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煤礦用注漿堵水劑

2015-08-15 00:51沈永毅劉小燕
江西建材 2015年3期
關(guān)鍵詞:脲醛樹脂水玻璃高分子

■沈永毅,徐 堯,劉小燕

■1.大眾報(bào)業(yè)集團(tuán),山東 濟(jì)南 250014;2.濟(jì)南大學(xué)土木建筑學(xué)院,山東 濟(jì)南 250022;3.威海市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)建筑設(shè)計(jì)院,山東 威海 264205

煤礦水害是指在煤礦修建和生產(chǎn)過程中遇到的水的干擾和危害,是最常見的煤礦病害。煤礦水害影響礦山工程施工的進(jìn)度和質(zhì)量、造成洞內(nèi)空氣潮濕,惡化工人的勞動(dòng)環(huán)境,影響施工人員身體健康,機(jī)械設(shè)備銹蝕,絕緣設(shè)備失效,電路短路,漏電傷人,增加礦井的排水設(shè)施及排水費(fèi)用、給煤礦生產(chǎn)帶來了不安全因素、嚴(yán)重者甚至發(fā)生淹井事故、造成生命和財(cái)產(chǎn)的重大損失。

注漿是治理水害的有效方法。注漿是將一定量的注漿材料通過注漿壓力,沿裂隙流動(dòng)擴(kuò)散,當(dāng)其遠(yuǎn)離注漿孔,壓力梯度降低到臨界壓力時(shí),漿液流速減小,粘滯性增大,流速很低最后停止流動(dòng),堵塞裂隙,漿液內(nèi)材料與水之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng),改變水流流動(dòng)狀態(tài),漿液逐漸凝聚產(chǎn)生強(qiáng)度,最后封堵住水流通道。

國內(nèi)外開發(fā)和使用的注漿堵水材料分為水泥類和化學(xué)類材料。水泥類,包括普通水泥、超細(xì)水泥、改性水泥和水泥-水玻璃漿液等?;瘜W(xué)漿液包括:環(huán)氧類、聚氨酯類、丙烯酰胺類、甲基丙烯酸酯類、丙烯酸鹽類、水玻璃類等。煤炭行業(yè)現(xiàn)所用材料主要有水泥類、水泥水玻璃類和化學(xué)高分子聚合物堵水劑類。

1 水泥類漿液

水泥作為注漿材料具有強(qiáng)度高、耐久性好、無毒、材料來源廣、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。它是使用最早、應(yīng)用最廣的注漿材料之一,一般注漿施工優(yōu)先選用普通水泥。在細(xì)裂隙和微孔地層中,其可灌性雖不如化學(xué)漿材好,但若采用劈裂灌漿原理,則不少弱透水地層都可用水泥漿進(jìn)行有效的加固。因此,水泥漿在國內(nèi)外灌漿工程中一直是用途最廣和用量最大的漿材。以水泥為主包括添加一定量的外加劑,用水配制成漿液,采用單液方式注入,這樣的漿液稱為單液水泥漿。所謂外加劑,系指水泥的早強(qiáng)劑、速凝早強(qiáng)劑、塑化劑、懸浮劑等。

(1)純水泥漿的主要特點(diǎn)是材料來源廣泛,成本較低,無毒性,施工工藝簡單,粘度隨水灰比而變,凝結(jié)時(shí)間從數(shù)小時(shí)到數(shù)十小時(shí)結(jié)石率可達(dá)99%,但穩(wěn)定性差,易沉淀析水,在水流較大的條件下注漿時(shí),漿液易受水的沖刷和稀釋,僅適用于靜水條件下注漿,固結(jié)體為脆性材料,地層運(yùn)動(dòng)易產(chǎn)生新水流通道。

(2)超細(xì)水泥漿液又叫MC漿液,其平均粒徑為4μm。最大粒徑為10μm。這個(gè)特性使MC漿液能夠滲入滲透系數(shù)為10-3~10-4cm/s的細(xì)砂層和巖石的細(xì)裂隙中。超細(xì)水泥是以極細(xì)的磨細(xì)水泥顆粒組成的無機(jī)注漿材料,配成漿液有極好的滲透性和耐久性。漿液的凝結(jié)時(shí)間可以用水玻璃在20s至幾分鐘的范圍內(nèi)調(diào)節(jié),結(jié)石體抗壓強(qiáng)度可達(dá)25MPa,且具有良好的工作環(huán)境,無毒,固砂體滲透系數(shù)可達(dá)1.0×10-6cm/s,適用于堵水工程。但超細(xì)水泥在高壓水堵水中和水量較大時(shí),雖然凝結(jié)時(shí)間短,強(qiáng)度上升時(shí)間長,粘結(jié)力差,易被水流沿裂隙通道沖散,導(dǎo)致堵水失敗;材料抗拉、抗剪強(qiáng)度低,經(jīng)常需要重復(fù)注漿堵水。

2 水泥-水玻璃類漿液

水泥漿中加入水玻璃有兩個(gè)作用,一是作為速凝劑使用,摻量較少,約占水泥重的3% ~5%;另一是作為主材料使用,摻量較多,即是水泥-水玻璃漿液,俗稱CS漿液(C代表水泥,S代表水玻璃)。CS漿液克服了水泥漿液凝膠時(shí)間長,難以控制,注入地層后易被地下水稀釋,無法保持其原有凝膠化性能的缺陷。CS漿液的出現(xiàn)是水泥注漿的大發(fā)展,提高了效果,擴(kuò)大了適用范圍。這種漿液不僅具備水泥漿的全部優(yōu)點(diǎn),而且兼?zhèn)浠瘜W(xué)漿液的某些優(yōu)越性,例如凝膠時(shí)間快,可以從幾秒到幾十分鐘內(nèi)準(zhǔn)確控制,結(jié)石率高達(dá)95% ~98%,適用于防滲和加固灌漿,在地下水流速較大的地層中,采用這種混合型漿材也可達(dá)到快速堵漏的目的。

3 高分子聚合物類

高分子聚合物包含丙烯酰胺類及無毒丙凝、聚氨酯、脲醛樹脂、環(huán)氧樹脂等。

⑴丙烯酰胺類漿材國內(nèi)稱丙凝。丙烯酰胺類漿液的性能主要是指其凝膠時(shí)間和抗壓強(qiáng)度,它的抗壓強(qiáng)度一般來講是比較低的,改變配方對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響不大,而其凝膠時(shí)間則可以控制在幾秒到幾個(gè)小時(shí)之間。丙凝漿液及固結(jié)體的主要特點(diǎn)為:

①漿液屬于真溶液,其粘度與水甚接近,其可灌性非常好,漿液能滲入粒徑小于0.01毫米的土層或滲透系數(shù)大于10-4cm/s的被灌體。

②漿液從制備到凝結(jié)所需的時(shí)間,可以在幾秒鐘到幾小時(shí)內(nèi)精確地加以控制。

③漿液的粘度在凝結(jié)前維持不變,這就能使?jié){液在灌漿過程中維持同樣的滲入能力。

⑵聚氨酯類漿材是一種防滲和加固效能都很高的高分子化學(xué)灌漿材料,它屬于聚氨基甲酸酯類的高聚物,是由異氰酸酯和多羥基化合物反應(yīng)而成。主要性能如下:

①漿液相對(duì)密度1.036~1.125,遇水反應(yīng),因此不易被地下水沖稀,止水效果好。

②漿液遇水反應(yīng)時(shí),放出CO2氣體,使?jié){液產(chǎn)生膨脹,向四周滲透擴(kuò)散,直到反應(yīng)結(jié)束時(shí)止。漿液黏度低,可注性能好,工藝設(shè)備簡單;

③固結(jié)體抗壓強(qiáng)度高,可作為補(bǔ)強(qiáng)材料;抗?jié)B性能好,滲透系數(shù)可達(dá)10-8~10-13cm/s。固結(jié)體無毒性、耐久性好。

⑶脲醛樹脂是由脲素和甲醛縮合而成的高分子聚合物。脲醛樹脂漿液有脲醛樹脂漿液、脲-甲醛漿液、改性脲醛樹脂漿液。脲醛樹脂在固化前是一種水溶性樹脂,用水配制成水溶液,這種溶液在酸性條件下,在常溫、常壓下就能迅速固化,并且具有一定的強(qiáng)度。但該材料一般較脆,抗?jié)B性較差,與巖石粘結(jié)力不強(qiáng),且毒性較強(qiáng),不利于使用。

⑷環(huán)氧樹脂是一種高分子材料,它具有強(qiáng)度高,粘結(jié)力強(qiáng),收縮率小,化學(xué)穩(wěn)定性好,并能在常溫下固化等特點(diǎn);但它作為灌漿材料則存在一些問題,例如漿液的粘度大,可灌性小,憎水性強(qiáng),與潮濕裂縫粘結(jié)力差等。

總結(jié)現(xiàn)有注漿堵水材料,一般水泥—水玻璃類材料價(jià)格低,初凝時(shí)間可控,凝結(jié)后強(qiáng)度高,耐久性好,無毒。但漿液含固體顆粒,對(duì)微裂隙滲透能力低,齡期長,雖然初凝時(shí)間可控,但強(qiáng)度上升緩慢,在封堵大流量涌水是容易被水流沖散,堵水效果差;固結(jié)體為脆性材料,抗拉、抗剪強(qiáng)度低,在煤巖體再次受力變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生新的水流通道,導(dǎo)致注漿體滲漏水;另外水泥漿堵水設(shè)備笨重,材料運(yùn)輸量大,工人勞動(dòng)強(qiáng)度高,不利于井下運(yùn)輸和施工。

目前采用較多的高分子聚合物堵水劑漿液無顆粒,經(jīng)設(shè)備壓力和遇水膨脹力能滲透到微裂隙中,凝膠時(shí)間可準(zhǔn)確控制,強(qiáng)度上升時(shí)間短,遇水膨脹后與煤巖體高度粘合,封堵水流通道,適用于各類地質(zhì)水害的治理;礦用高分子聚合物堵水劑施工時(shí)無需施做止?jié){墻,可現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)注漿速度防止漏漿,保證注漿堵水效果,減少準(zhǔn)備工作量;具有一定的延展性和柔韌性,可防止煤巖體的再次變形運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生新的裂隙造成滲漏水。

[1]龔曉南.地基處理手冊(cè)[M].中國建筑工業(yè)出版社,2000∶297-354.

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