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高分子注浆材料在我国矿区的应用现状及发展前景

第一篇：高分子注浆材料在我国矿区的应用现状及发展前景高分子注浆材料在我国矿区的应用现状及发展前景冯志强1，2（1.煤炭科学研究总院开采设计分院；2.天地科技股份有限公司开采设计事业部）摘要：随着矿井开采深度的增加，在煤矿巷道开挖和修复过程中，由于巷道围岩极其破碎，围岩松动破碎范围大，极易发生冒顶和片帮事故，既造成施工的不安全，又造成巷道断面不规整，影响矿井安全。化学浆加固是目前防治上述煤矿事故的有效措施。虽然化学浆在加固煤矿中破碎煤岩体效果显著，但是在注浆过程中还存在很多问题，急需加以完善，以便更好地应用于煤矿灾害防治中。本文详细从注浆材料以及注浆作用方面分析了以晋煤集团为代表，在注浆方面的应用及发展，并提出了今后化学注浆的发展方向以及化学注浆对整个行业产生的效益。关键词：化学注浆；破碎煤岩体；充填密闭；注浆堵水。前言注浆技术从20世纪50年代以来得到迅速发展，已广泛应用于各类岩土工程。注浆材料分为水泥类和化学类材料，分别用于不同的工程类型。一般水泥类材料价格低，凝结后强度高，耐久性好，无毒。但浆液含固体颗粒，对微裂隙渗透能力低，易析水沉积，凝固时间长，效果差，适用于裂隙宽度大的岩土工程。化学材料浆液无颗粒，对微裂隙渗透能力强，凝胶时间可准确控制，适用于各类岩土工程。20世纪70年代德国、美国、独联体、法国、波兰等采煤技术先进的国家，先后开发了化学注浆材料用于加固破碎煤岩体和井下防火和隔风。德国、美国以聚氨酯材料为主，独联体、法国、波兰主要使用脲醛树脂。材料年消耗量均在数千到上万吨以上，有效改善了破碎煤岩的整体稳定性，为矿井安全和高效生产提供了保障。我国岩土注浆技术也已得到广泛应用。特别是1964年中国科学院广州化学所就研制成功了被誉为“20世纪魔水”的丙烯酰胺灌浆材料，应用于铁路隧道施工，取得了良好效果。此外，20世纪70年代以后，随着我国水利水电工程的迅猛发展，灌浆帷幕已发展成岩溶发育地区修建高坝的坝基防渗的主体处理措施。使用的材料有水泥类，包括：可灌入0.1mm裂缝的超细水泥和易保存的湿磨超细水泥；改性灌浆水泥和膏状水泥浆液。化学浆液包括：环氧类、聚氨酯类、丙烯酰胺类、甲基丙烯酸酯类、丙烯酸盐类、水玻璃类等。煤炭行业所用材料主要有水泥——水玻璃类；不饱和聚酯类；环氧树脂类；甲醛类树脂（包括脲醛树脂、三聚氧氰胺甲醛树脂、酚醛树脂）；聚氨酯树脂。但上述材料不能直接应用于矿山，特别是不能满足煤矿井下生产需要，主要表现为：①煤矿井下环境潮湿，直接影响憎水材料的使用性能。②加固后的破碎煤岩体要经受一次甚至多次剧烈的采动矿山压力影响，对材料固结后的体积收缩、粘结强度及抗压强度要求高。③生产安全要求，使用的加固材料必须具备高闪点、阻燃特性。④井下通风空间有限，要求材料析出的有害成份严格，以防对矿井造成污染。⑤井下破碎煤岩体虽有原生或采动影响形成的裂隙，但裂隙宽度小，难以采用无机类加固材料。⑥材料应具有速凝特性，实现化学加固与采掘施工快速推进相配合。⑦在煤矿掘进过程中以及回采作业遇到断层时,不可避免地会产生冒落,并在架后形成冒落孔洞，需要有发泡材料进行充填。1注浆加固作用分析注浆是适用于破碎煤岩体加固的有效手段，已广泛应用于矿山、水利水电、交通、市政等领域涉及的岩土工程加固。1.1注浆综合作用（1）注浆加固归纳起来有以下几方面作用：1)注浆加固巷道围岩，可利用浆液形成的胶结体封堵围岩裂隙，隔绝空气，防止围岩风化，且能防止围岩被水浸湿而降低围岩的本身强度；2)破碎煤岩体注浆后，在注浆范围内破碎岩块胶结成整体，提高了岩体内聚力、内摩擦角和弹性模量，从而提高了岩体强度，实现利用围岩本身作为支护结构的一部分；3)注浆使得支护结构面尺寸加大，围岩作用在支护结构上的载荷所产生的弯矩减小，从而降低了支护结构中的拉应力和压应力，因此能承受更大的荷载，提高了支护结构的承载能力，扩大了支护结构的适应性；4)注浆后使得作用在拱顶的压力能有效地传递到两墙，通过对墙的加固，又能把荷载传到底板；同时由于组合拱厚度的加大，能减小作用在底板上的载荷集中度而且减小底板岩石中的应力，减弱底板的塑性变形，减小底臌量。而底板的稳定，有助于两墙的稳定，在底板、两墙稳定的情况下又能保持拱顶的稳定；5)破碎煤岩体注浆后，强度与完整性得到显著提高，在此基础上进行锚杆支护，可显著提高锚杆的锚固力与可靠性，从而使锚杆的支护作用得到充分发挥；6)金属支架、砌碹支护基础上进行注浆，可以使壁后充填密实，保证荷载均匀地作用在支架或砌碹壁上，避免出现应力集中点而首先破坏，提高支架与砌碹的整体支护强度；7)充填围岩裂隙，配合锚喷支护，可以形成一个多层有效组合拱，即喷网组合拱、锚杆压缩区组合拱及浆液扩散加固拱，从而扩大了支护结构有效承载范围，提高了支护结