李福平

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

煤炭資源作為我國重要基礎(chǔ)能源和工業(yè)原材料，在國民經(jīng)濟(jì)體系中占據(jù)重要戰(zhàn)略地位[1-4]。國家能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計(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。

高臺階邊坡崩塌、滑坡等穩(wěn)定性問題，是露天礦開采過程中的常見問題，處理不當(dāng)易造成作業(yè)人員與設(shè)備損傷[7]。高臺階邊坡加固問題已經(jīng)成為露天礦開采領(lǐng)域一項(xiàng)技術(shù)難題，而以往的治理方式如錨桿、錨索等造價高、時效性差、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性差，擴(kuò)散半徑小，固化時間長，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)或超過水泥砂漿的化學(xué)加固材料，是有效抑制高臺階巖石垮落、保障未來露天煤礦安全平穩(wěn)度過陷落帶區(qū)域、縮短采煤周期提高開采效率的新途徑[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)氧樹脂、脲醛樹脂、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階裂縫加固卻幾乎沒有應(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)用于各個領(lǐng)域之中，但對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，但國內(nèi)外對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。本文通過加入不同含量的稀釋劑來研究不同含量稀釋劑對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，山東煙臺萬華聚氨酯股份有限公司，工業(yè)級；聚醚多元醇，河北亞東化工有限公司，工業(yè)級；催化劑，國藥集團(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；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)行性能測試。

1.3 性能測試

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)性能測試。測試包括壓縮強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度測試。測試在WDW-600C型液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

紅外測試：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。

2 結(jié)果與討論

2.1 稀釋劑用量對力學(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，其中壓縮強(qiáng)度下降趨勢最明顯。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，說明粘結(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聚氨酯結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生影響，進(jìn)行了紅外測試，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，5個樣品官能團(tuán)出現(xiàn)特征峰的的波數(shù)基本無重大變化，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 稀釋劑用量對聚氨酯漿料裂縫擴(kuò)散性能的影響

（1）裂縫漿料自由流動模擬實(shí)驗(yàn)，見圖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。

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

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

（2）稀釋劑用量對自由流動的影響

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，流動距離也顯著增加?？紤]到稀釋劑過多會影響材料的力學(xué)性能以及老化性能，長期使用效果變差，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性：2mm裂縫中，坡度為30°、50°和70°時擴(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°時擴(kuò)散距離分別為188.4、475.8、1415.2 cm。流動性顯著增加，但是同時稀釋劑加入量增加，固化時間也相應(yīng)延長。

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

稀釋劑用量對反應(yīng)時間的影響規(guī)律如圖6所示。隨著稀釋劑用量的增加，反應(yīng)時間呈現(xiàn)先縮短后延長的趨勢。這主要是因?yàn)橄♂寗┑募尤?，降低了反?yīng)物粘度，使得反應(yīng)物能夠充分接觸，但是過多的稀釋劑會造成主反應(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 稀釋劑用量對反應(yīng)時間的影響規(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

注漿模擬過程如圖8所示。

圖8 注漿過程圖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。在壓力過大時，1號、2號、3號試樣的沒有注滿，漿料就已經(jīng)冒出，因此下部沒有漿料（如圖9所示），數(shù)據(jù)見表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

高臺階邊坡加固問題已經(jīng)成為露天礦開采領(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)，成為高臺階邊坡加固的優(yōu)選材料。本文通過加入不同含量的稀釋劑來研究不同含量稀釋劑對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，過量的稀釋劑會導(dǎo)致雙組份粘結(jié)劑的綜合性能下降。黑料不變時，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。

（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性：2mm裂縫中，坡度為30°、50°和70°時擴(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°時擴(kuò)散距離分別為188.4cm、475.8cm和1415.2cm。隨著裂縫的增大，流動性顯著增加。同時隨著稀釋劑加入量的增加，固化時間也相應(yīng)延長。