趙建陽

(煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013)

礦井在地面勘探鉆孔作業(yè)時，經(jīng)常遇到鉆進(jìn)至地層某一層位時，孔內(nèi)返水、返渣量增大的情況，這主要是因為向地層深部鉆進(jìn)期間，揭露帶壓含水層，或是揭露導(dǎo)水性較強(qiáng)的斷裂構(gòu)造，水和泥沙涌入裂隙，造成返水、返渣量增大。在此情況下，通常采用正壓注漿方法將注漿材料灌入裂隙當(dāng)中，實現(xiàn)出水點(diǎn)的堵漏。為降低材料成本，加快施工進(jìn)度，注漿材料多采用水泥砂漿攪拌而成，依靠水泥粘結(jié)作用和大顆粒的沙礫進(jìn)行混合充填，對較大裂隙治理效果明顯，但細(xì)小裂隙仍然無法堵漏，會成為主要導(dǎo)水通道[1-2]。基于此，選用經(jīng)水玻璃和納米二氧化硅改良混合的復(fù)合聚氨酯材料作為主要堵漏止水劑，可以取得良好的治理效果。

1 試驗材料及設(shè)備

聚氨酯材料具有較強(qiáng)的粘結(jié)性，可附著在任意材質(zhì)的物體表面。即使在有水參與的環(huán)境中，是依然能夠產(chǎn)生反應(yīng)膨脹。其與水反應(yīng)生成二氧化碳?xì)怏w，經(jīng)反應(yīng)完全冷卻凝固后，在固體表面形成諸多孔狀結(jié)構(gòu)，硬化層可阻斷水流作用，起到良好封閉隔水效果。使用聚氨酯封孔注漿時，在用量與泵壓足夠的條件下，依靠自身良好的液態(tài)流動性，以及反應(yīng)產(chǎn)生的氣體作用，在裂隙有限的空間內(nèi)，氣體壓力不斷上升，產(chǎn)生正向壓力，將多余液體漿擠入細(xì)小裂隙中，達(dá)到完全充填的效果[3]。本文將水玻璃、納米二氧化硅材料作為聚氨酯材料力學(xué)性能的改良劑，制備復(fù)合注漿材料用于礦井水害治理。

1.1 實驗原料

為在實驗室條件下進(jìn)一步研究復(fù)合注漿材料的性能，利用試驗確定更合理的科學(xué)配比，選用聚醚多元醇(330)、水玻璃(波美度為50～51)、納米二氧化硅(粒徑為 15 nm)等材料作為主要原料，搭配異氰酸酯(MDI-50)、二月桂酸二丁基錫催化劑、S-4308B型消泡劑等為添加輔料進(jìn)行配比試驗。

1.2 實驗設(shè)備

實驗室設(shè)備配置有DNS200萬能試驗機(jī)、JJ-1型電動攪拌機(jī)、電子天平、溶液膠頭滴管、溫度計、玻璃杯、燒杯、塑料模具等。實驗室設(shè)備如圖1所示。

(a)DNS200萬能試驗機(jī) (b)JJ-1型電動攪拌機(jī)圖1 實驗室設(shè)備

2 實驗方案制定

2.1 正交試驗

復(fù)合注漿材料主要分為聚氨酯材料、納米二氧化硅、催化劑、水玻璃等四部分，對聚氨酯性能產(chǎn)生影響的因素在于后三者的配比，對應(yīng)影響因子標(biāo)記為A、B、C。對樣品壓縮強(qiáng)度、凝結(jié)時長和反應(yīng)最高溫度等參數(shù)影響進(jìn)行分別配對試驗。正交點(diǎn)影響因素排列如表1所示。

表1 正交點(diǎn)影響因素排列表

2.2 試驗樣品

在實驗室條件下，將已選取的聚氨酯原料與催化劑、消泡劑和輔助原料等按照表1中的配比分別進(jìn)行混合，在室溫下低速勻速攪拌，30 min 后靜置存放，作為調(diào)制復(fù)合注漿材料的基料(A料)；然后將異氰酸酯(MDI-50)與聚醚多元醇以1∶1等比混合攪拌，混合漿液作為B料。將得到的兩種混合漿液分別倒入容器規(guī)格為長 70 mm×寬 70 mm×高 70 mm 的標(biāo)準(zhǔn)模具中，為便于取平均值，每種漿液制作3個相同模具樣品。在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)過程中，詳細(xì)測量并記錄反應(yīng)過程中釋放的最高溫度，以及從制成混合液成品到初凝階段的時長，反應(yīng)完全成為固態(tài)樣品后從模具中取出，開始壓縮體積達(dá)到50%條件下的強(qiáng)度試驗，壓縮速率設(shè)定在 10 mm/min，取結(jié)果均值。

3 結(jié)果分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)極差分析

根據(jù)表1中制定的試驗方案，將16個正交點(diǎn)與3個影響因子質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行不同排列組合，分別觀察對樣品壓縮強(qiáng)度、凝結(jié)時長和反應(yīng)最高溫度等參數(shù)的結(jié)果。影響因素正交試驗結(jié)果如表2所示，極差計算分析結(jié)果如表3所示。

表2 影響因素正交試驗結(jié)果

表3 極差計算分析結(jié)果

結(jié)合表2和表3中的試驗數(shù)據(jù)分析：水平指標(biāo)均值中在壓縮強(qiáng)度、凝結(jié)時長和反應(yīng)最高溫度等三個方面的表現(xiàn)均是A>B>C，即反應(yīng)效果為納米二氧化硅優(yōu)于催化劑，催化劑優(yōu)于水玻璃。但試驗注漿材料是為提高成品的壓縮強(qiáng)度，因此，單一指標(biāo)最好的方案為A2、B2和C3。結(jié)合表1中影響因素質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)，確定混合漿液中納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.16%和水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%的配比方案。

3.2 不同材料影響機(jī)理分析

針對上述試驗中不同配比得到試驗結(jié)果不同，分別對納米二氧化硅、催化劑和水玻璃等材料對樣品力學(xué)性質(zhì)、反應(yīng)產(chǎn)生溫度及初凝時間等影響原理簡要分析。

1)納米二氧化硅。初凝時長與納米二氧化硅添加劑量成反比關(guān)系，添加量越高，初凝時長反而降低；反應(yīng)最高溫度與壓縮強(qiáng)度呈現(xiàn)折線升高后降低現(xiàn)象，當(dāng)納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)2%時，最大壓縮強(qiáng)度達(dá) 14.705 MPa；但若繼續(xù)加大添加量，隨著密度升高，與異氰酸酯和水玻璃等輔料呈現(xiàn)不均勻混合，接觸面積減小，反而抑制化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致壓縮強(qiáng)度出現(xiàn)拐點(diǎn)后開始降低。

2)催化劑。催化劑可增強(qiáng)反應(yīng)烈度，釋放更多熱量，以縮短反應(yīng)時間。當(dāng)催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.16%時，壓縮強(qiáng)度達(dá)到 10.877 MPa，但若繼續(xù)添加，則加快反應(yīng)強(qiáng)度，促使凝膠未達(dá)到理想壓縮強(qiáng)度時便提前凝固，從而降低凝聚后的聚氨酯固態(tài)抗壓強(qiáng)度，且在此過程中多余釋放的熱量未能參與到凝結(jié)反應(yīng)中，導(dǎo)致熱量不斷積聚，存在封閉空間爆炸和燃燒的風(fēng)險。

3)水玻璃。通過添加水玻璃可縮短初凝反應(yīng)時間，同時增強(qiáng)混合漿液的黏稠度和比重，抑制過多二氧化碳?xì)怏w的產(chǎn)生，減少凝固后表面的孔洞結(jié)構(gòu)。當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到12%時，抗壓強(qiáng)度達(dá)到 10.317 MPa，但若繼續(xù)添加，則促進(jìn)熱量釋放和二氧化碳的生成，當(dāng)氣泡發(fā)生破裂后，聚氨酯固體內(nèi)部抗壓強(qiáng)度下降，且由于加速凝固，導(dǎo)致液體未能充分進(jìn)入裂隙便開始凝固，降低堵漏止水的實際效果。

4 應(yīng)用效果分析

按照納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.16%和水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%的最佳配比方案制取混合漿液，倒入直徑為 50 mm，深度為 70 mm 的標(biāo)準(zhǔn)模具中，常溫下正常養(yǎng)護(hù) 15 d，然后倒出樣品1，同樣條件下使用水泥砂漿制取養(yǎng)護(hù)后得到樣品2。對兩種樣品滲水率進(jìn)行測定，以 1000 mL 水量為標(biāo)準(zhǔn)，計算滲漏所需時長和流量，測定結(jié)果如表4所示，制取樣品如圖2所示。

表4 注漿前后樣品滲水率測定

(a)注漿前試件 (b)注漿后試件 圖2 注漿前后制取樣品模塊

經(jīng)過采用復(fù)合材料注漿后，試驗?zāi)K2的滲水時間明顯延長，滲流量小于使用純水泥砂漿材料，并將堵水率提升到54.8%～68.44%，對導(dǎo)水裂隙具有顯著堵漏效果。

5 結(jié)論

1)通過3因素4水平正交試驗16組試驗方案的制定，針對試驗樣品抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析，得到復(fù)合注漿材料中納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.16%和水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%的最佳配比方案。

2)經(jīng)過不同材料添加量對漿液反應(yīng)溫度、壓縮強(qiáng)度和初凝時間等的影響機(jī)理分析，驗證最佳配比方案的合理性，指出添加劑使用過量情況下，對化學(xué)反應(yīng)起到的抑制效果及危險程度。對優(yōu)化配比后的復(fù)合注漿材料和純水泥砂漿分別制作樣品模塊進(jìn)行滲水和時間觀測，得到注漿改造后模塊將堵水率提高54.8%～68.44%，能有效實現(xiàn)導(dǎo)水裂隙的封堵。