在煤矿、隧洞等地下工程中的新型化学灌浆材料应用

在煤矿、隧洞等地下工程中的
新型化学灌浆材料应用
 
吴怀国           
(中国水利水电科学研究院,北京瑞琪米诺桦合成材料有限公司, 100021,北京)
 
摘要:本文主要论述和介绍了一种广泛应用于煤矿、隧洞等地下工程中快速有效处理和控制用的新型化学灌浆围岩固结、空穴充填及堵水用材料及其配套应用技术,与传统的化学灌浆工艺技术和材料相比,该材料性能特点和工艺技术更具有更加科学性、规范性和稳定性,解决地下工程中的关键问题针对性强。尤其是硅酸盐改性聚氨酯类材料是目前国内所没有的技术,其性能具有一定的独特性。介绍了在国内大型煤矿、隧洞中的典型工程中的广泛应用情况。
关键词:地下工程;地质灾害;硅酸盐改性聚氨酯,化学灌浆材料和工艺
 
 
    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。
新型化学灌浆技术和化学灌浆材料的性能特点
2.1  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;
   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。
   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。
   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。
   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。
2.2  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。
 
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
 
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
>1
 
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
 
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
 
 
3  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
3.1  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。
    这种新型灌浆技术配套的施工泵及其附属配件技术,是直接引进国内先进技术制造的,它是根据材料工程需求的性能特点而研制出来的专用配套设备,所以施用性强。它的应用施用工艺简图如图1所示:
新型化学灌浆技术灌注工艺简图
    这种注浆工艺的特点是可以较大量地实现对松散、松软或破碎围岩体较深区域化灌加固施工,可以实现自动封孔,专用的封堵器会自动膨胀密闭注浆管与注浆孔的周围缝隙,以确保浆料渗透到附近的松散岩体裂隙中并均匀扩散,直到从一定距离区域的表面开始渗料时即可以停止注浆,或换孔另注。一般灌注范围为3~5米距离。实现准确计量、现场操作方便、安全可靠、科学规范、性能稳定。
3.2  新型化灌技术配套的施工泵性能特点
    这种新型化灌泵是压缩空气驱动活塞式注浆泵,进气压力为0.4~0.7MPa,耗气量为3 m3/min。可以自动实现1:1体积进料、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,配套施工配件有:封堵器、混合器、注浆杆及自攻钻杆(防止塌孔的专用钻杆)。施工操作简便易行,1~2人操作即可。图2和表5分别是施工泵图片和泵的性能参数表。
注浆施工泵性能参数表
气动注浆泵型号
3ZBQS-16/20
项目
单位
进气压力,MPa
0.4
0.5
0.63
输出压力
MPa
≥12
≥20
≥25
出料流量(效率)
L/min
≥10
≥16
≥19
耗气量
m3/min
1.4
1.8
2.4
活塞行程
mm
100~150
活塞往复次数
次/min
≥50
≥70
≥85
浆料输出比
1:1
0.97~1.03
外形尺寸
mm
1200*400*500
机重
kg
110~120
 
 
新型化灌技术配套的施用注浆泵照片
4  新型化灌技术在工程上的应用
    这种新型化灌技术目前在国内煤炭矿井行业已经得到较广泛应用,用于加固煤岩体断层破碎带,或破碎煤岩体柱;处理煤岩体裂隙渗漏水或较大涌水的封堵和加固等。在水利水电或其他隧洞上还较少应用,而且应用的特点和需要解决的问题角度也有所不同。
4.1  在煤矿矿井中的广泛应用
    目前固结用注浆材料技术已经广泛应用于国内大型煤矿集团公司煤矿井下凝难问题,如井下煤/岩体巷道掘进进中大断层带或松软煤岩层快速注浆固结控制顶板和边帮稳定、大采深下(500m以上)采煤工作面(200m跨度、采高3~5m)遇到断层带、冲沟带、松软煤层控制防止冒顶、片帮以保障井下安全、高效生产。目前已经广泛应用于淮南矿业集团、沈阳煤业集团、开滦煤业集团、山西晋煤集团、阳泉煤业集团、山东兖州矿集团、神华集团等100多个大型煤矿企业。
     快速堵水注浆类材料技术在解决煤矿、石膏矿等其他金属矿山的大断面、大采深立井建筑采用冷冻施工时后期混凝土衬砌出现大渗漏水和涌水的处理,以及大采深下(大于500m)下巷道、工作面、煤仓的渗漏水和涌水的及时、快速、高效处理。如鸡西矿业集团、山东华丰矿业集团、宁煤集团等煤矿,取得了十分巨大的经济和社会效益。
4.2  某大型水利输水隧洞工程问题应用新型化灌技术
    该输水隧洞直径约6.8m~7.2m,采用双护盾TBM机开挖法施工,预制混凝土衬砌块。隧洞全长约30km,该地段沟脊相间、冲沟发育,地形地质条件复杂,主要有第四系中更新统乌苏群含土砂砾石及砂壤土;第四系下更新统砂砾岩;侏罗系中统西山窑组第四段泥岩、泥质粉砂岩和泥质碳酸岩夹细砂岩、中砂岩及砂砾岩薄层泥岩;二迭系下统乌郎组凝灰质安山岩、凝灰岩、熔结岩等组成。工程先后遇到以下两类严重问题,使工程处于停工难以推进。在尝试用传统水泥水玻璃灌浆处理后,未有明显效果且耗资较大,在积极引用了新型化灌技术进行处理,很快得到非常显著的效果,保障了TBM顺利推进,其综合效益得到明显体现。
    ①砂砾石土壤复合地层渗漏水和涌水的快速处理
    在隧洞掘进到土砂砾石及砂壤土层,围岩地下水活动显著,有较大的地下渗水,由于砂砾石及砂壤土围岩透水性较好,掌子面出现大量渗水和股状流水,甚至出现泥石流状,造成TBM开挖的渣土多呈泥石流状,掘进机底部后护盾大量积水,TBM机头垂直度出现较大偏差,严重影响TBM开挖施工和管片衬砌安装及质量保证。通过采用北京瑞琪米诺桦合成材料有限公司生产的快速堵水注浆产品和配套的施工设备对隧洞出现的渗水和涌水进行灌浆堵水加固处理,很快控制住砂砾石、土层的渗水和坍塌问题,有效地保证了机器稳定推进,顺利通过了该段复杂地层。
    ②膨胀性软岩和碳质泥岩围岩变形塌方挤压刀盘卡机进行化灌充填固结围岩使TBM脱困
    在隧洞掘进到膨胀性碳质泥岩层破碎带,隧洞围岩稳定性极差,塌方现象严重,围岩坍塌膨胀变形较大,并有一定的收敛变形,致使刀盘受挤压,护盾被破碎岩体卡住,无法正常启动。甚至造成该段管片顶管片衬砌出现较大的挤压纵向微裂缝,直接影响到施工进度和隧洞的质量控制。施工方先后采用水泥/水玻璃注浆处理无法达到效果(由于破碎岩体区域是泥质碳酸盐和泥质砂岩无法采用水泥注浆),近6个月隧洞只推进50~60m,严重影响了施工进度,造成较大的经济损失。后采用北京瑞琪米诺桦合成材料有限公司生产的新型注浆材料产品对TBM机头塌方破碎岩体进行固结注浆和充填,1小时即可启动TBM,很快顺利通过破碎泥质岩体区域。
4.2  某城市地铁隧洞控制砂砾石土壤复合层围岩化灌处理
    某市地铁采用动压平衡盾构机施工,地质围岩中砂砾石含量较高,造成盾构机机头刀盘刀具容易磨蚀,一般在掘进150米左右就需要停机更换刀具。因为整个围岩地质基本是松散状态的砂砾石土壤层,在更换刀具时,必须对整个刀盘四周围岩进行固结灌浆处理,否则就会造成松动的围岩砂砾石土壤向刀盘中流失,进而使地表出现塌陷。传统的方法采用是水泥水玻璃灌浆固结处理,需要停机10天以上,而且灌浆工艺复杂,需地表打孔进行灌注,灌注的具体位置和材料量不容易控制,且受地表四周的城市建筑的限制影响,存在一定的困难,尤其是地下水丰富,施工效果更难体现。因此,给工程的施工进度和施工质量造成了较大的压力。在采用北京瑞琪米诺桦合成材料公司生产的专用堵水固结注浆料产品对隧洞刀盘围岩进行可控注浆固结,注浆后几个小时即可更换刀具,从而实现减少停机时间,快速推进,提高施工速度的效果,而且其施工工艺简便、安全,综合成本降低。受到了工程各方的一致好评,并得到推广应用。
5   
   化学灌浆技术作为一个边缘交叉学科技术,在土木工程中应用已经有几十年历史,为土木工程建筑的发展起到了非常关键的作用。但是由于我国对该类材料性能和应用技术的研究深度和行业认识深度还较低,因此,材料的性能和施用技术与国际先进水平还有一段距离。在水利水电、隧洞、市政、煤炭和其他矿业工程中大量化学灌浆应用技术上,传统的化学灌浆材料性能和化灌工艺技术尚不能满足需要。尤其是随着煤炭能源的快速发展、我国西部大开发和一大批重点水利水电工程的建设,各类复杂地质条件下地质灾害的安全、快速、有效处理是工程界面临的一个重要课题。
   新型化学灌浆材料和配套的施用技术,能实现化灌材料的性能高质量化,施用技术科学性、规范性和准确性,应用性强。这种把材料和配套的施用设备相结合来进行研究和推广依然是一项长期的工作,积极引进和推广先进的技术是适应我国告诉发展的基础产业的需要。
   这种新型化学灌浆材料和应用技术还需要根据工程应用不断发展,对材料的科学评价、性能测试标准和应用更加标准化也需要在工程不断应用中,各方共同关注和深入研究,以更科学、规范地发展该项新技术。
   
    作者简介:吴怀国,(1970年-  ), 男,高级工程师,中国水利水电科学研究院在读博士生,现任北京瑞琪米诺桦合成材料有限公司副总经理,从事于水利水电、煤矿、隧洞等地下工程的结构和材料研究和应用。
 
 
 

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