聚氨酯加固煤巖預(yù)防采場(chǎng)冒頂技術(shù)

【摘要】本文主要闡述了聚氨酯加固煤巖相關(guān)參數(shù)的確定、設(shè)備應(yīng)用與工藝流程等技術(shù)問題。

【關(guān)鍵詞】聚氨酯；煤巖；采場(chǎng)冒頂；技術(shù)

為了預(yù)防采場(chǎng)頂板事故，保證采煤生產(chǎn)的正常進(jìn)行，許多煤礦采取了一系列防冒頂措施，而因煤礦采煤生產(chǎn)的特殊性，礦山壓力活動(dòng)規(guī)律的復(fù)雜性，事故發(fā)生的隨機(jī)性和偶然性，在采煤生產(chǎn)過程中，還難免出現(xiàn)冒頂事故。因此，必須對(duì)冒頂前的預(yù)兆認(rèn)真進(jìn)行識(shí)別和掌握，采取有效措施，減少生產(chǎn)事故的發(fā)生。

在國(guó)際上主要采煤國(guó)家都利用聚氨酯從鉆孔注入采場(chǎng)頂板和煤層，使聚氨酯滲透到煤巖的裂隙（裂縫）中，經(jīng)過固化使破碎的煤巖膠結(jié)成整體，避免煤壁片幫和頂板冒落。聚氨酯是一種粘結(jié)材料，我國(guó)在井下作過試驗(yàn)及應(yīng)用。聚氨酯是由多元醇聚醚和多異氰酯反應(yīng)而生成的三種固體的發(fā)泡的合成材料。聚氨酯在反應(yīng)固化過程中產(chǎn)生CO2氣體，并產(chǎn)生一定壓力，推動(dòng)聚氨酯向煤巖裂縫深處擴(kuò)散，使固結(jié)面積增大。聚氨酯的黏度很低，滲透能力強(qiáng)，對(duì)壓注有利，加固效果很好。聚氨酯反應(yīng)產(chǎn)生CO2使其發(fā)泡，體積膨脹增加到2-5倍，發(fā)泡后的抗壓強(qiáng)度仍能保持在0.05-0.10Pa/cm2之內(nèi)。

由于地質(zhì)條件不同，可采用不同的配方調(diào)節(jié)發(fā)泡時(shí)間和硬化時(shí)間。聚氨酯具有一定的可塑性和韌性，在壓力和剪力高時(shí)，巖層裂隙內(nèi)的聚氨酯也不會(huì)喪失其內(nèi)聚力。聚氨酯黏結(jié)性強(qiáng)，對(duì)煤、巖、木材等都有很好的粘結(jié)性。發(fā)泡硬化后的聚氨酯的黏結(jié)性不會(huì)由于巖石錯(cuò)動(dòng)而受到影響。聚氨酯注入鉆孔后3-5min開始反應(yīng)，15-20min發(fā)泡，反應(yīng)結(jié)束，2-3h后就能達(dá)到足夠的強(qiáng)度。

1、相關(guān)參數(shù)的確定

（1）鉆孔布置方式隨加固對(duì)象和要求的不同而不同。如加固工作面上下出口時(shí)，要從回風(fēng)巷或運(yùn)輸巷打平行于工作面的鉆孔；加固煤壁或頂板時(shí)，可打垂直于工作面向煤壁或頂板的鉆孔。鉆孔方向平行于層理的效果不如傾斜的效果好。

（2）孔深取決于日進(jìn)度。每日僅加固一次，要求孔深略大于日進(jìn)度，要比日進(jìn)度長(zhǎng)0.5-1.0m。而鉆孔不可過深，不然會(huì)影響深部的藥液效果。

（3）孔間距取決于聚氨酯的擴(kuò)散半徑和要求形成加固帶的最小深度。擴(kuò)散半徑又和煤巖層的破碎程度、裂隙的發(fā)育程度、注入壓力、注入時(shí)間等參數(shù)有關(guān)。在煤巖層的破碎程度較嚴(yán)重、裂隙較發(fā)育時(shí)，聚氨酯的擴(kuò)散范圍呈較寬的錐形體，這時(shí)鉆孔間距應(yīng)稍大些，孔距4.5m較為合適。

（4）注入壓力取決于聚氨酯的黏度和裂隙的發(fā)育程度。在破碎煤巖層中，注入壓力過高能使原有裂隙擴(kuò)展，所以，最大壓力不可高于0.08-0.09Pa/cm2。

（5）注入時(shí)間的長(zhǎng)短影響其擴(kuò)散半徑，而又受硬化時(shí)間的限制。按煤巖溫度的不同，每個(gè)鉆孔注入聚氨酯的時(shí)間由幾分鐘到幾十分鐘。

（6）聚氨酯注入量的與鉆孔深度、孔間距及固結(jié)巖體的破碎程度相關(guān)。煤層中壓注時(shí)，每米鉆孔的注入量通常為10-15kg；在巖層中壓注時(shí)，每米鉆孔的注入量為10～15kg。

2、設(shè)備應(yīng)用與工藝流程

鉆孔設(shè)備有一般使用的鑿巖機(jī)或煤電鉆、鉆桿和鉆頭等。并配有兩臺(tái)VPEⅡ型齒輪泵，一臺(tái)固定式2V-6/8型空氣壓縮機(jī)，風(fēng)馬達(dá)一臺(tái)，數(shù)臺(tái)BGW42K-2型封孔器和BS型送料管、VL型加長(zhǎng)管。

利用聚氨酯加固煤巖時(shí)的壓注工藝流程如圖1所示。由空氣壓縮機(jī)15出來的壓縮空氣，經(jīng)旋塞1，通過潤(rùn)滑器2帶動(dòng)風(fēng)馬達(dá)3，風(fēng)馬達(dá)由通過聯(lián)節(jié)軸同時(shí)帶動(dòng)齒輪泵6和7， 兩泵分別將液箱12中的多元醇聚醚和多異氰酸酯經(jīng)三通接頭、送料管8、封孔器9、加長(zhǎng)管13和單向閥14壓入鉆孔。

1—旋塞；2—潤(rùn)滑器；3—風(fēng)馬達(dá)；4—壓力表；5—單向閥；

6、7—齒輪泵；8—送料管；9—封孔器；10—過濾器；11—換向閥；

12—液箱；13—加長(zhǎng)管；14—單向閥；15—空氣壓縮機(jī)

在壓注聚氨酯前，要檢查封孔器是否把鉆孔封閉，液箱清潔與否，潤(rùn)滑系統(tǒng)的可靠性，壓注管路系統(tǒng)連接正確、牢固、暢通與否。經(jīng)檢查全部合格后，即可開動(dòng)風(fēng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪泵運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行壓注。在壓注過程中，有時(shí)由于鉆孔封閉不嚴(yán)或裂隙較大會(huì)發(fā)生聚氨酯從鉆孔或裂隙中流比的現(xiàn)象，應(yīng)采取以下辦法處理：減小風(fēng)馬達(dá)速度，降低聚氨酯的注人量；改變聚氨酯的配方，加快聚氨酯的反應(yīng)速度，縮短固化時(shí)間；暫停壓注，等聚氨酯稍硬化后，再繼續(xù)壓注。

每一鉆孔注完液后，先將風(fēng)馬達(dá)速度調(diào)慢，把多異氰酸酯回流管放到該種液體箱中，再將換向閥手把打到回流位置，此時(shí)只有多元醇聚醚繼續(xù)向鉆孔注入，以沖洗送料管。沖洗后停風(fēng)停泵，拆除送料管，進(jìn)行下一個(gè)鉆孔的壓注。在液壓工作全部完成后，除了要對(duì)送料管、混合器、高壓軟管徹底清洗外，還必須讓泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)，直到流出透明的多元醇聚醚止。若壓注工作中斷7天以上，要用油把泵中的多異氰酸酯置換出來。壓注完畢后的鉆孔，把封孔器從鉆孔中拉出，并用木塞把鉆孔封閉。

參考文獻(xiàn)

[1]郭奉賢.煤礦開采與掘進(jìn).北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.10

[2]胡貴祥.采煤概論.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.8

[3]閻海鵬等.采煤工藝.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2009.5

[4]王建平等.礦山建設(shè)工程.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.10