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1、采矿中注浆采矿中注浆加固技术加固技术采采矿工程工程实验室室李昊李昊注浆加固新技术注浆加固新技术注浆概述注浆概述注浆概述注浆概述1注浆材料注浆材料注浆材料注浆材料2注浆方法注浆方法注浆方法注浆方法3注浆工艺注浆工艺注浆工艺注浆工艺4注浆理论注浆理论注浆理论注浆理论5注浆加固新技术注浆加固新技术注浆概述注浆概述注浆概述注浆概述因由因由v对于破碎围岩仅是单一原因需要进行支护研究比较容易解决，但随着支护条件的日益复杂和恶化，构造应力、深部压力及采动影响等多种因素作用下的复合型破碎围岩维护问题成为要解决的难点，传统的锚喷支护、砌碹支护、金属支架已不能完全适应这种大变形、高地压的要求，难以维护，严重者甚至
2、出现前面掘进后面翻修，严重困扰矿山的正常生产。虽然可以采用这几种支护的联合支护，它在一定程度上能够抑制或延缓巷道的变形，但由于支护成本高等原因因而得不到推广应用。因此，复合型破碎围岩维护仍未得到很好解决，而此类巷道的比例在逐年增加，客观上需要进一步深入研究巷道围岩控制理论并发展新的支护技术。注浆概述注浆概述定义定义v根据现代岩石力学的基本理论，巷道围岩控制技术的核心和关键是采用工程手段保持和提高围岩的强度，充分利用围岩自身的强度来保持支护围岩系统的稳定性。注浆作为改善岩土性质的重要技术，能在原位对岩土进行加固或改性，使一定范围内的岩土体成为工程结构不可分割的一部分，充分挖掘岩土体的潜力，较为完
3、善地解决了一些棘手的岩土工程稳定与安全问题，受到岩土界的高度重视，广泛应用于各种以堵水和加固为目的的岩土工程中。注浆概述注浆概述目的目的堵漏堵漏堵漏堵漏纠偏纠偏纠偏纠偏防渗防渗防渗防渗加固加固加固加固使已发生不均使已发生不均匀沉降的建筑匀沉降的建筑物恢复原位物恢复原位注浆概述注浆概述对象对象土体粒状介质，任意粒状介质，任意排列的大小形状排列的大小形状不同的颗粒组成，不同的颗粒组成，孔隙率在孔隙率在0.15-0.5之间。之间。施工介质施工介质岩体由岩石基质和各由岩石基质和各种交切结构面所种交切结构面所组成的地质体，组成的地质体，研究裂隙发育程研究裂隙发育程度则是岩体注浆度则是岩体注浆的首要问题。
4、的首要问题。注浆概述注浆概述发展简况发展简况v1802年法国的查理士伯利尼使用粘土、石灰加固迪普港的砖石砌体开始。v1885年铁琴斯（Tietjens）成功地采用了地面预注浆的方法开凿井筒，并取得了专利权。从此，注浆技术作为矿山工程、建筑工程中防水、加固的重要手段，先后在英国、法国、南非、美国、日本以及前苏联等国家得到了广泛的应用。v20世纪40年代前，注浆主要是以水泥和水玻璃为主，在欧美广泛采用。这之后，开始随化学工业发展，出现的化学注浆技术。60年代出现高压喷射注浆技术。注浆技术注浆技术发展简况发展简况v注浆逐渐发展成为一个相对独立的研究方向。1989年国际岩石力学学会成立注浆委员会，19
5、91年我国在广州举行全国灌浆会议，并成立了中国岩石力学与工程学会岩石锚固与注浆技术专业委员会，加强了理论研究和技术交流。v我国从50年代才开始研究，起初在井壁注浆封水，后在三峡等大型水利工程中应用，而在煤矿只是到了80年代才开始研究。注浆概述注浆概述工程应用工程应用建筑建筑水利水利地下地下其他其他地基加固地基加固桩基处理桩基处理构筑物补强构筑物补强抗震加固抗震加固坝基加固坝基加固帷幕注浆帷幕注浆管涌处理管涌处理坝基防滑坝基防滑井巷支护井巷支护井巷修复井巷修复硐室防漏硐室防漏巷旁支护巷旁支护露天边坡露天边坡挡土墙体挡土墙体桥基加固桥基加固公路路基公路路基注浆概述注浆概述研究机构研究机构美国美国西
6、北大学、斯坦福大学、氰胺公司等西北大学、斯坦福大学、氰胺公司等日本日本东京大学、京都大学、东帮化学工业研究东京大学、京都大学、东帮化学工业研究所、日本化学工业社等所、日本化学工业社等德国德国柏林大学、慕尼黑大学、纽伦堡地基研究柏林大学、慕尼黑大学、纽伦堡地基研究所及埃森矿业研究院中心等所及埃森矿业研究院中心等中国中国清华、同济、中国矿业大学、中南大学、清华、同济、中国矿业大学、中南大学、东北大学、水利水电研究院、煤科院、长东北大学、水利水电研究院、煤科院、长沙矿山研究院、铁道研究院等沙矿山研究院、铁道研究院等注浆概述注浆概述研究内容研究内容注注注浆材料注浆理论（渗透理论）（加固机理）（堵漏机理
7、）注浆方法及工艺注浆方法及工艺注浆参数优化及实验室研究注浆参数优化及实验室研究浆浆注浆概述注浆概述研究路线研究路线理论分析数值分析现场调研确定实验室内技术可行经济合理的最优配方最优配方最优配方最优配方方案有机加固材料主要成分预聚物、催化剂、发泡剂等基于BPBP神经网络神经网络神经网络神经网络的正交回归实验实验室进行注浆粘结实验设计和力学实验实验实验实验等工程试验研究实验研究有机注浆材料渗流规律规律规律规律及加固机理机理机理机理研究有机材料注浆加固数值模拟数值模拟数值模拟数值模拟研究注浆加固新技术注浆加固新技术注浆材料注浆材料注浆材料注浆材料v注浆材料是注浆技术中不可忽视的重要组成部分，注浆之所
8、以能够对被注体起到加固和堵水作用，主要是由于注浆材料在注浆过程中经过一段可人工控制的时间，发生由液相到固相再到结石体充填被注体裂隙并将松散块体联结成整体的结果。因此，良好的注浆材料应在流动性、凝结时间、稳定性、弹性和强度以及环保等方面具有好的品质。注浆材料注浆材料分类分类水泥浆水泥浆粘土浆粘土浆水泥粘土浆水泥粘土浆水玻璃浆水玻璃浆水泥水玻璃浆水泥水玻璃浆无机材料类无机材料类颗粒浆液颗粒浆液无机高无机高水材料水材料注浆材料注浆材料分类分类有机材料有机材料（溶液）（溶液）丙烯酰胺类丙烯酰胺类木质素类木质素类脲醛树酯类脲醛树酯类环氧树脂类环氧树脂类甲凝浆液甲凝浆液其他类其他类聚氨酯类浆液聚氨酯类浆液
9、注浆材料注浆材料颗粒材料颗粒材料v颗粒材料比较有代表性的是无机高水材料。无机高水材料首先是由英国Fosroc公司于1979年试验成功第一代高水充填材料Aquapak,后来又相继研制了Tekpak,Aquablends,TekpakXX,Hydropack,Astrapack等多种更高性能的无机高水材料。高水充填材料主要由两种组份组成，一种是硫铝酸盐水泥熟料和外加剂混合组成（组成主料），另一种是由石膏、石灰和添加剂组成（组成配料）。当两种组份加足量的水并混合均匀便开始发生化学反应，并生成钙矾石,其分子中含有大量的结晶水，（3CaOAl2O33CaSO432H2O）是结晶水含量较多的水化物中最为常
10、见的一种，晶体中水分子容积高达81.2%。高水材料原料中外加剂和添加剂可用来调节材料的反应速度、可泵时间等性能，以提高材料的适用性。注浆材料注浆材料英国无机高水材料英国无机高水材料名称用料不沉析时间(h)初凝时间(min)抗压强度(MPa)水灰比体积比(%)固体含量(kg/m3)2h1d7d1Aquapak1.86:1855000.75150.431.804.552Tekpak2.5:1903503200.912.414.653Aquablends1.86:1855000.551.102.604TekpakXX*2.5:19035024201.203.504.305Hydropack2.5:1
11、9035024201.453.704.606Astrapack2.5:19035072201.503.505.00注浆材料注浆材料我国无机材料我国无机材料v我国最初于1987年由阳泉矿务局研制出一种与英国Aquapak公司相近的高水充填材料并引进了英国MINDEV公司全套充填设备在阳泉二矿71211工作面进行了沿空留巷巷旁充填实验。v中国矿业大学从1996年开始高水材料充填技术研究，他们研制出了一类新型的高水材料，这种材料利用了国产硫铝酸盐水泥或熟料，合理引入了沸腾炉灰渣集料，改善了材料的抗风化性能，创造了井下取消塑料袋充填的条件，并在徐州矿业集团庞庄煤矿、新汶矿业集团翟镇煤矿等地成功地进行了
12、井下工业性试验。注浆材料注浆材料中矿中矿高水速凝材料国内高水速凝材料性能对比表材料材料种类种类生产窑生产窑型型水灰比水灰比可泵时可泵时间间h h初凝初凝时间时间minminpHpH值值抗压强度，抗压强度，MpaMpa2h2h24h24h3d3d7d7dZKDZKD回转窑回转窑2.5:12.5:1甲料甲料2424乙料乙料24248.58.5主料主料11.7011.70配料配料12.7012.702.052.053.973.974.504.505.085.08ZKDZKD立窑立窑2.5:12.5:1甲料甲料2424乙料乙料24241818主料主料12.3512.35配料配料13.0513.051.
13、251.252.492.492.732.732.802.80材料特征材料特征v水灰比范围广、水用量大，ZKD高水速凝材料的水灰比可在0.33.0之间任意调整，根据工程需要既可配制高水灰比，又可配制低水灰比；v速凝早强，甲乙料浆液混合后立即水化、凝结、硬化成坚硬的人工石，凝结时间一般为330min，0.51h即产生强度，且强度增长速度很快，7d抗压强度即可达到设计的95%左右；v可泵时间长，甲乙料分别加水搅拌成浆液后，静置24h以上不凝结、不堵管、可连续泵送，减少了施工过程中管路、设备冲选工作量。即可连续输送，也可24h之内间断输送；v塑性特征明显，ZKD高水速凝材料在力学性质上与普通混凝土的岩
14、石材料有许多不同之处。在抗压试验时，当加压至极限载荷时，试件不发生脆性破坏，塑性变形量较大，残余强度高，有突出的塑性特征；v极限载荷后强度再发展性能，ZKD高水速凝材料承受极限载荷时，在拉应力集中的各点上会出现一些肉眼难以观察到的细微裂缝，只要这些裂缝未达到临界宽度，卸载后继续养护，裂缝自动愈合，且强度将继续发展。这一性能对井下巷道充填有非常重要的实用意义，当充填体承受初次来压后，只要未发生宏观破裂，其抗压强度将随着龄期的增长而继续发展。注浆材料注浆材料中矿中矿高水速凝材料高水速凝材料力学性能1、2、3、4、5分别代表围压为分别代表围压为0.13、0.26、0.38、0.50、0.75Mpa不
15、同围压条件下应力应变曲线不同围压条件下应力应变曲线注浆材料注浆材料中矿中矿高水速凝材料有机材料有机材料聚氨酯类注浆材料聚氨酯类注浆材料v2020世纪世纪6060年代聚氨酯注浆材料就已被开发，美年代聚氨酯注浆材料就已被开发，美国、德国、日本将聚氨酯注浆材料应用于建筑国、德国、日本将聚氨酯注浆材料应用于建筑工程。工程。v聚氨酯注浆材料是由聚氨酯预聚物与添加剂组聚氨酯注浆材料是由聚氨酯预聚物与添加剂组成的化学浆液，一般是单液型成的化学浆液，一般是单液型 。也可以是双液。也可以是双液型，即由预聚物与固化剂组成。型，即由预聚物与固化剂组成。v这类浆液国内又称这类浆液国内又称“氰凝氰凝”，有非水溶性，有非
16、水溶性(PM(PM型型)和水溶性和水溶性(SPM(SPM型型)两类两类 注浆材料注浆材料有机材料由低分子质量聚氧化丙烯多元醇与多异氰酸酯反应制得的预聚物为基料，以有机稀释剂为稀释剂单组分或双组分浆材。固结后形成坚固的弹性体，强度大，体积可膨胀数倍，氰凝的NCO含量高，其固结物弹性差，多用于加固地基等。易分散于水中，遇水自乳化，立即进行聚合反应，固结体具有良好的弹性、抗渗性、耐低温性，对岩石等具有良好的粘接性能；同时，固结体具有弹性止水和膨胀止水的双重作用，多用于灌浆堵漏等。Text油溶性油溶性 水溶性水溶性 注浆材料注浆材料有机材料有机材料有机材料聚氨酯类注浆材料聚氨酯类注浆材料v马丽散马丽散
17、E E是中外合资研制材料，由两种组分组成是中外合资研制材料，由两种组分组成的聚亚胺胶脂高分子聚合物，用于封堵水流和岩的聚亚胺胶脂高分子聚合物，用于封堵水流和岩体加固。该产品的高度粘合力和良好的力学及物体加固。该产品的高度粘合力和良好的力学及物理性能保证其与岩体产生高度粘合；反应时遇水理性能保证其与岩体产生高度粘合；反应时遇水产生膨胀，能对涌水裂隙起到快速有效的封堵效产生膨胀，能对涌水裂隙起到快速有效的封堵效果；良好的柔韧性可以承受地层运动果；良好的柔韧性可以承受地层运动的作用；并的作用；并且具有较强抗渗性能、抗磨、抗冲击性能和抗老且具有较强抗渗性能、抗磨、抗冲击性能和抗老化性能，从而达到长久稳
18、固地层、封堵涌水裂隙化性能，从而达到长久稳固地层、封堵涌水裂隙和通道的目的。和通道的目的。v应用：煤矿井巷工程堵水、防水煤柱堵水与加固、应用：煤矿井巷工程堵水、防水煤柱堵水与加固、坝体渗漏水治理及结构补强、隧道岩溶及裂隙水坝体渗漏水治理及结构补强、隧道岩溶及裂隙水封堵、运营隧道渗透漏水治理、煤岩体加固封堵、运营隧道渗透漏水治理、煤岩体加固 注浆材料注浆材料有机材料波雷因波雷因注浆材料注浆材料v中国矿业大学（北京）在聚氨酯主浆材料研究现中国矿业大学（北京）在聚氨酯主浆材料研究现状基础上，研制了专用于煤矿井下巷道或工作面状基础上，研制了专用于煤矿井下巷道或工作面破碎围岩高效改性聚亚胺树脂注浆加固材
19、料，并破碎围岩高效改性聚亚胺树脂注浆加固材料，并命其名为命其名为“波雷因波雷因”。波雷因材料是一种双液型。波雷因材料是一种双液型注浆加固材料，由组分注浆加固材料，由组分A A和组分和组分B B两种组分组成，两种组分组成，注浆加固的结石体为：注浆加固的结石体为：(a)反应前反应前 (b)反应中反应中 (c)反应后反应后 注浆材料注浆材料有机材料为了增加材料反应时的膨胀倍数，一般采用氟碳化合物。防止浆液反应时因温度过高而使得反应生成物凝胶体被氧化。增加浆液在注浆时的流动性和侵润性，提高浆液的可注性，选用司班或吐温。为了加快主反应的速度。常用的催化剂有叔胺和有机锡两类。为了增加凝胶体的弹塑性，以提高
20、凝胶体力学性能，选用二辛酯等。延缓浆液凝胶时延缓浆液凝胶时间间v组分组分A A中主要是由多异氰酸酯与端羟基化合物（改中主要是由多异氰酸酯与端羟基化合物（改性石炭酸树脂）进行预聚反应而得。性石炭酸树脂）进行预聚反应而得。vB B组分主要由催化剂、稀释剂、增塑剂、表面活性组分主要由催化剂、稀释剂、增塑剂、表面活性剂、缓凝剂、抗氧化剂和发泡剂等组分组成的混剂、缓凝剂、抗氧化剂和发泡剂等组分组成的混合溶液。合溶液。为了降低预聚物的粘度提高渗透性，选用的稀释剂是苯乙烯和丙酮各占50%的混合物。注浆材料注浆材料有机材料有机材料波雷因注浆材料优化波雷因注浆材料优化v为了建立注浆材料优化配方神经网络模型，首先
21、为了建立注浆材料优化配方神经网络模型，首先确定其结构。在抗氧化剂、缓凝剂含量为已知的确定其结构。在抗氧化剂、缓凝剂含量为已知的情况下来优化预聚物、催化剂、表面活性剂（泡情况下来优化预聚物、催化剂、表面活性剂（泡沫稳定剂和乳化剂）、稀释剂和发泡剂之间的配沫稳定剂和乳化剂）、稀释剂和发泡剂之间的配比关系，最终目的是使凝胶体的抗压强度、粘度、比关系，最终目的是使凝胶体的抗压强度、粘度、发泡倍数及抗渗性能等综合性能指标达到最优。发泡倍数及抗渗性能等综合性能指标达到最优。注浆材料注浆材料有机材料波雷因注浆材料优化波雷因注浆材料优化分析预聚物(X1)催化剂(X2)表面活性剂(X3)稀释剂(X4)发泡剂(X
22、5)输入层 中间层 输出层 注浆材料优化配方注浆材料优化配方BPBP神经网络模型神经网络模型抗压强度y1、粘度y2、渗透系数y3 凝胶时间 y4注浆材料注浆材料有机材料样本数据归一化处理样本数据归一化处理：对于样本数据，为了便于统一分析及网络训练学习的需要，需要对样本数据进行归一化处理。样本训练：样本训练：采用5164的网络结构，用Matlab工具对前20个试验进行训练。网络测试：网络测试：选择满足条件样本数据作 为学习样本进行测试，通 过调整网络设置，重新训 练，直到满足要求为止。注浆材料注浆材料有机材料波雷因注浆材料性能指标波雷因注浆材料性能指标波 雷 因 技 术 参 数初凝时间3045s
23、浆液粘度（25oc）200220mpa.s终凝时间6090s双液混合比1:1抗压强度1050MPa膨胀倍数13粘结强度35MPa浆液密度1.23kg/cm3阻燃性能阻燃色度号610，粉红色粘稠液水分含量%0.5不饱和度mol/kg0.02PH值5.57.5注浆材料注浆材料有机材料波雷因注浆材料性能特点波雷因注浆材料性能特点（1 1）凝胶时间可调）凝胶时间可调v通过调节催化剂的用量及种类，可以在较大范围通过调节催化剂的用量及种类，可以在较大范围内调节有机注浆加固材料在注浆过程中的凝胶时内调节有机注浆加固材料在注浆过程中的凝胶时间，从而可以根据岩体破碎情况来控制浆液在岩间，从而可以根据岩体破碎情况
24、来控制浆液在岩层中的凝胶与渗透时间。层中的凝胶与渗透时间。（2 2）粘结强度高）粘结强度高v有机注浆加固材料凝胶体中含有大量的极性基团，有机注浆加固材料凝胶体中含有大量的极性基团，使得其与注浆介质（岩石、煤体）具有非常大的使得其与注浆介质（岩石、煤体）具有非常大的粘结力，特别是当注浆压力提高时，浆液反应后粘结力，特别是当注浆压力提高时，浆液反应后形成固结体的致密性、岩层的整体强度及抗渗性形成固结体的致密性、岩层的整体强度及抗渗性能也相应提高。能也相应提高。注浆材料注浆材料有机材料（3 3）膨胀性能好）膨胀性能好v浆液在反应时，释放大量的浆液在反应时，释放大量的CO2CO2气体，并在发泡剂汽化的
25、气体，并在发泡剂汽化的共同作用下，形成体系的膨胀反应，浆液边膨胀边凝固，共同作用下，形成体系的膨胀反应，浆液边膨胀边凝固，并在浆液的渗透进程中形成膨胀压力，易产生较大的渗透并在浆液的渗透进程中形成膨胀压力，易产生较大的渗透半径和更加致密的凝胶体，便于渗透和加固。半径和更加致密的凝胶体，便于渗透和加固。（4 4）材料消耗少）材料消耗少v由于有机注浆加固材料反应时具有膨胀性，且其与裂隙表由于有机注浆加固材料反应时具有膨胀性，且其与裂隙表面的粘结力高，所以注浆过程中浆液会在短时间内填塞裂面的粘结力高，所以注浆过程中浆液会在短时间内填塞裂隙，堵住跑浆通道隙，堵住跑浆通道,减少跑浆量与材料的浪费。减少跑
26、浆量与材料的浪费。（5 5）抗氧化性能得到改善）抗氧化性能得到改善v由于在浆液中加入了抗氧化剂，使得浆液材料在注浆加固由于在浆液中加入了抗氧化剂，使得浆液材料在注浆加固中反应所生成的凝胶体的抗氧化性能得到提高，解决了凝中反应所生成的凝胶体的抗氧化性能得到提高，解决了凝胶体因氧化而产生的大量有毒气体，给井下生产带来不安胶体因氧化而产生的大量有毒气体，给井下生产带来不安全因素。全因素。注浆材料注浆材料有机材料波雷因注浆材料力学性能波雷因注浆材料力学性能注浆加固模拟试验系统注浆加固模拟试验系统 为了进行实验室研究注浆结合体的力学性能，设计制造了保证注浆结合体粘结试验的注浆模具和调整注浆压力的注浆泵为主构成的注浆加固模拟试验系统。管路浆液A组 QB-25高压双液注浆泵浆液B组 管路管路注 浆模具注浆材料注浆材料有机材料注浆材料注浆材料有机材料MTSMTS电液伺服岩石力学实验系统电液伺服岩石力学实验系统 波雷因注浆材料力学性能波雷因注浆材料力学性能注浆材料注浆材料有机材料