Развитие методов полимерного укрепления рыхлых пород для повышения эффективности эксплуатации горных выработок и инженерных сооружений

Предложен способ укрепления рыхлых пород, включающий последовательную закачку компонентов двухкомпонентных полимерных смол с последующим вытеснением каждого раствора вглубь породы газом. Установлено, что последовательная закачка отдельных компонентов органоминеральных и полиуретановых составов обеспечивает снижение расхода полимера, двухкратное увеличение объема укрепленного песка по сравнению со стандартным способом ввода двухкомпонентных композиций. Формируется структура с упрочняющим каркасом из отвержденной смолы, что способствует повышению механической прочности полученных геоматериалов. Выявлено, что прочность на сжатие укрепленного песка в среднем более чем в два раза превышает значения, полученные при стандартной закачке. Способ наиболее эффективен при последовательном покомпонентном инъектировании составов малыми порциями с их вытеснением вглубь породы газом на каждом этапе. Также предложен метод повышения прочности рыхлых пород, укрепленных высокоэластичными полимерными смолами, который состоит в консолидации рыхлой породы двухкомпонентным высокоэластичным полиуретаном и дополнительной обработке малым объемом быстродействующей жесткой смолы с целью увеличения прочности полученного геоматериала. Установлено, что добавка 5 об.% однокомпонентной полиуретановой смолы повышает прочность армированного маловлажного песка в 1,3–1,5 раза относительно укрепления только высокоэластичным составом. В случае водонасыщенных песков эффективность метода увеличивается: при малой добавке жесткого полимера механическая прочность повышается более чем в два раз, по сравнению с породой, укрепленной только высокоэластичной смолой. Предложенные способы позволяют оптимизировать расход реагентов, повысить эффективность технологий физико-химического укрепления пород полимерными составами.

Шилова Т. В., Сердюков С. В., Дробчик А. Н., Иванова О. А. Развитие методов полимерного укрепления рыхлых пород для повышения эффективности эксплуатации горных выработок и инженерных сооружений // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2026. – № 2-1. – С. 46–60. DOI: 10.25018/0236_1493_2026_21_0_46.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-27-20055, https://rscf.ru/project/25-27-20055/ и финансовой поддержки Правительства Новосибирской области.

Шилова Татьяна Викторовна¹ — канд. техн. наук, старший научный сотрудник, e-mail: shilovatanya@yandex.ru, ORCID ID: 0000-0001-5056-9279,
Сердюков Сергей Владимирович¹ — д-р техн. наук, зав. лабораторией, e-mail: ss3032@yandex.ru, ORCID ID: 0000-0002-1295-4122,
Дробчик Андрей Николаевич¹ — инженер-исследователь, e-mail: valker.tiamant@mail.ru, ORCID ID: 0009-0002-7567-6497,
Иванова Оксана Александровна¹ — младший научный сотрудник, e-mail: ksu_88@bk.ru, ORCID ID: 0000-0002-9334-4173,
¹ Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения РАН.

Шилова Т.В., e-mail: shilovatanya@yandex.ru.

1. Faramarzi L., Rasti A., Abtahi S. M. An experimental study of the effect of cement and chemical grouting on the improvement of the mechanical and hydraulic properties of alluvial formations // Construction and Building Materials. 2016, vol. 126, pp. 32—43. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.09.006.

2. Dirgėlienė N., Kordušas V. Stabilization of soil using polyurethane resin injection technology / International Conference Modern Building Materials, Structures and Techniques. Cham: Springer Nature Switzerland, 2023, pp. 605—611. DOI: 10.1007/978-3-031-44603-0_62.

3. Васильев В. В. Полимерные композиции в горном деле. — М.: Наука, 1986. — 294 c.

4. Sabri M. M., Shashkin K. G. The mechanical properties of the expandable polyurethane resin based on its volumetric expansion nature // Magazine of Civil Engineering. 2020, vol. 6, no. 98, article 9811. DOI: 10.18720/MCE.98.11.

5. Liu H., Wang F., Shi M., Tian W. Mechanical behavior of polyurethane polymer materials under triaxial cyclic loading: a particle flow code approach // Journal of Wuhan University of Technology Materials Science Edition. 2018, vol. 33, no. 4, pp. 980—986. DOI: 10.1007/s11595-018-1922-9.

6. Chen Q. S., Peng W., Tao G. L., Nimbalkar S. Strength and deformation characteristics of calcareous sands improved by PFA // KSCE Journal of Civil Engineering. 2021, vol. 25, no. 1, pp. 60—69. DOI: 10.1007/s12205-020-0458-7.

7. Feng W. Q., Bayat M., Bin L., Mousavi Z., Lin J. F., Li A. G. Shear strength enhancement in soil using polyurethane foam adhesive and cement injections // International Journal of Geosynthetics and Ground Engineering. 2024, vol. 10, no. 6, article 97. DOI: 10.1007/s40891-024-00603-w.

8. Bodi J., Bodi Z., Scucka J., Martinec P. Polyurethane grouting technologies // Polyurethane. 2012, vol. 1, pp. 307—336. DOI: 10.5772/35791.

9. Wang J., Fan K., Du J., Xu J., Dong X., Li X., Ding Y. Effect of organosilicon modified epoxy resin on slurry viscosity and mechanical properties of polyurethane grouting materials // Construction and Building Materials. 2023, vol. 387, article 131585. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.131585.

10. Cornely W. Elastified silicate resins and polyurethane foam resins for the stabilization of strata-a comparison / Proceedings of the 6th International Seminary Reinforcement and Sealing of Rock and Construction at the Beginning of 21st Century, Ostrava, Czech Republic. 2001.

11. Wu L., Wu Z., Weng L., Liu Y., Chu Z., Chen J. Comparative analysis of polyacrylate latex modified cement grout for water blocking and rock reinforcement with six alternative materials // Construction and Building Materials. 2024, vol. 429, article 136377. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.136377.

12. Трацевская Е. Ю. Геологические опасности при обосновании регламентов градостроительного развития // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. — 2024. — Т. 335. — № 9. — С. 73—83. DOI: 10.18799/24131830/2024/9/3915.

13. Toumpanou I. C., Pantazopoulos I. A., Markou I. N., Atmatzidis D. K. Predicted and measured hydraulic conductivity of sand-sized crushed limestone // Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2021, vol. 80, no. 2, pp. 1875—1890. DOI: 10.1007/s10064-020-02032-1.

14. Silchenko V., Baev O., Kosichenko Y. Effect of subsoil moisture on filtration through a screen defect // Magazine of Civil Engineering. 2022, vol. 111, no. 3, article 11109. DOI: 10.34910/MCE.111.9.

15. Харченко И. Я., Панченко А. И., Ерофеев В. Т., Мирсаяпов И. Т., Хозин В. Г., Тараканов О. В., Завалишин Е. В. Инъекционные технологии для устранения карстово-суффозионной опасности и просадочности грунтов в основании зданий и сооружений // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. — 2024. — Т. 20. — № 6. — С. 593—612. DOI: 10.22363/1815-5235-2024-20-6-593-612.

16. Velez D., Alumbreros D., Carpintero D., Tsakas P., Tsaka E., Sakellariadis K., Papachatzaki Z. R. Consolidation and waterproofing by injection of PU resins. Ilarion Dam-treatment on the spillway tunnel / Expanding Underground-Knowledge and Passion to Make a Positive Impact on the World. London: CRC Press, 2023, p. 1048—1056. DOI: 10.1201/9781003348030-125.

17. Шилова Т. В., Сердюк И. М., Сердюков С. В., Иванова О. А., Сердюков А. С. Изменение проницаемости рыхлой породы при неполном насыщении высокоэластичной полимерной смолой // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2024. — Т. 1. — С. 26—32. DOI: 10.15372/FTPRPI20240103.

18. Ortiz R. C. Mechanical behavior of grouted sands [master’s dissertation]. Kentucky: University of Kentucky, 2015, 117 p.

19. Miranda L., Caldeira L., Serra J. B., Gomes R. C. Geotechnical characterization of a novel material obtained by injecting a closed cell expansive polyurethane resin into a sand mass // Transportation Geotechnics. 2023, vol. 42, article 101051. DOI: 10.1016/j.trgeo.2023.101051.

20. Шилова Т. В., Сердюков С. В., Рыбалкин Л. А. Закрепление рыхлой породы инъекцией двухкомпонентной органоминеральной смолы // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2022. — № 5. — С. 178—187. DOI: 10.15372/FTPRPI20220517.

21. Шилова Т. В., Сердюков С. В., Дробчик А. Н. Экспериментальные исследования деформационно-прочностных свойств песчаного грунта при его укреплении полиуретановыми составами // Горные науки и технологии. — 2025. — Т. 10. — № 1. — С. 15—24. DOI: 10.17073/2500-0632-2024-08-303.

22. Razavifar M., Mukhametdinova A., Nikooee E., Burukhin A., Rezaei A., Cheremisin A., Riazi M. Rock porous structure characterization: a critical assessment of various state-of-the-art techniques // Transport in Porous Media. 2021, vol. 136, no. 2, pp. 431—456. DOI: 10.1007/s11242-020-01518-6.

23. Meng Q., Wang H., Wang W., Shen W., Zhu C. Microscopic structure effect on the macroscopic property of geomaterials // Frontiers in Physics. 2022, vol. 10, article 1046888. DOI: 10.3389/fphy.2022.1046888.