，近年來化學漿材尤其是有機高分子漿材得到飛速發展。

在煤礦行業中，一般將漿材分為水泥和化學漿材兩大類。水泥漿材具有結石體強度高、材料來源廣、造價低廉等優點，但其制的漿液一般只能注入到直徑或寬度較大的孔/裂隙中。化學注漿材料可注性好、漿液黏度低，但是一般的化學漿液又具備一定的毒性，切價格相對較貴，使得化學漿材的應用也在一定程度上受到了限制[2]。

根據漿液的類型，可分為懸濁液和溶液兩種類型。在實際工程中，由于懸濁液類漿材較易獲得，價格較低，需求量大時使用較多。溶液類漿液通常指化學漿液，其可注性、結石率高，離析率較小，可注難度較大的條件下效果突出。

為了改善現有漿材，在全世界業內研究者的共同努力下，針對水泥注漿材料與化學注漿材料的缺點，先后推出了一系列的低毒、無毒、高效能的改進型新材料。如今，國內外的各種注漿漿材品種已經達到數百余種之多。

3 雙液化學漿液的物理力學性能試驗

3.1 雙液化學漿液的基本性能

注漿材料通常由主劑和溶劑組成，漿液使用的主要原材料即為主劑，加入的稀釋劑即為溶劑。由于實際需要，一般漿液中主劑大多由數種主劑混合而成。

雙液化學漿液主要是將兩種化學漿液組成的注漿材料。依據注漿工程的需要，除了按按一定比例外，雙液化學漿液必要時會加入催化劑，以極大的提高圍巖加固和堵水的效果，尤其在地下水流速度大的地層中達到快速堵漏的目的。

一般而言，雙液漿液具有可控性強、結實率高、流動性好等特點，且其物理力學性能主要表現在凝結時間、強度、抗滲等方面。

3.2 常用化學注漿材料物理力學性能

3.2.1 物理性能

根據礦區概況及工程背景的實際情況，將其常用的馬麗散、固爾亞、固瑞特等五種化學漿液進行雙組分分組，使用時將二者按一定比例混合后注入地層，在實驗室測定其凝膠時間、最高反應溫度、膨脹率等指標。測試時室溫為18 ℃，料測試結果，如表1所示。

表1 常用化學注裝材料測試結果

由表1可知，從與水反應現象來看，固爾亞、馬麗散和固瑞特遇水不發生反應，無膨脹現象，固邦特和同安特遇水發泡，具存一定的膨脹率，說明固爾亞、馬麗散和固瑞特特性為油溶性漿液，固邦特和同安特性質為水溶性。一般而言，油性槳液的存放和操作過程簡單方便，但因材料不膨脹，耗費溶劑量大；水性漿液優點為有利于充填巖石裂隙從而減少注漿材料的用量，但因其性質為水溶性，千分之一的含水都能使體系發泡影響注架施工，造成不利的結果，因此使用、操作和泵送過程中需格外小心。

3.2.2 力學性能

在實驗室溫度為23 ℃、相對濕度為55%的實驗室情況下，煤矸石與漿液質量比取5∶1，對五種化學漿材進行固結體的抗壓和抗拉強度試驗，以了解五種漿液對受注體的固結作用。結果顯示，同等漿液用量下，對煤矸石固結強度最高的漿材是固邦特，其他四種相差不大，且固結強度最低的漿材是馬麗散。當煤矸石與漿液質量比取5∶1時，固邦特抗壓強度為4.15 MPa，抗拉強度為0.47 MPa，而馬麗散分別為1.996 MPa和0.32 MPa。測試結果，如圖1所示。

圖1 煤矸石固結體單軸抗拉、抗壓強度(配比5∶1)

在相同實驗室條件下，當漿液用量分別為14%、17%、20%(砂與漿液質量比分別為6∶1、5∶1、4∶1)時，對五種化學漿材進行固結體的抗壓和抗拉強度試驗。結果顯示，五種化學注漿材料在一定溫度條件下發生凝膠固化反應，隨著注漿用量的增加砂固結體的強度也隨之增大，且固邦特固砂強度均高于其他四種雙液化學注漿材料，固瑞特固結強度最低。具體的，當漿液用量為6∶1、5∶1、4∶1時，固邦特強度分別為5.56 MPa、8.85 MPa和12.40 MPa，固瑞特強度分別為3.76 MPa、6.64 MPa和7.44 MPa。同時，除了固邦特漿材用量為20%(砂與漿液質量比4∶1)時較合適，其他4種漿材裝液用量與強度的變化趨勢更為相似，漿材用量為17%(砂與漿液質量比5∶1)時較合適。測試結果，如圖2所示。

圖2 漿液用量與強度的關系

綜合考慮下，固邦特遇水發泡，具有一定的膨脹率，且同等漿液用量下，其形成的煤矸石和砂的固結體強度最高，宜優先選用。

4 新型化學漿材的物理力學性能試驗

通過文獻調研及實際調研發現，現階段注漿材料的種類和配方正在不斷增加，對比得到聚氨酯類注獎材料具有注漿效果較好、無毒性、對環境無污染、凝結時間可控、固結體強度高、配方較多、漿液的粘度較小、滲透性好等優點，故模擬實驗所使用的新型化學注漿材料為雙組份聚氨酯材料[3-4]。綜合考慮經濟科學可操作性以滿足工程需要，將其制備成白料和黑料，黑料主要成分為多異氰酸酯化合物，白料通常為含多羥基化合物，并在實際使用中加入控制凝結時間及阻燃性等性能的外加劑。

4.1 物理性能

在不同溫度時，漿液反應的速度不同。對所制備的聚氨酯漿液的白料和黑料使用烤燈，然后等體積混合反應，測定固化時間并定時測定反應時的溫度變化。結果顯示，黑白料的初始溫度越髙，整個反應固化過程越快，通過不斷攪拌，漿產生氣泡膨脹，有助于充分反應。由于漿液黑白料的初始溫度影響混合反應，為了得到比較科學客觀的試驗結果，在模型試驗中需要控制漿液的反應時間。綜合對比模型試驗與實際工程條件，固化時間在室溫時為15 min。漿液反應溫度變化，如圖3所示。

圖3 漿液反應溫度變化

4.2 力學性能

為了測定力學性能，通過黑白料固化反應形成的固結體均為直徑50 mm、高100 mm標準圓柱體試件。同時，測試需對比漿液本身的力學性能，以作為注漿效果評價參考。試件破壞試驗結果為，純漿液固結均表現為從一端開裂破壞，試件并未被完全破壞，標準砂固結體受壓破壞時有剝落趨勢，但整體較為完整，且二者單軸抗壓強度分別平均為102.03 MPa、63.64 MPa。同時，從煤固結體試驗結果可知，隨著漿液用量的增加，煤固結體的強度逐漸增大，這與一般雙液化學漿液試驗類似，且在密閉加壓條件下，漿液用量明顯高于無壓固結煤時的用量，但是強度卻較低，為1.49 MPa。從標準砂固結體試驗結果可知，漿液用量的增加，無壓固砂體的抗壓強度也隨之增大，在壓力作用下，漿液與標準砂質量比為1∶3.4時，固結體強度高達63.64 MPa。

5 結語

五種常用的雙液化學漿液中，固邦特遇水發泡，具有一定的膨脹率，且同等漿液用量下，其形成的砂和煤奸石的固結體強度最高，宜優先選用；新型化學漿材砂固結體抗壓強度均高于固邦特的固結強度，值得推廣應用。