礦用新型高分子注漿材料研發及注漿加固應用

鄭和平,李 季,邢宇龍

(1.川煤集團有限責任公司,四川 成都 610074;2.西安科技大學 能源學院,陜西 西安 710054;3.河北浩威旭光新材料科技有限公司,河北 邯鄲 056000)

0 引言

隨著我國煤炭開采技術的不斷發展,煤巖體加固材料在解決工作面坍塌、冒頂治理及頂板維護、巷道加固和破碎地質條件下的圍巖固化等問題上逐漸得到廣泛推廣和應用[1-3]。近年來,隨著煤礦井下生產的安全要求不斷提高,對注漿加固材料本身也提出更高的要求,不但需要漿液將松散介質固結成一個相對完整的整體,形成具有高強度、好防水性、穩定化學性能的“結石體”,達到加固、補強、止水等目的,同時也要保證煤礦加固材料的最高反應溫度以及現場反應溫度達到安全標準[4-6]。

針對注漿加固材料性能及井下開采應用中出現的問題,眾多學者已對其做了諸多研究。周亭等[7]為解決有機注漿加固材料有機氯含量高,導致以煤炭資源為原料的化工企業中變換催化劑中毒失活的問題,采用一步合成法,以自研發的無鹵阻燃劑為原料,制備無鹵聚氨酯注漿加固材料,表現出優異的力學性能、阻燃性能和穩定性能;李西凡等[8]基于煤礦井下不同現場注漿加固工程對注漿材料性能的需要,研發出新型無機雙液及單液注漿材料,前者具有突出的快凝、早強特性,后者具有突出的高滲透、高強特性;彭英華等[9]基于井下煤巖破碎發育、巷道圍巖不穩定和煤與瓦斯突出危險性大等難題,為實現巷道過斷層破碎帶的安全順利掘進,提出采用水泥-水玻璃(C-S)為注漿材料用于實施注漿固化充填作業,并對不同水灰比、C-S體積比的漿液試快抗壓強度、漿液凝膠時間及黏度特性進行了探討;張保勇等[10]通過黏度和抗壓強度研究確定了高延性水泥基復合材料的基本水灰比,并以粉煤灰、微硅粉以及聚乙烯醇作為摻合劑,研究了不同摻合劑配比對注漿加固材料性能的影響;張耀輝[11]通過對現有的注漿材料進行分析研究,得出一種加固破碎圍巖的新型雙液速凝注漿材料,并提出采用層次注漿法解決無機注漿材料跑漿、漏漿的難題;吳懷國等[12]通過研究硅酸鹽改性注漿加固材料的配方反應原理、最新的力學性能研究結果和實際應用情況,得出其完全能用于井下各種復雜條件下快速、高效加固破碎煤體,尤其是壓縮彈模比傳統聚氨酯注漿加固材料要高很多,更適合煤巖體剛性材料結構體的加固應用。

針對煤巖體注漿加固材料在解決煤炭開采中圍巖破碎現象時出現的安全性能問題,采用實驗室試驗和理論分析相結合的研究方法,對新型低溫高分子注漿加固材料的力學性能進行測試,根據敘永一礦1599工作面頂板破碎問題進行注漿加固方案設計,并進行工業性試驗。

1 新型低溫高分子注漿材料

目前常用的注漿材料分為水泥注漿材料和化學注漿材料2大類。水泥漿液具有無毒、對環境污染小、成本低、材料來源廣、凝結成的結石體的強度高、配置方便等顯著優點,但水泥顆粒的粒徑比較大,不易擴散[13];而化學漿液雖然制作起來工藝比較復雜、成本也比較高,但是它具有漿液粘度低、流動性強、可注性好等優點,因此,在井下煤礦開采中被廣泛應用于補強加固、防水等方面。

由于無機加固材料和普通有機加固材料在煤礦井下使用過程中直接和井下煤體進行接觸和熱量交換,材料在現場施工過程中進行化學放熱反應,注漿量大時,大量材料積聚還會導致材料反應溫度進一步升高,注漿材料產生的高溫會加速其周邊煤體的氧化過程,進而出現注漿過程中或注漿完成后煤體冒煙或著火的危險事故,同時也伴隨著注漿材料粘結度差的問題,不能很好的將圍巖粘結成為整體,充分發揮其自身承載能力。

針對此類問題,研發的新型納米復合低溫加固材料是一種低粘度、雙組分合成的新型環保型高性能納米復合材料,由A、B雙組份物料在低溫條件下以1∶1的體積比混合反應生成,A組份主要成分是聚醚型多元醇,B組份主要成分是多亞甲基多本基多異氰酸酯,材料構成參數見表1。

表1 材料構成

低溫有機高分子復合加固材料中的A、B組份混合后主要發生聚合反應,隨著反應時間的延長,物料經歷粘度逐漸增大、體積膨脹、喪失流動性和強度提升4個階段。

由于具有使用效果好、施工快捷、使用過程中受水分影響小、反應熱低等特點,已被廣泛的應用于煤巖體的加固。同時,高分子加固材料的高度粘合力和良好的機械性能與煤巖體產生高度粘合,強度上升快,并且具有強抗滲性能、抗磨、抗沖擊性能和抗老化性能,從而達到長久穩固煤巖體的目的。

2 低溫高分子注漿材料性能測試

根據《國家安全生產行業標準》規定,從物理性能、化學性能及力學性能方面對低溫高分子注漿材料的主要性能進行測試。測試在溫度(23±2)℃,相對濕度(50±5)%的試驗室中進行。測試試件制備采用“一步法”,所謂“一步法”就是將聚合物多元醇、催化劑、泡沫穩定劑組成的A組份,與主要成分為異氰酸酯的B組份通過物理混合的方式反應固化成型,如圖1所示;試驗前試樣在標準試驗條件下放置24 h。

圖1 “一步法”工藝流程

2.1 物理性能測試

漿液粘度測試:取配置完成后的漿液雙組份各10ml左右(以測量液體浸沒粘度計轉子為標準),將其裝Brookfield粘度計的測量池上,將恒溫水浴鍋溫度范圍調整為(23±2)℃,通過預測,選取量程最為合適的轉子,設定轉速5～50 r/min,將儀器清零后,開始測量其粘度數據,待讀數穩定后記錄。

固化時間測試:試件制備過程中,將組份A與組份B混合,開始計時,攪拌約10～12 s后停止攪拌,當手接觸固結體無粘手現象,此時停止計時,該段時間即為固化時間。

閃點測試:將試樣裝入試驗杯至規定刻度線,迅速升高試樣的溫度,當試樣溫度達到預計閃點前約56 ℃時,減緩升溫速度并以恒定的速率升溫。溫度每升高2 ℃,用一個小的試驗火焰掃過試驗杯,當試驗火焰引起試樣液面上部蒸汽閃火時,記下溫度計的溫度讀數,即為閃點。

2.2 化學性能測試

反應溫度測試:室溫(23±2)℃條件下,按漿材自身固化時規定的質量比,稱取A、B這2組份漿液總量共計300 g,混合攪拌均勻后,倒入直徑60 mm的自制圓柱形模具中,將物理溫度計探針插入試樣芯部位置,依次記錄達到最高反應溫度所需的時間、最高反應溫度以及保持最高反應溫度的時間。取3次測試平均值記為最高反應溫度值,結果精確到1 ℃。

阻燃性能測試:采用JF-3氧指數測定儀測試試樣的氧指數;將試樣制成100 mm×6.5 mm×3.0 mm(長×寬×高)大小的樣條,每組10個試樣,在距離點燃端50 mm處畫一條標線,點燃試樣時,火焰持續作用時間最長為30 s,若30 s內不能點燃,則增大氧氣繼續點燃,當樣條在3 min內燃燒至50 mm標線處,此時為最終氧指數值。

2.3 力學性能測試

將產品固結體制成50 mm×50 mm(直徑×高)大小的樣品,依據GB/T2567—2008標準要求,利用試驗機進行材料的壓縮性能測試,壓縮速率為5 mm/min,以恒定的速率沿試樣軸向進行壓縮,直至試樣破壞,記錄試樣的破壞載荷。

壓縮強度按式(1)計算

(1)

式中,σc為材料壓縮強度,MPa;P為試樣破壞載荷,N;F為試樣的橫截面積,mm2;d為試樣的直徑,mm。

材料測定的性能指標結果見表2。

表2 新型納米復合低溫加固材料技術指標

從表2看出,新型納米復合低溫加固材料的各項指標均優于國家標準要求。因此可以看出,新型納米復合低溫加固材料具有以下特點:①反應迅速,適合局部注射;且凝結時間可調,可根據施工現場具體情況調整;②聚合溫度低、抗靜電、無火焰蔓延;③粘度低,滲透性好,能很好地滲入細小的裂隙中;④快速達到最終的物理強度,施工效果好、工期短、易于操作;⑤強度高、粘結力強,對煤層、巖層有優異的粘接性,可與巖層牢固地粘合在一起;⑥綠色環保,反應時不產生有害氣體。

3 高分子注漿材料應用

3.1 工程概況

敘永一礦位于四川省敘永縣鄭東鎮落葉壩,隸屬于四川省煤炭產業集團芙蓉有限責任公司。礦井內存在近距離主采煤層群分別為C19、C20、C24煤層,每層平均煤厚為0.65～1.1 5m。1599工作面主采C19煤層,煤層比重1.5 t/m3,平均煤厚1.2 m,工作面可采儲量為7.33萬t,工作面平均傾角14°,采高1.4～1.6 m,斜長91 m。

工作面頂、底板主要巖性為泥巖、砂質泥巖及少部分細砂巖,屬于典型的“三軟”煤層,煤巖層綜合地質柱狀圖如圖2所示。

圖2 煤巖層綜合地質柱狀

1599工作面采用ZY4000/08/18D型掩護式液壓支架。在回采期間,頂板壓力持續顯著增大,支架呈前傾姿態壓死,且頂板松軟破碎,極易發生嚴重冒落和煤壁片幫現象,造成液壓支架推移困難,嚴重威脅礦井安全,如圖3所示。

圖3 1599工作面壓架現象

針對1599工作面頂板實際破碎現狀,采用新型有機高分子超低溫加固材料對支架上部破碎巖體及煤壁前方頂板進行預注漿加固,注漿施工采用深、淺孔結合,注漿材料同時兼顧加固與堵水雙重作用。

注漿加固時,采用高壓進行灌注,按照材料比例混合注射,使樹脂和催化劑反應生成多元網狀的彈性體,從而被高壓推擠,注入到煤層或巖層,并沿煤巖層裂縫延伸至所有裂隙,在較短的時間內快速膨脹到原體積的20～30倍,接著固化并產生高強度、高韌性的納米復合低溫材料,達到充填密閉及加固的效果,從而有效地改善軟煤巖及破碎煤巖的整體性。

3.2 注漿方案

3.2.1 工作面注漿加固方案

在支架前部,距煤壁500 mm布置單排鉆孔,孔間距為3 500 mm,淺孔和深孔間距為1 750 mm;鉆孔與水平方向夾角為85°,淺孔深度為7 000 mm,深孔深度為12 000 mm,孔徑為φ32～36 mm;工作面注漿孔布置方案如圖4所示。注漿壓力為4～8 MPa,封孔深度為1 000 mm。

圖4 工作面注漿孔布置方案

3.2.2 機巷注漿加固方案

在機巷橋轉段長度40 m,每排3個孔,排距3 m,孔徑50 mm,共計40個注漿孔,間距根據現場條件進行調節,注漿孔終孔位置位于頂板法向5 m位處,終孔點間距3～3.5 m。矮幫孔與頂板夾角90°,深度為5 000 mm;中線孔與頂板夾角75°,深度為5 180 mm;高幫孔呈56°,深度為6 020 mm,孔徑為φ32～36 mm;機巷注漿孔布置方案如圖5所示。注漿壓力為4～8 MPa,封孔深度為1 000 mm。

圖5 機巷注漿孔布置方案

3.3 注漿效果分析

為分析注漿加固方案對傾斜煤層1599工作面軟弱頂板的加固效果,對工作面液壓支架的工作阻力進行監測,結果如圖6所示。

圖6 1599工作面支架工作阻力變化曲線

由圖6可以看出,監測周期內,在對工作面頂板進行注漿加固后,由于在注漿材料的加固作用下,頂板上覆巖層的強度變大,承載能力也隨之變強。因此,工作面液壓支架阻力平均值均低于支架的額定工作阻力值。

4 結論

(1)新型納米復合低溫加固材料的漿液粘度、固化時間、反應溫度、閃點、阻燃性能以及力學性能等主要性能指標均優于國家標準要求。

(2)針對1599工作面頂板實際破碎現狀,采用新型有機高分子超低溫加固材料對支架上部破碎巖體及煤壁前方頂板進行預注漿加固,注漿施工采用深、淺孔結合,同時兼顧加固與堵水雙重作用。

(3)1599工作面頂板注漿加固后,上覆巖層強度變大,承載能力隨之變強,工作面液壓支架阻力平均值均低于支架的額定工作阻力值。