新型注漿材料在煤礦工程中的應用

張任勇

(山西離柳焦煤集團有限公司，山西 孝義 032300)

引 言

隨著我國煤炭資源開采能力的不斷提高，煤炭開采的深度不斷加大，特別是大面積推廣應用了綜采放頂煤開采技術，引發(fā)了許多安全問題，如圍巖層軟弱破碎、井下水害、瓦斯超標、礦井火災、高地溫等，嚴重威脅煤礦工人的生命安全和煤礦的安全生產(chǎn)。極破碎、富含水的軟弱煤巖體穩(wěn)定性差、極易冒落，必須采取有效措施進行超前加固和高冒區(qū)充填等，否則將無法進行正常的回采與掘進，影響煤炭企業(yè)的正常工作秩序。因此對軟弱破碎煤巖體的防治已成為當前采掘施工中的熱點和難點問題。

注漿是加固破碎煤巖體最有效的手段之一。隨著煤炭企業(yè)安全、高效生產(chǎn)的需要，傳統(tǒng)的注漿材料和施工技術已很難適應這種狀況，需要探索和研究新的注漿材料和施工技術。傳統(tǒng)的注漿材料從性質上主要分顆粒型無機漿材和溶液型化學漿材兩大類。顆粒型硅酸鹽類水泥漿材，其優(yōu)點是結石強度高、耐久性好、材料來源豐富、工藝設備簡單、成本低、注漿設備品種齊全，但其缺點是穩(wěn)定性較差，容易離析和沉淀，由于其顆粒度大，難以注入巖層的細小裂隙或孔隙中，導致凝結時間不固定，不易被操作人員所控制。這種漿材適用于強度高，松散、離層明顯的破碎體加固。與顆粒型硅酸鹽類水泥漿材不同，化學漿液具有良好的可注性，能夠注入土層中的細小裂隙或孔隙，提高破碎體整體性。本文主要介紹兩種新型灌漿材料的特點，以及其在煤礦工程中的應用。

1 新型化學灌漿材料在煤礦工程中的應用

1.1 新型化學灌漿材料的特點

化學灌漿材料是一種有機高分子材料，其作用原理是通過壓力或化學滲透作用灌入混凝土縫隙、巖體裂隙及松散地層中，能在較短的時間內(nèi)很快固結，使松散的或破碎的圍巖、混凝土或散粒體膠結成連續(xù)體。該材料是一種綠色材料。這類化學灌漿材料產(chǎn)品主要有圍巖固結用純聚氨酯注漿料、圍巖固結用硅酸鹽改性聚氨酯注漿料、快速堵漏水用聚氨酯類注漿料等。

化學灌漿材料具有優(yōu)異的性能特點：一是黏度低(100 mPa·s～200 mPa·s)，可灌性和滲透性能優(yōu)良。二是該材料通過國家建材環(huán)保認證，無異味、無任何揮發(fā)性(VOC)物質，樹脂含量100%，是一種綠色環(huán)保材料。三是應用安全，阻燃性優(yōu)，凝結時間可以從10多秒到30 min～40 min，具有良好的調(diào)節(jié)性。四是抗壓強度高(50 MPa以上)，壓縮變形大(>50%)，粘結力高(>5 MPa)。五是施用性強，發(fā)泡體韌性大，受壓下不破壞，適用于有較大的圍巖節(jié)理層裂縫的灌注加固，可以自動封孔。六是施工操作簡便易行，實現(xiàn)雙組分灌漿技術，不僅可以實現(xiàn)根據(jù)工程條件可控灌漿，節(jié)約用料和人本成本，還能實現(xiàn)準確計量，自動調(diào)節(jié)灌漿凝結時間和反應特性，而不用現(xiàn)場復雜配料。堵水材料技術具有粘度低、遇水迅速增稠的優(yōu)點，可有效控制水患問題。它的應用施用工藝簡圖如第154頁圖1所示。

圖1 新型化學灌漿技術灌漿工藝簡圖

1.2 新型化學灌漿材料的應用案例

固結用注漿材料技術應用于井下煤/巖體巷道掘進中大斷層帶或松軟煤巖層快速注漿固結控制頂板和邊幫穩(wěn)定、大采深下(500 m以上)采煤工作面(200 m跨度、采高3 m～5 m)遇到斷層帶、沖溝帶、松軟煤層控制防止冒頂、片幫。目前已經(jīng)廣泛應用于淮南礦業(yè)集團、沈陽煤業(yè)集團、山西晉煤集團等大型煤礦企業(yè)。

快速堵水注漿類材料技術應用于解決煤礦、石膏礦等其他金屬礦山的大斷面、大采深下(大于500 m)下巷道、工作面、煤倉的滲漏水和涌水的處理。目前在雞西礦業(yè)集團、山東華豐礦業(yè)集團、寧煤集團等煤礦，取得了很好的效果。

2 高分子注漿材料在煤礦工程中的應用

2.1 高分子注漿材料的特點

固瑞特系列化學注漿加固材料是由天地科技股份有限公司生產(chǎn)的，該材料屬于雙組分注漿加固材料；室溫條件下的黏度為：50～100 mPa·s；結石體抗壓強度高達40 MPa～55 MPa；裂隙面有較強的黏結力，黏結強度5 MPa～10 MPa；固結體韌性好，壓縮20%～30%也不脆裂。滿足加固工程的需要。

“泡沫樹脂”等新型填充材料將泡沫樹脂作為巷旁充填材料，充填工藝簡單、易行，不必在背板后面留出充填空間；具有良好的彈性，使支架均勻受載，可以起到較好的緩沖作用；用泡沫樹脂充填孔洞與裂隙，可避免背板后面的瓦斯積聚；具有較低的透氣性，可減少大量漏風，改善工作面的通風狀況[1]。

2.2 高分子注漿材料的應用案例

以神華集團神東公司為例，由于該公司在掘進過程中采用連續(xù)采煤機作業(yè)，增加了聯(lián)絡巷，最少每隔50 m就需要增加一道聯(lián)絡巷，而聯(lián)絡巷的形成對通風是不利的，所以必須對聯(lián)絡巷進行充填密閉以控制調(diào)節(jié)風量。采用泡沫樹脂作臨時密閉后，打密閉時只需壘砌簡單的木垛，然后在其中直接噴上泡沫即可。由于泡沫體具有彈性，可達到較好的防、堵漏風的效果[2]。

河南鶴壁九礦本煤層瓦斯抽放鉆孔封孔注漿(見圖2)，在2504和25031下順槽采用高分子化學漿液實施封孔工藝抽放瓦斯，瓦斯抽放濃度提高64%～118%，百米煤孔抽出量提高58%～130%。

圖2 河南鶴壁九礦本煤層瓦斯抽放鉆孔封孔注漿

3 新型注漿材料在煤礦工程中應用時需注意的問題

新型注漿材料的應用給煤礦企業(yè)的生產(chǎn)安全提供了物質保障。在具體的應用中，我們要注意以下幾個方面的問題。第一，要根據(jù)礦井的實際情況選擇適合的新型注漿材料。在設計之初就要充分考慮礦區(qū)內(nèi)煤層的厚度、蓄煤量和可供開采期限，以及礦區(qū)的地形地貌，水文地質情況有的放矢地選擇工程所需材料，保證煤礦工程的安全。第二，保障施工過程新型注漿材料在應用過程中的技術問題。新型注漿材料的作用發(fā)揮需要相應的技術來支撐。根據(jù)不同材料的特點采用不同的技術，如針對高分子材料采用灌漿技術等，在礦井下使用該種技術時還要充分考慮環(huán)境和地質因素可能對材料本身帶來的影響，以便及時改進技術保證工程的質量。此外，新型材料設備的維修護養(yǎng)也要充分重視，防患于未然。第三，在新型材料的選擇和應用要嚴格遵守相關標準和要求。如防水及抗溫抗壓等級和系數(shù)要求，操作規(guī)范要求等。

4 新型注漿材料的發(fā)展方向

雖然我國在注漿材料和注漿技術方面的研究和工程應用發(fā)展迅猛，規(guī)模也不斷擴大，但有些材料的性能和施用技術與國際先進水平仍存在差距。研究和探索適合我國采煤工程的新型注漿材料和技術是擺在相關從業(yè)人員面前的一項重要課題。一些大型煤炭企業(yè)，如晉煤集團已與部分企業(yè)、科研院所建立了很好的合作關系，也解決了一部分困難巷道加固的難題，但仍需進一步與科研單位深入開發(fā)適合每個礦區(qū)自身特點的新型注漿材料。今后我國煤礦在注漿材料與技術方面的發(fā)展方向如下。一是針對當前大部分化學注漿材料都要靠固化劑或催化劑來調(diào)整固化時間，而這些外加劑都有毒或有強的腐蝕性，因此，無毒催化劑的研制是一個重要的內(nèi)容。二針對無溶劑型漿材、水做介質的化灌漿材、新型高親潤、高滲透性注漿漿材和彈性化學漿材等進行研制和開發(fā)。三是針對在極破碎煤巖體條件下成孔往往比較困難的問題，加強對施工機具和工藝的改進的完善。四是材料配套設備的研究和推廣工作還需進一步加強。五是深入研究對材料的科學評價、性能測試標準和應用更加標準化的問題。