改性聚氨酯复合材料在破碎区充填加固中的应用

陈桢宇

（山东黄金矿业（莱州）有限公司焦家金矿）

焦家金矿随着深部开采重心的不断下移，逐步面临三高一扰动现象，地压尤其明显，在掘进过程中经常遇爆破后巷道顶板出现塌方冒顶现象，给安全施工带来较大麻烦，该项目之前焦家金矿在初喷浆后采用U型钢支护［1］，部分空区利用槽钢结构，或者利用水泥檩条棚顶，最后再喷浆至设计厚度。但是都存在安全缺陷，槽钢结顶只能做为安全支柱，不能完全棚护，存在较大安全隐患；而采用水泥檩条棚顶有不能全面充填到每个空区的边缘位置，自身重力也同时作用在U型钢上，经过现场技术人员施工指导，在施工质量上有了较大提高，但是仍然存在空区高处坠碎石块的危险，人员设备的运行存在一定的风险。

从国外进口的一些化学增强材料不适合我国的矿山，产生大量的化学增强材料，但增强效果不理想。因此，对于破碎岩体U型钢支护顶帮空区需要寻找一种无污染，硬度高，低成本的化学增强材料。并配套施工机械和技术，在短时间内形成自己的岩石化学强化材料和技术特点，确保矿山安全生产，提高经济效益。

1 方案措施

1.1 充填加固总体原则

充填加固的总体原则［2］:U 形钢支撑模板顶放置在顶部区域，然后填充和加强下落区域上方的不稳定岩层。

1.2 巷道注浆加固材料选择

根据工程目的，采用改性聚氨酯材料。在填充空隙并填充泡沫改性材料之后，用改进的灌浆材料填充空区。将巷道顶部破碎但未落在巷道顶部的岩体重新加固使其成为一个整体。

1.3 施工前提工作

备好主充填材料和水泥檩条或φ33.5 mm 钢管配钢丝网及土工布［3］，由井下运输车运送到施工现场附近存好，本次充填区域以-670 m大巷先为试点，同时备好充填用设备（xmy-999 型气动双液泵），运送到位后，先对空区周边进行敲帮问顶，确保施工安全。浮石处理完成后在原有U 型钢两帮和顶板铺设1 层假底，可用水泥条式钢管作为支撑点，第一段和第二段之间交接采用重叠接力方式，空区的程度视实际情况而定，铺设假底的同时先从空区低处开始铺设，同时对空区的一端进行封闭。水泥檩条或钢管铺完后对土工布进行平整处理，防止开始灌浆时未完全发生反应的液体漏浆，土工布必须把每一个空洞的地方都遮盖好，然后进行分段分层回填。首先用气动泵运送灌浆材料，在土工布上面喷洒1 层酚醛树脂，发泡时间控制在10 s 以内，完全发泡凝固时间控制在60 s 内，然后计算好空区的立方量进行大量灌浆，使液体迅速反应膨胀直至结顶，缩小空区暴露面积，当一端回填完成后，再对另一端进行假底铺设和封闭，两头相向回填，同样先铺水泥檩条或钢管和土工布的工序，循环工作类同，直至中间对接处封闭回填口，事先计算出空间剩余立方量，然后埋好管和灌浆管，用回填料进行灌注，最终整个空区回填料形成一个整体受力物。

1.4 循环灌注的时间安排

首先在土工布上面制造整体假底的时候一定要均匀喷洒，使产品膨胀后平面光滑平整，当整体假体形成后开始大量灌浆，完全开足风力每分钟流量不低于15 L，必须注意的是均匀喷洒，以免造成材料的浪费和发泡不均匀，在回填灌浆时，由于设备的压力，液体为喷注，所以工人必需佩戴防护眼镜，防止喷洒物进入眼睛，安全劳保用品的防护口罩必须戴好。

1.5 回填用设备和材料以及工作顺序

（1）回填用设备：序气腿式ZY28 型凿岩机（固定两帮水泥檩条用）；井下无轨运输车1 辆；MXY-999型气动注浆泵2台。

（2）材料：2 套风管；酚醛树脂；水泥檩条；土工布；注浆管；钻杆，钻头；设备清洗剂；漏斗，抹刀，撬棍；喷射管，连接管，转换接头，管道；喷射枪头，预埋管，铁丝。

（3）工作顺序：确定施工位置—排险—铺水泥檩条—单边封闭—铺土工布—喷洒制作整体假底—大量回填—相向铺水泥檩条—封闭相向边缘—铺土工布—制作整体假底—大量回填—中间对接封闭—预埋灌浆管—继续回填—全部完成。

2.6 充填加固效果分析

为了有效地评估在垮落区加固后裂隙裂缝对岩体的影响［4-7］，在岩石中钻出注入改性注浆材料的岩心。最终可以看出，改性的聚氨酯材料不仅可以应用于采空区，而且可以应用于裂隙型破岩体。浆液填充在采空区中，裂缝消除，裂缝岩体的完整性得到显著改善，成为一体。浆料的黏聚性对断裂表面具有强的结合力，并且结合表面可以承受大的外力，并且不会发生二次开裂。灌浆后，裂隙岩体的稳定性得到显着提高，为永久工作面的使用奠定了稳定的基础，加固效果见图1。同时，为了更详细地了解岩体的内部效应，通过对区域前方5 m 处用KDVJ-400型钻孔探测器进行探测。经国家安全生产上海矿山设备检验中心检测，最终发布的检测报告如图2 所示。

3 效益及效果

（1）通过现场工程实践证明，改性聚氨酯灌浆材料在矿山U型钢空区充填中的应用，能有效缓解顶板垮塌和片帮现象，在一定程度上可以使岩体加固成一体，实现对现有支护方式的一种补充。

（2）改性聚氨酯材料结合后反应温度低，凝固后具有阻燃性，消除了矿井下灌浆过程中火灾的安全隐患。

（3）由于材料可以在有水的情况下正常固化而不影响固化后的强度，因此其实用性大大提高。

（4）按照使用说明注浆材料在施工过程中应保持A 和B 2 种组分的体积比为1∶1。通过现场实践，材料A和B的体积比误差低于5%对注浆加固效果没有显著影响。

（5）浆料的固化时间和早期强度明显受环境温度，孔隙率，特别是导热性的影响。低温和反应热的快速损失会延长浆料的固化时间并降低早期强度。

（6）塌方区采用改性聚氨酯注浆材料加固之后巷道不仅岩石相对稳固，涌水基本消失，保证施工的安全，节省排水、后期加固支护费用42 万元/a。

4 结论

（1）当采用U 型钢支架后，顶板及两帮会形成不同形式的空区，导致U 型钢支架无法及时承受荷载，从而导致支架承载能力下降，极易出现大范围片帮塌方现象。用改性聚氨酯注浆材料填充U 型钢支架空区，改善了围岩本身的物理力学性能，提高了围岩的自支撑能力。另一方面，改变U 型钢支护的状态，使得U型钢被填充层均匀地加压，使得周围的岩石填料与U型钢可以形成共同的载体。通过壁厚填充，减少了巷道围岩的应变速率，使巷道变形得到了有效的控制。

（2）改性聚氨酯注浆材料不仅具有一定的变形量，而且强度高，价格低，可满足围岩变形要求。该材料用作U形钢支架空区的填充材料，其支撑性能远优于喷射混凝土和墙体。

（3）改性聚氨酯注浆材料的填充不仅填充压实，而且效果好，施工过程简单，技术要领易于掌握，大大降低了工人的劳动强度，加快了开挖速度。