礦用新型高分子注漿材料研發(fā)及注漿加固應(yīng)用

鄭和平,李 季,邢宇龍

(1.川煤集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川 成都 610074;2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)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(guó)煤炭開采技術(shù)的不斷發(fā)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(hù)、巷道加固和破碎地質(zhì)條件下的圍巖固化等問(wèn)題上逐漸得到廣泛推廣和應(yīng)用[1-3]。近年來(lái),隨著煤礦井下生產(chǎn)的安全要求不斷提高,對(duì)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(zhì)固結(jié)成一個(gè)相對(duì)完整的整體,形成具有高強(qiáng)度、好防水性、穩(wěn)定化學(xué)性能的“結(jié)石體”,達(dá)到加固、補(bǔ)強(qiáng)、止水等目的,同時(shí)也要保證煤礦加固材料的最高反應(yīng)溫度以及現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)溫度達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)[4-6]。

針對(duì)注漿加固材料性能及井下開采應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題,眾多學(xué)者已對(duì)其做了諸多研究。周亭等[7]為解決有機(jī)注漿加固材料有機(jī)氯含量高,導(dǎo)致以煤炭資源為原料的化工企業(yè)中變換催化劑中毒失活的問(wèn)題,采用一步合成法,以自研發(fā)的無(wú)鹵阻燃劑為原料,制備無(wú)鹵聚氨酯注漿加固材料,表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能、阻燃性能和穩(wěn)定性能;李西凡等[8]基于煤礦井下不同現(xiàn)場(chǎng)注漿加固工程對(duì)注漿材料性能的需要,研發(fā)出新型無(wú)機(jī)雙液及單液注漿材料,前者具有突出的快凝、早強(qiáng)特性,后者具有突出的高滲透、高強(qiáng)特性;彭英華等[9]基于井下煤巖破碎發(fā)育、巷道圍巖不穩(wěn)定和煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性大等難題,為實(shí)現(xiàn)巷道過(guò)斷層破碎帶的安全順利掘進(jìn),提出采用水泥-水玻璃(C-S)為注漿材料用于實(shí)施注漿固化充填作業(yè),并對(duì)不同水灰比、C-S體積比的漿液試快抗壓強(qiáng)度、漿液凝膠時(shí)間及黏度特性進(jìn)行了探討;張保勇等[10]通過(guò)黏度和抗壓強(qiáng)度研究確定了高延性水泥基復(fù)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(duì)注漿加固材料性能的影響;張耀輝[11]通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的注漿材料進(jìn)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(wú)機(jī)注漿材料跑漿、漏漿的難題;吳懷國(guó)等[12]通過(guò)研究硅酸鹽改性注漿加固材料的配方反應(yīng)原理、最新的力學(xué)性能研究結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用情況,得出其完全能用于井下各種復(fù)雜條件下快速、高效加固破碎煤體,尤其是壓縮彈模比傳統(tǒng)聚氨酯注漿加固材料要高很多,更適合煤巖體剛性材料結(jié)構(gòu)體的加固應(yīng)用。

針對(duì)煤巖體注漿加固材料在解決煤炭開采中圍巖破碎現(xiàn)象時(shí)出現(xiàn)的安全性能問(wèn)題,采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的研究方法,對(duì)新型低溫高分子注漿加固材料的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試,根據(jù)敘永一礦1599工作面頂板破碎問(wèn)題進(jìn)行注漿加固方案設(shè)計(jì),并進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。

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(xué)注漿材料2大類。水泥漿液具有無(wú)毒、對(duì)環(huán)境污染小、成本低、材料來(lái)源廣、凝結(jié)成的結(jié)石體的強(qiáng)度高、配置方便等顯著優(yōu)點(diǎn),但水泥顆粒的粒徑比較大,不易擴(kuò)散[13];而化學(xué)漿液雖然制作起來(lái)工藝比較復(fù)雜、成本也比較高,但是它具有漿液粘度低、流動(dòng)性強(qiáng)、可注性好等優(yōu)點(diǎn),因此,在井下煤礦開采中被廣泛應(yīng)用于補(bǔ)強(qiáng)加固、防水等方面。

由于無(wú)機(jī)加固材料和普通有機(jī)加固材料在煤礦井下使用過(guò)程中直接和井下煤體進(jìn)行接觸和熱量交換,材料在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中進(jìn)行化學(xué)放熱反應(yīng),注漿量大時(shí),大量材料積聚還會(huì)導(dǎo)致材料反應(yīng)溫度進(jìn)一步升高,注漿材料產(chǎn)生的高溫會(huì)加速其周邊煤體的氧化過(guò)程,進(jìn)而出現(xiàn)注漿過(guò)程中或注漿完成后煤體冒煙或著火的危險(xiǎn)事故,同時(shí)也伴隨著注漿材料粘結(jié)度差的問(wèn)題,不能很好的將圍巖粘結(jié)成為整體,充分發(fā)揮其自身承載能力。

針對(duì)此類問(wèn)題,研發(fā)的新型納米復(fù)合低溫加固材料是一種低粘度、雙組分合成的新型環(huán)保型高性能納米復(fù)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(yīng)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(gòu)成參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料構(gòu)成

低溫有機(jī)高分子復(fù)合加固材料中的A、B組份混合后主要發(fā)生聚合反應(yīng),隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),物料經(jīng)歷粘度逐漸增大、體積膨脹、喪失流動(dòng)性和強(qiáng)度提升4個(gè)階段。

由于具有使用效果好、施工快捷、使用過(guò)程中受水分影響小、反應(yīng)熱低等特點(diǎn),已被廣泛的應(yīng)用于煤巖體的加固。同時(shí),高分子加固材料的高度粘合力和良好的機(jī)械性能與煤巖體產(chǎn)生高度粘合,強(qiáng)度上升快,并且具有強(qiáng)抗?jié)B性能、抗磨、抗沖擊性能和抗老化性能,從而達(dá)到長(zhǎng)久穩(wěn)固煤巖體的目的。

2 低溫高分子注漿材料性能測(cè)試

根據(jù)《國(guó)家安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,從物理性能、化學(xué)性能及力學(xué)性能方面對(duì)低溫高分子注漿材料的主要性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試在溫度(23±2)℃,相對(duì)濕度(50±5)%的試驗(yàn)室中進(jìn)行。測(cè)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(wěn)定劑組成的A組份,與主要成分為異氰酸酯的B組份通過(guò)物理混合的方式反應(yīng)固化成型,如圖1所示;試驗(yàn)前試樣在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下放置24 h。

圖1 “一步法”工藝流程

2.1 物理性能測(cè)試

漿液粘度測(cè)試:取配置完成后的漿液雙組份各10ml左右(以測(cè)量液體浸沒(méi)粘度計(jì)轉(zhuǎn)子為標(biāo)準(zhǔn)),將其裝Brookfield粘度計(jì)的測(cè)量池上,將恒溫水浴鍋溫度范圍調(diào)整為(23±2)℃,通過(guò)預(yù)測(cè),選取量程最為合適的轉(zhuǎn)子,設(shè)定轉(zhuǎn)速5～50 r/min,將儀器清零后,開始測(cè)量其粘度數(shù)據(jù),待讀數(shù)穩(wěn)定后記錄。

固化時(shí)間測(cè)試:試件制備過(guò)程中,將組份A與組份B混合,開始計(jì)時(shí),攪拌約10～12 s后停止攪拌,當(dāng)手接觸固結(jié)體無(wú)粘手現(xiàn)象,此時(shí)停止計(jì)時(shí),該段時(shí)間即為固化時(shí)間。

閃點(diǎn)測(cè)試:將試樣裝入試驗(yàn)杯至規(guī)定刻度線,迅速升高試樣的溫度,當(dāng)試樣溫度達(dá)到預(yù)計(jì)閃點(diǎn)前約56 ℃時(shí),減緩升溫速度并以恒定的速率升溫。溫度每升高2 ℃,用一個(gè)小的試驗(yàn)火焰掃過(guò)試驗(yàn)杯,當(dāng)試驗(yàn)火焰引起試樣液面上部蒸汽閃火時(shí),記下溫度計(jì)的溫度讀數(shù),即為閃點(diǎn)。

2.2 化學(xué)性能測(cè)試

反應(yīng)溫度測(cè)試:室溫(23±2)℃條件下,按漿材自身固化時(shí)規(guī)定的質(zhì)量比,稱取A、B這2組份漿液總量共計(jì)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(jì)探針插入試樣芯部位置,依次記錄達(dá)到最高反應(yīng)溫度所需的時(shí)間、最高反應(yīng)溫度以及保持最高反應(yīng)溫度的時(shí)間。取3次測(cè)試平均值記為最高反應(yīng)溫度值,結(jié)果精確到1 ℃。

阻燃性能測(cè)試:采用JF-3氧指數(shù)測(cè)定儀測(cè)試試樣的氧指數(shù);將試樣制成100 mm×6.5 mm×3.0 mm(長(zhǎng)×寬×高)大小的樣條,每組10個(gè)試樣,在距離點(diǎn)燃端50 mm處畫一條標(biāo)線,點(diǎn)燃試樣時(shí),火焰持續(xù)作用時(shí)間最長(zhǎng)為30 s,若30 s內(nèi)不能點(diǎn)燃,則增大氧氣繼續(xù)點(diǎn)燃,當(dāng)樣條在3 min內(nèi)燃燒至50 mm標(biāo)線處,此時(shí)為最終氧指數(shù)值。

2.3 力學(xué)性能測(cè)試

將產(chǎn)品固結(jié)體制成50 mm×50 mm(直徑×高)大小的樣品,依據(jù)GB/T2567—2008標(biāo)準(zhǔn)要求,利用試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行材料的壓縮性能測(cè)試,壓縮速率為5 mm/min,以恒定的速率沿試樣軸向進(jìn)行壓縮,直至試樣破壞,記錄試樣的破壞載荷。

壓縮強(qiáng)度按式(1)計(jì)算

(1)

式中,σc為材料壓縮強(qiáng)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(cè)定的性能指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 新型納米復(fù)合低溫加固材料技術(shù)指標(biāo)

從表2看出,新型納米復(fù)合低溫加固材料的各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。因此可以看出,新型納米復(fù)合低溫加固材料具有以下特點(diǎn):①反應(yīng)迅速,適合局部注射;且凝結(jié)時(shí)間可調(diào),可根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)具體情況調(diào)整;②聚合溫度低、抗靜電、無(wú)火焰蔓延;③粘度低,滲透性好,能很好地滲入細(xì)小的裂隙中;④快速達(dá)到最終的物理強(qiáng)度,施工效果好、工期短、易于操作;⑤強(qiáng)度高、粘結(jié)力強(qiáng),對(duì)煤層、巖層有優(yōu)異的粘接性,可與巖層牢固地粘合在一起;⑥綠色環(huán)保,反應(yīng)時(shí)不產(chǎn)生有害氣體。

3 高分子注漿材料應(yīng)用

3.1 工程概況

敘永一礦位于四川省敘永縣鄭東鎮(zhèn)落葉壩,隸屬于四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)芙蓉有限責(zé)任公司。礦井內(nèi)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(chǔ)量為7.33萬(wàn)t,工作面平均傾角14°,采高1.4～1.6 m,斜長(zhǎng)91 m。

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

圖2 煤巖層綜合地質(zhì)柱狀

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

圖3 1599工作面壓架現(xiàn)象

針對(duì)1599工作面頂板實(shí)際破碎現(xiàn)狀,采用新型有機(jī)高分子超低溫加固材料對(duì)支架上部破碎巖體及煤壁前方頂板進(jìn)行預(yù)注漿加固,注漿施工采用深、淺孔結(jié)合,注漿材料同時(shí)兼顧加固與堵水雙重作用。

注漿加固時(shí),采用高壓進(jìn)行灌注,按照材料比例混合注射,使樹脂和催化劑反應(yīng)生成多元網(wǎng)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(shí)間內(nèi)快速膨脹到原體積的20～30倍,接著固化并產(chǎn)生高強(qiáng)度、高韌性的納米復(fù)合低溫材料,達(dá)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(jī)巷注漿加固方案

在機(jī)巷橋轉(zhuǎn)段長(zhǎng)度40 m,每排3個(gè)孔,排距3 m,孔徑50 mm,共計(jì)40個(gè)注漿孔,間距根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行調(diào)節(jié),注漿孔終孔位置位于頂板法向5 m位處,終孔點(diǎn)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(jī)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(jī)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(duì)傾斜煤層1599工作面軟弱頂板的加固效果,對(duì)工作面液壓支架的工作阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)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(jiān)測(cè)周期內(nèi),在對(duì)工作面頂板進(jìn)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(qiáng)度變大,承載能力也隨之變強(qiáng)。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(jié)論

(1)新型納米復(fù)合低溫加固材料的漿液粘度、固化時(shí)間、反應(yīng)溫度、閃點(diǎn)、阻燃性能以及力學(xué)性能等主要性能指標(biāo)均優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)針對(duì)1599工作面頂板實(shí)際破碎現(xiàn)狀,采用新型有機(jī)高分子超低溫加固材料對(duì)支架上部破碎巖體及煤壁前方頂板進(jìn)行預(yù)注漿加固,注漿施工采用深、淺孔結(jié)合,同時(shí)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(qiáng)度變大,承載能力隨之變強(qiáng),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。