改性聚氨酯復合材料在破碎區充填加固中的應用

陳楨宇

（山東黃金礦業（萊州）有限公司焦家金礦）

焦家金礦隨著深部開采重心的不斷下移，逐步面臨三高一擾動現象，地壓尤其明顯，在掘進過程中經常遇爆破后巷道頂板出現塌方冒頂現象，給安全施工帶來較大麻煩，該項目之前焦家金礦在初噴漿后采用U型鋼支護［1］，部分空區利用槽鋼結構，或者利用水泥檁條棚頂，最后再噴漿至設計厚度。但是都存在安全缺陷，槽鋼結頂只能做為安全支柱，不能完全棚護，存在較大安全隱患；而采用水泥檁條棚頂有不能全面充填到每個空區的邊緣位置，自身重力也同時作用在U型鋼上，經過現場技術人員施工指導，在施工質量上有了較大提高，但是仍然存在空區高處墜碎石塊的危險，人員設備的運行存在一定的風險。

從國外進口的一些化學增強材料不適合我國的礦山，產生大量的化學增強材料，但增強效果不理想。因此，對于破碎巖體U型鋼支護頂幫空區需要尋找一種無污染，硬度高，低成本的化學增強材料。并配套施工機械和技術，在短時間內形成自己的巖石化學強化材料和技術特點，確保礦山安全生產，提高經濟效益。

1 方案措施

1.1 充填加固總體原則

充填加固的總體原則［2］:U 形鋼支撐模板頂放置在頂部區域，然后填充和加強下落區域上方的不穩定巖層。

1.2 巷道注漿加固材料選擇

根據工程目的，采用改性聚氨酯材料。在填充空隙并填充泡沫改性材料之后，用改進的灌漿材料填充空區。將巷道頂部破碎但未落在巷道頂部的巖體重新加固使其成為一個整體。

1.3 施工前提工作

備好主充填材料和水泥檁條或φ33.5 mm 鋼管配鋼絲網及土工布［3］，由井下運輸車運送到施工現場附近存好，本次充填區域以-670 m大巷先為試點，同時備好充填用設備（xmy-999 型氣動雙液泵），運送到位后，先對空區周邊進行敲幫問頂，確保施工安全。浮石處理完成后在原有U 型鋼兩幫和頂板鋪設1 層假底，可用水泥條式鋼管作為支撐點，第一段和第二段之間交接采用重疊接力方式，空區的程度視實際情況而定，鋪設假底的同時先從空區低處開始鋪設，同時對空區的一端進行封閉。水泥檁條或鋼管鋪完后對土工布進行平整處理，防止開始灌漿時未完全發生反應的液體漏漿，土工布必須把每一個空洞的地方都遮蓋好，然后進行分段分層回填。首先用氣動泵運送灌漿材料，在土工布上面噴灑1 層酚醛樹脂，發泡時間控制在10 s 以內，完全發泡凝固時間控制在60 s 內，然后計算好空區的立方量進行大量灌漿，使液體迅速反應膨脹直至結頂，縮小空區暴露面積，當一端回填完成后，再對另一端進行假底鋪設和封閉，兩頭相向回填，同樣先鋪水泥檁條或鋼管和土工布的工序，循環工作類同，直至中間對接處封閉回填口，事先計算出空間剩余立方量，然后埋好管和灌漿管，用回填料進行灌注，最終整個空區回填料形成一個整體受力物。

1.4 循環灌注的時間安排

首先在土工布上面制造整體假底的時候一定要均勻噴灑，使產品膨脹后平面光滑平整，當整體假體形成后開始大量灌漿，完全開足風力每分鐘流量不低于15 L，必須注意的是均勻噴灑，以免造成材料的浪費和發泡不均勻，在回填灌漿時，由于設備的壓力，液體為噴注，所以工人必需佩戴防護眼鏡，防止噴灑物進入眼睛，安全勞保用品的防護口罩必須戴好。

1.5 回填用設備和材料以及工作順序

（1）回填用設備：序氣腿式ZY28 型鑿巖機（固定兩幫水泥檁條用）；井下無軌運輸車1 輛；MXY-999型氣動注漿泵2臺。

（2）材料：2 套風管；酚醛樹脂；水泥檁條；土工布；注漿管；鉆桿，鉆頭；設備清洗劑；漏斗，抹刀，撬棍；噴射管，連接管，轉換接頭，管道；噴射槍頭，預埋管，鐵絲。

（3）工作順序：確定施工位置—排險—鋪水泥檁條—單邊封閉—鋪土工布—噴灑制作整體假底—大量回填—相向鋪水泥檁條—封閉相向邊緣—鋪土工布—制作整體假底—大量回填—中間對接封閉—預埋灌漿管—繼續回填—全部完成。

2.6 充填加固效果分析

為了有效地評估在垮落區加固后裂隙裂縫對巖體的影響［4-7］，在巖石中鉆出注入改性注漿材料的巖心。最終可以看出，改性的聚氨酯材料不僅可以應用于采空區，而且可以應用于裂隙型破巖體。漿液填充在采空區中，裂縫消除，裂縫巖體的完整性得到顯著改善，成為一體。漿料的黏聚性對斷裂表面具有強的結合力，并且結合表面可以承受大的外力，并且不會發生二次開裂。灌漿后，裂隙巖體的穩定性得到顯著提高，為永久工作面的使用奠定了穩定的基礎，加固效果見圖1。同時，為了更詳細地了解巖體的內部效應，通過對區域前方5 m 處用KDVJ-400型鉆孔探測器進行探測。經國家安全生產上海礦山設備檢驗中心檢測，最終發布的檢測報告如圖2 所示。

3 效益及效果

（1）通過現場工程實踐證明，改性聚氨酯灌漿材料在礦山U型鋼空區充填中的應用，能有效緩解頂板垮塌和片幫現象，在一定程度上可以使巖體加固成一體，實現對現有支護方式的一種補充。

（2）改性聚氨酯材料結合后反應溫度低，凝固后具有阻燃性，消除了礦井下灌漿過程中火災的安全隱患。

（3）由于材料可以在有水的情況下正常固化而不影響固化后的強度，因此其實用性大大提高。

（4）按照使用說明注漿材料在施工過程中應保持A 和B 2 種組分的體積比為1∶1。通過現場實踐，材料A和B的體積比誤差低于5%對注漿加固效果沒有顯著影響。

（5）漿料的固化時間和早期強度明顯受環境溫度，孔隙率，特別是導熱性的影響。低溫和反應熱的快速損失會延長漿料的固化時間并降低早期強度。

（6）塌方區采用改性聚氨酯注漿材料加固之后巷道不僅巖石相對穩固，涌水基本消失，保證施工的安全，節省排水、后期加固支護費用42 萬元/a。

4 結論

（1）當采用U 型鋼支架后，頂板及兩幫會形成不同形式的空區，導致U 型鋼支架無法及時承受荷載，從而導致支架承載能力下降，極易出現大范圍片幫塌方現象。用改性聚氨酯注漿材料填充U 型鋼支架空區，改善了圍巖本身的物理力學性能，提高了圍巖的自支撐能力。另一方面，改變U 型鋼支護的狀態，使得U型鋼被填充層均勻地加壓，使得周圍的巖石填料與U型鋼可以形成共同的載體。通過壁厚填充，減少了巷道圍巖的應變速率，使巷道變形得到了有效的控制。

（2）改性聚氨酯注漿材料不僅具有一定的變形量，而且強度高，價格低，可滿足圍巖變形要求。該材料用作U形鋼支架空區的填充材料，其支撐性能遠優于噴射混凝土和墻體。

（3）改性聚氨酯注漿材料的填充不僅填充壓實，而且效果好，施工過程簡單，技術要領易于掌握，大大降低了工人的勞動強度，加快了開挖速度。