李福平

（國(guó)能準(zhǔn)能集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

煤炭資源作為我國(guó)重要基礎(chǔ)能源和工業(yè)原材料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)體系中占據(jù)重要戰(zhàn)略地位[1-4]。國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃明確指出按照“安全、綠色、集約、高效”的原則，優(yōu)先發(fā)展資源回收率高、生產(chǎn)能力大、安全性能好的露天煤礦[5-6]。然而，隨著我國(guó)露天煤礦產(chǎn)能與數(shù)量的不斷增加，相應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題日益凸顯，直接影響露天煤礦安全生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)效益。

高臺(tái)階邊坡崩塌、滑坡等穩(wěn)定性問(wèn)題，是露天礦開(kāi)采過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題，處理不當(dāng)易造成作業(yè)人員與設(shè)備損傷[7]。高臺(tái)階邊坡加固問(wèn)題已經(jīng)成為露天礦開(kāi)采領(lǐng)域一項(xiàng)技術(shù)難題，而以往的治理方式如錨桿、錨索等造價(jià)高、時(shí)效性差、經(jīng)濟(jì)成本不理想。傳統(tǒng)灌注水泥砂漿的方式盡管能夠取得一定的加固效果，但由于水泥砂漿流動(dòng)性差，擴(kuò)散半徑小，固化時(shí)間長(zhǎng)，注漿實(shí)施難度較大，尤其不適合緊急情況的快速加固。若能夠?qū)で笠环N有效提高破碎巖體整體強(qiáng)度（完整性），且擴(kuò)散性能好、加固速度快、加固強(qiáng)度和水泥砂漿相當(dāng)或超過(guò)水泥砂漿的化學(xué)加固材料，是有效抑制高臺(tái)階巖石垮落、保障未來(lái)露天煤礦安全平穩(wěn)度過(guò)陷落帶區(qū)域、縮短采煤周期提高開(kāi)采效率的新途徑[8-11]。

在化學(xué)注漿材料中，聚氨酯注漿材料具有粘度適中、固結(jié)體抗壓強(qiáng)度高、抗?jié)B性能好等優(yōu)點(diǎn)，并且聚氨酯注漿材料質(zhì)量輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、耐化學(xué)腐蝕，因此在環(huán)氧樹(shù)脂、脲醛樹(shù)脂、丙烯酰胺等眾多化學(xué)注漿材料中獨(dú)占鰲頭[12-13]。目前，聚氨酯注漿材料不但用于地下工程的滲漏縫處理，而且在井下煤礦工程中獲得了廣泛的使用[14-15]。然而聚氨酯注漿材料在露天礦高臺(tái)階裂縫加固卻幾乎沒(méi)有應(yīng)用。

雖然聚氨酯材料已經(jīng)逐漸普及于日常生活并廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域之中，但對(duì)于稀釋劑的添加及其導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)與性能方面的變化的研究還存在較少的經(jīng)驗(yàn)和系統(tǒng)的研究。對(duì)于聚氨酯加固材料，由于聚氨酯粘結(jié)劑粘度較高，一般需要加入稀釋劑，但國(guó)內(nèi)外對(duì)于制備雙組份聚氨酯注漿材料稀釋劑加入所導(dǎo)致力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)變化的研究較少，仍留有一定的空白。本文通過(guò)加入不同含量的稀釋劑來(lái)研究不同含量稀釋劑對(duì)于雙組份聚氨酯注漿材料的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響，以期為稀釋劑對(duì)聚氨酯邊坡加固材料結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能影響規(guī)律提供一定參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

異氰酸酯，山東煙臺(tái)萬(wàn)華聚氨酯股份有限公司，工業(yè)級(jí)；聚醚多元醇，河北亞?wèn)|化工有限公司，工業(yè)級(jí)；催化劑，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，化學(xué)純；阻燃劑，青島聯(lián)美化工有限公司，工業(yè)級(jí)；稀釋劑，青島聯(lián)美化工有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

先分別稱取一定質(zhì)量的聚醚多元醇，倒入燒杯，按照稀釋劑所占比例0%、2.5%、5%、7.5%和10%稱取稀釋劑，分別倒入燒杯中，加入相同質(zhì)量的催化劑和阻燃劑，均勻攪拌至與溶劑完全混合，室溫靜置30min，作為白料。稱取一定質(zhì)量異氰酸酯，作為黑料。將黑、白兩組分置于模具中，高速攪拌使其均勻混合，最后成型，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，五天后進(jìn)行性能測(cè)試。

1.3 性能測(cè)試

按照煤礦加固巖體用高分子材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AQ-1089-2011進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。測(cè)試包括壓縮強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度測(cè)試。測(cè)試在WDW-600C型液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

紅外測(cè)試：取固化后的樣品研磨成粉，與氯化鉀粉末混合壓片，采用島津IRAffinity-1S傅立葉變換紅外光譜儀進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 稀釋劑用量對(duì)力學(xué)性能的影響

稀釋劑用量與材料拉伸性能的數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表1，將表中壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖1(a)所示，選取3個(gè)粘結(jié)件的拉伸曲線繪制如圖1(b)所示。

表1 稀釋劑用量與力學(xué)性能匯總表Table 1 Summary of diluent dosage and mechanical properties

圖1 稀釋劑用量對(duì)力學(xué)性能的影響曲線Fig. 1 Effect curve of diluent dosage on mechanical properties

從圖1（a）可以看出，隨著稀釋劑用量的增多，壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)，其中壓縮強(qiáng)度下降趨勢(shì)最明顯。從圖1（b）可以看出，粘結(jié)試樣的拉伸曲線可以看到明顯的屈服平臺(tái)，說(shuō)明粘結(jié)位置產(chǎn)生了塑性變形，表明注漿材料固化后的固結(jié)體材料為典型的塑性材料。

為了獲得稀釋劑的加入是否對(duì)聚氨酯結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生影響，進(jìn)行了紅外測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，5個(gè)樣品官能團(tuán)出現(xiàn)特征峰的的波數(shù)基本無(wú)重大變化，異氰酸根基團(tuán)的特征峰波數(shù)在2276cm-1處，氨基甲酸酯特征峰在1732cm-1處，-OH官能團(tuán)在3300cm-1。隨著稀釋劑的增加，氨基甲酸酯峰強(qiáng)度有所下降，這是因?yàn)橄♂寗┑募尤氪媪瞬糠志勖讯嘣?，造成反?yīng)物減少，因此生成的氨基甲酸酯的量相應(yīng)減少，峰強(qiáng)度略有降低。

圖2 聚氨注漿材料的傅里葉紅外光譜圖Fig. 2 Fourier infrared spectra of polyurethane grouting materials

2.2 稀釋劑用量對(duì)聚氨酯漿料裂縫擴(kuò)散性能的影響

（1）裂縫漿料自由流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)圖3和圖4。模擬裂縫寬度為2mm和4mm，傾斜角度分別為30°、50°和70°。倒入一定量漿料，讓漿料自由流動(dòng)。

圖3 自由流動(dòng)模擬外觀圖Fig.3 Free flow simulation appearance diagram

圖4 自由流動(dòng)擴(kuò)散研究照片F(xiàn)ig. 4 Photograph of free flow diffusion study

（2）稀釋劑用量對(duì)自由流動(dòng)的影響

稀釋劑比例分別為0%、2.5%、5%、7.5%和10%（占總體質(zhì)量比），裂縫為2mm和4mm流動(dòng)速度數(shù)據(jù)曲線圖如圖5所示。隨著稀釋劑用量增加，流動(dòng)距離也顯著增加?？紤]到稀釋劑過(guò)多會(huì)影響材料的力學(xué)性能以及老化性能，長(zhǎng)期使用效果變差，因此加入量控制在10%及以下。在25℃環(huán)境中，加入10%稀釋劑后漿料的自由流動(dòng)性：2mm裂縫中，坡度為30°、50°和70°時(shí)擴(kuò)散距離分別為105.1、182.3、330.6 cm；4mm裂縫中，坡度為30°、50°和70°時(shí)擴(kuò)散距離分別為188.4、475.8、1415.2 cm。流動(dòng)性顯著增加，但是同時(shí)稀釋劑加入量增加，固化時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)。

圖5 稀釋劑用量與自由流動(dòng)距離的關(guān)系Fig. 5 Relationship between diluent content and free flow distance

稀釋劑用量對(duì)反應(yīng)時(shí)間的影響規(guī)律如圖6所示。隨著稀釋劑用量的增加，反應(yīng)時(shí)間呈現(xiàn)先縮短后延長(zhǎng)的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)橄♂寗┑募尤耄档土朔磻?yīng)物粘度，使得反應(yīng)物能夠充分接觸，但是過(guò)多的稀釋劑會(huì)造成主反應(yīng)物反應(yīng)的官能團(tuán)減少，從而使得反應(yīng)速率降低。

圖6 稀釋劑用量對(duì)反應(yīng)時(shí)間的影響規(guī)律Fig. 6 The effect law of diluent dosage on the reaction time

2.3 注漿模擬擴(kuò)散研究

（1）注漿模擬流程

壓力容器為內(nèi)徑9.5cm、壁厚1cm、高20cm的鋼制圓筒，其頂端采用螺栓連接,并用橡皮圈密封，只開(kāi)進(jìn)料口。

將壓力容器中加滿不同規(guī)格的石頭顆粒，尺寸及計(jì)算的孔隙見(jiàn)表2。由于石頭顆粒形狀不規(guī)則，假設(shè)石頭顆粒為球形顆粒，以球形顆粒的縫隙模擬裂縫尺寸，具體算法見(jiàn)圖7。鑒于石頭顆粒松散程度不同，按照石灰石礦松散系數(shù)1.65~1.75，巖石松散系數(shù)1.65，土的松散系數(shù)為1.3。采用的為巖石顆粒，按照松散系數(shù)1.65進(jìn)行計(jì)算修正。

圖7 以球形顆粒的縫隙模擬裂縫尺寸Fig.7 Simulation of the crack size with gaps of spherical particles

表2 石頭顆粒尺寸及孔隙數(shù)據(jù)Table 2 Stone particle size and pore data

注漿模擬過(guò)程如圖8所示。

圖8 注漿過(guò)程圖Fig .8 Grout procedure diagram

（2）注漿模擬數(shù)據(jù)分析

①在注漿壓力接近1的狀態(tài)下進(jìn)行注漿模擬實(shí)驗(yàn)，1kg/cm2=0.1MPa，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 1kg/cm2注漿模擬數(shù)據(jù)Table 3 Simulation grouting data of 1kg/cm2

②在注漿壓力接近10的狀態(tài)下進(jìn)行注漿模擬實(shí)驗(yàn)，10kg/cm2=1MPa，數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 10kg/cm2注漿模擬數(shù)據(jù)Table 4 Simulated grouting data of 10kg/cm2

③在注漿壓力接近20的狀態(tài)下進(jìn)行注漿模擬實(shí)驗(yàn)，20kg/cm2=2MPa。在壓力過(guò)大時(shí)，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)試樣的沒(méi)有注滿，漿料就已經(jīng)冒出，因此下部沒(méi)有漿料（如圖9所示），數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 20kg/cm2注漿模擬數(shù)據(jù)Table 5 Simulation grouting data of 20kg/cm2

圖9 注漿速度過(guò)快未充分滲透的圖片F(xiàn)ig.9 Picture of excessive grouting speed and insufficient penetration

綜上，在縫隙為0.066、0.264、1.073、2.392 mm的條件下，壓力為10kg/cm2是壓力為1kg/cm2的滲透速度的9.39、11.5、12.2、15倍。

3 結(jié)論

高臺(tái)階邊坡加固問(wèn)題已經(jīng)成為露天礦開(kāi)采領(lǐng)域一項(xiàng)技術(shù)難題，在眾多加固材料中聚氨酯注漿材料具有粘度適中、固結(jié)體抗壓強(qiáng)度高、抗?jié)B性能好等優(yōu)點(diǎn)，成為高臺(tái)階邊坡加固的優(yōu)選材料。本文通過(guò)加入不同含量的稀釋劑來(lái)研究不同含量稀釋劑對(duì)于雙組份聚氨酯注漿材料的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響，結(jié)論如下。

（1）聚氨酯加固材料中稀釋劑的含量并非越多越好，過(guò)量的稀釋劑會(huì)導(dǎo)致雙組份粘結(jié)劑的綜合性能下降。黑料不變時(shí)，隨著稀釋劑含量的增加，試驗(yàn)試件的拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)。

（2）由于稀釋劑的加入代替了部分聚醚多元醇，造成了反應(yīng)物的減少，因此生成的氨基甲酸酯的量也相應(yīng)減少。

（3）在25℃環(huán)境中，加入10%稀釋劑后漿料的自由流動(dòng)性：2mm裂縫中，坡度為30°、50°和70°時(shí)擴(kuò)散距離分別為105.1cm、182.3cm和330.6cm；4mm裂縫中，坡度為30°、50°和70°時(shí)擴(kuò)散距離分別為188.4cm、475.8cm和1415.2cm。隨著裂縫的增大，流動(dòng)性顯著增加。同時(shí)隨著稀釋劑加入量的增加，固化時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)。