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1、新型煤岩注浆材料的制备及性能研究 摘 要 注浆技术是岩土工程学的一个分支 属于地基处理的范畴 随着注浆技术 的广泛应用 注浆材料也得到了较大的发展 开发综合性能指标高及成本较低 的绿色新型注浆材料是材料界和工程界研究开发的共同课题 许多科研单位都 对新型注浆材料进行了研究并取得了一定成果 但涉及硅酸盐 聚氨酯复合新 型煤岩注浆加固材料的研究则比较少 对其研究深度还有待于深入 本文通过 具体的配方试验 对浆材的凝胶时间及固结强度进行了较为详细的研究 掌握 了不同配方下该浆材的凝胶时间及固结强度的影响因素 开发了兼具堵水加固 的聚氨酯类注浆材料 文章还通过试验总结得出 实际注浆工作中 应注意对 浆
2、液温度的控制 一方面要注意避免由于温度过高使浆液反应过快而产生 暴 聚 现象 另一方面如环境温度过低 则要采取相应的升温措施以便降低浆液 的初始粘度 加快浆液的反应速度 避免影响后续工期 关键词 硅酸盐 聚氨酯 注浆 凝胶时间 抗压强度 Abstract Injection Grout which belongs to Foundation treatment is a foliation of geotechnical engineering science Now we requires the material which has good capability than before
3、It is our universal task to find the new grouting material Numerous graduate schools have made some achievements on the new grouting materials but it is little which targets the silicates and polyurethane We should do some research about it in a deep lever The main content and conclusions are as fol
4、low The author have done some experiments to research the gelatin time about the serum and clarify the gelatin time in different conditions Author have made some futherly analysis about the factors which affect the gelatin time and the reasons why the adjustment of the gelatin time is 1imited The au
5、thor have done some experiments about the consolidation strength of the serum According to the date of experiments the author can seize the consolidation strength in different mix and time and present the relation between it and time at one time Addition the experiment and construction practice indi
6、cates the following conclusions In practical grouting work control of the temperature of the serosity is significant On the one hand overheating hence the violent reaction should be avoid on the other hand if the temperature is too low the heating step including lowering the initial viscosity and in
7、creasing the reaction velocity should be take so as to avoid delaying the following time limit of the project Keywords silicate polyurethane injection the gelatin time compressive strength 目 录 摘 要 I Abstract II 第 1 章 前言 1 1 1 研究的目的及意义 1 1 2 化学注浆加固机理 2 1 3 国内外研究现状 3 1 4 注浆技术的发展趋势 4 1 5 本文的研究内容 6 第 2
8、章 原材料及实验方法 7 2 1 原材料 7 2 1 1 固化剂 7 2 1 2 稀释剂 9 2 1 3 催化剂 9 2 1 4 分散剂 11 2 2 实验方法 12 2 2 1 粘度的测定 12 2 2 2 凝胶时间测定 13 2 2 3 聚氨酯固化产物抗压强度的测定 14 第 3 章 灌浆材料工作性能研究 15 3 1 概述 15 3 2 素注浆材料工作性能研究 16 3 3 分散剂对注浆材料工作性能影响研究 17 3 4 甲醛尿素对注浆材料工作性能影响研究 19 3 5 甲醛三聚氰胺对注浆材料工作性能影响研究 20 3 6 羟甲基纤维素对注浆材料工作性能影响研究 22 3 7 稀释剂对注
9、浆材料工作性能影响研究 23 第 4 章 注浆材料力学性能研究 25 4 1 素注浆材料力学性能研究 25 4 2 分散剂对注浆材料力学性能影响研究 26 4 3 甲醛尿素对注浆材料力学性能影响研究 30 4 4 甲醛三聚氰胺对注浆材料力学性能影响研究 32 4 5 羟甲基纤维素对注浆材料力学性能影响研究 34 4 6 稀释剂对注浆材料力学性能影响研究 36 第五章 结论及展望 39 5 1 结论 39 5 2 展望 40 参考文献 41 致 谢 44 1 第 1 章 前言 1 1 研究的目的及意义 我国是目前世界上一次能源以煤为主的国家之一 煤炭在一次能源的生产 和消费结构中约占四分之三 近
10、五年 国内能源利用以煤为主 煤在一次能源 消费比重中所占七成以上的比例 实现了国内生产总值翻一番 1 煤炭工业是 我国国民经济繁荣基础产业 在我国以煤炭作为主要能源的格局在今后 50 年 内不会有根本性的变化 2008 年全国煤炭产量近 30 亿吨 是 2000 年产量的 三倍 如此大规模的开采 需三个条件 安全 瓦斯 煤尘 水 火和顶板灾 害 高效 绿色 随煤矿开采深度的增加 矿井围岩控制问题日益突出 顶 板事故占 34 2 在工作面 松软围岩采煤工作面顶板冒落造成工作面停产时 间占总停产时间的 40 60 我国每年大约有 18 的综采工作面因顶板控制状 态不理想而处在低产状态 在巷道支护方
11、面 煤矿井下巷道安全可靠的支护是 确保矿井正常生产的基础 2 4 现普遍采用木垛处理 水泥浆等支护和加固松 软破碎围岩 取得了一定成效 但存在效率低 可注性差等缺点 现有的支护 和加固技术手段已难以满足松软破碎围岩工作面生产需要 上世纪 80 年代初 国外出现了煤矿化学注浆加固技术 国内从上世纪 90 年代初也开始了这方面 的研究 出现了水玻璃 环氧树脂 丙烯酸盐 聚氨酯 脲醛树脂 丙凝 甲 凝等浆材 其中主要以聚氨酯材料注浆为主 一定程度上缓解了煤矿开采的安 全问题 然而这些材料普遍存在价格高 有毒 机械强度低等缺点 成为煤矿 安全开采的瓶颈 4 6 针对目前煤矿加固存在的问题 本研究致力于
12、开发高性能环保型低成本煤 岩加固注浆材料 尤其是目前普遍采用但又存在许多实际应用问题的聚氨酯注 浆材料 通过改变传统聚氨酯浆材的制备工艺及方法 并研究其注浆加固机理 及材料性能 以获得一种新型低成本 高阻燃及环保型的注浆材料 研究立足 于中国煤矿开采现状 对于解决目前煤矿安全的实际问题具有重要的研究意义 2 1 2 化学注浆加固机理 煤岩体化学加固技术从工艺上分 可分为压注法和药包法 木锚杆锚注法 两种 7 8 压注法是用压注泵将化学浆液注入到煤岩体中 将松散煤岩体加固 成一个有机整体的方法 木锚杆药包法足将树脂的两种组分分别装入水炮泥袋 或用专用的药包机制成药包 间隔放入钻孔 然后用手电钻带
13、动削尖的木锚杆 将药包搅破 使两种组分混合反应 并在发泡膨胀压力作用下使部分化学浆液 渗透到钻孔周围的煤岩体中去 起到加固作用 从煤岩体破坏机制和力学原理 分析 化学浆对煤岩体的作用机理可归纳为 网络骨架作用 粘结补强作用 充填压密作用和转变破坏机制共四种作用 9 分述如下 1 网络骨架作用 在加固施工过程中 化学浆液在泵压 自身膨胀压力以及微裂隙毛细管作 用下 挤压或渗透到煤岩体的大小裂隙中去 反应固结后 在煤岩体内形成了 新的网络骨架结构 化学注浆加固后的煤岩体结构内部充满加固材料形成的浆 脉 这些浆脉在煤岩体中呈薄厚不一的片状或条状 但均互相连通形成网状骨 架 网络骨架内是密实的煤岩体
14、形成骨架的加固材料具有良好的韧性 弹粘 性和粘结性能 当外载增加时 加固材料发生变形但不破坏 载荷主要由煤岩 体来承担 11 13 这样整个煤岩体的破坏条件就由原来的裂隙弱面强度条件向 接近煤岩体的强度转化 当外载超过煤岩体的强度 煤岩体发生破坏和较大的 变形时 加固材料网络将以其良好的韧性和粘结强度性能起到 骨架 作用 限制煤岩体破坏的扩大 从而使煤岩体保持其整体性 并具有较高的残余强度 和承载能力 14 17 2 粘结补强作用 注入煤岩体裂隙中的化学加固材料对裂隙面有很高的粘结力 煤岩体裂隙 弱面上的内聚力和抗拉强度几乎为零 经加固后 煤岩体的整体内聚力和抗拉 抗剪强度大大提高 经化学材料
15、加固后 由于煤岩体弱面被牢固地粘结在一起 大大地提高了煤岩体和顶板的整体性 18 21 它使原来层状顶板离层后形成的 多层梁或裂隙梁转化为组合梁或整体梁 从而提高了直接顶的抗破坏能力 粘 结补强作用对防止煤壁片帮的效果更明显 加固材料可将煤壁前方己处于塑性 3 状态的破碎煤岩体粘结在一起 并可适应较大的顶板下沉而保持其仍具有较好 粘结力 使煤壁处的煤岩体能够保持完整并有一定的承载能力 20 22 3 充填压密作用 化学浆液在泵压和自身反应形成的膨胀压力的作用下 不但可以将互相连 通的煤岩体裂隙充满 同时 由于开发研制的脲醛加固材料粘度极低 在压力 的作用下 还可将一些充填不到的封闭裂隙和孔隙压
16、缩 从而对煤岩体整体起 充填压密作用 23 25 这种作用的结果是使煤岩体的弹性模量提高 强度也相应 提高 4 转变破坏机制作用 由断裂力学理论知 连续介质内有裂隙时 在承载过程中会形成强烈的应 力集中 而最大的应力集中在裂隙的端部 应力集中的程度 系数 K 取决于裂 隙端部半径 裂隙长度 C 及与岩体尺寸 W 之比 介质产生破坏就是在一定 的应力条件下裂隙出现失稳扩展的结果 26 经过加固后 裂隙内充满加固材料且有一定的膨胀压力 加上材料对裂隙 面的粘结作用 会使裂隙端部的应力集中大大削弱或消失 从而使煤岩体的破 坏机制发生转变 27 29 例如 由原来的裂隙扩展破坏转变为在最大剪应力作用 面上的剪切破坏或是在垂直最小主应力方向上发生拉伸破坏等 另外 在煤壁和回采巷道附近煤岩体的破碎是由于处于二向应力状态 裂 隙面法向应力为零 而当裂隙内充满加固材料后 将变为三向应力状态 在 受压的情况下 煤岩体在三向应力状态时的强度极限将比在双向或单向时显著 增大 并且脆性减弱 塑性增强 30 31 因此化学注浆加固也起到了转变破坏机 制和增强煤岩体强度的作用 1 3 国内外研究现状 目前 煤矿用
