張任勇

(山西離柳焦煤集團(tuán)有限公司，山西 孝義 032300)

引 言

隨著我國(guó)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(yīng)用了綜采放頂煤開采技術(shù)，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(biāo)、礦井火災(zāi)、高地溫等，嚴(yán)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(jìn)行超前加固和高冒區(qū)充填等，否則將無(wú)法進(jìn)行正常的回采與掘進(jìn)，影響煤炭企業(yè)的正常工作秩序。因此對(duì)軟弱破碎煤巖體的防治已成為當(dāng)前采掘施工中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)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(shù)已很難適應(yīng)這種狀況，需要探索和研究新的注漿材料和施工技術(shù)。傳統(tǒng)的注漿材料從性質(zhì)上主要分顆粒型無(wú)機(jī)漿材和溶液型化學(xué)漿材兩大類。顆粒型硅酸鹽類水泥漿材，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)石強(qiáng)度高、耐久性好、材料來(lái)源豐富、工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、注漿設(shè)備品種齊全，但其缺點(diǎn)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(xì)小裂隙或孔隙中，導(dǎo)致凝結(jié)時(shí)間不固定，不易被操作人員所控制。這種漿材適用于強(qiáng)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(xué)漿液具有良好的可注性，能夠注入土層中的細(xì)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(diǎn)，以及其在煤礦工程中的應(yīng)用。

1 新型化學(xué)灌漿材料在煤礦工程中的應(yīng)用

1.1 新型化學(xué)灌漿材料的特點(diǎn)

化學(xué)灌漿材料是一種有機(jī)高分子材料，其作用原理是通過壓力或化學(xué)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(shí)間內(nèi)很快固結(jié)，使松散的或破碎的圍巖、混凝土或散粒體膠結(jié)成連續(xù)體。該材料是一種綠色材料。這類化學(xué)灌漿材料產(chǎn)品主要有圍巖固結(jié)用純聚氨酯注漿料、圍巖固結(jié)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(xué)灌漿材料具有優(yōu)異的性能特點(diǎn)：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(guó)家建材環(huán)保認(rèn)證，無(wú)異味、無(wú)任何揮發(fā)性(VOC)物質(zhì)，樹脂含量100%，是一種綠色環(huán)保材料。三是應(yīng)用安全，阻燃性優(yōu)，凝結(jié)時(shí)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(qiáng)度高(50 MPa以上)，壓縮變形大(>50%)，粘結(jié)力高(>5 MPa)。五是施用性強(qiáng)，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(dòng)封孔。六是施工操作簡(jiǎn)便易行，實(shí)現(xiàn)雙組分灌漿技術(shù)，不僅可以實(shí)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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)量，自動(dòng)調(diào)節(jié)灌漿凝結(jié)時(shí)間和反應(yīng)特性，而不用現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜配料。堵水材料技術(shù)具有粘度低、遇水迅速增稠的優(yōu)點(diǎn)，可有效控制水患問題。它的應(yīng)用施用工藝簡(jiǎn)圖如第154頁(yè)圖1所示。

圖1 新型化學(xué)灌漿技術(shù)灌漿工藝簡(jiǎn)圖

1.2 新型化學(xué)灌漿材料的應(yīng)用案例

固結(jié)用注漿材料技術(shù)應(yīng)用于井下煤/巖體巷道掘進(jìn)中大斷層帶或松軟煤巖層快速注漿固結(jié)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(yīng)用于淮南礦業(yè)集團(tuán)、沈陽(yáng)煤業(yè)集團(tuán)、山西晉煤集團(tuán)等大型煤礦企業(yè)。

快速堵水注漿類材料技術(shù)應(yīng)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(cāng)的滲漏水和涌水的處理。目前在雞西礦業(yè)集團(tuán)、山東華豐礦業(yè)集團(tuán)、寧煤集團(tuán)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(yīng)用

2.1 高分子注漿材料的特點(diǎn)

固瑞特系列化學(xué)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(jié)石體抗壓強(qiáng)度高達(dá)40 MPa～55 MPa；裂隙面有較強(qiáng)的黏結(jié)力，黏結(jié)強(qiáng)度5 MPa～10 MPa；固結(jié)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(jiǎn)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(fēng)，改善工作面的通風(fēng)狀況[1]。

2.2 高分子注漿材料的應(yīng)用案例

以神華集團(tuán)神東公司為例，由于該公司在掘進(jìn)過程中采用連續(xù)采煤機(jī)作業(yè)，增加了聯(lián)絡(luò)巷，最少每隔50 m就需要增加一道聯(lián)絡(luò)巷，而聯(lián)絡(luò)巷的形成對(duì)通風(fēng)是不利的，所以必須對(duì)聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)行充填密閉以控制調(diào)節(jié)風(fēng)量。采用泡沫樹脂作臨時(shí)密閉后，打密閉時(shí)只需壘砌簡(jiǎn)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(dá)到較好的防、堵漏風(fēng)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(xué)漿液實(shí)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(yīng)用時(shí)需注意的問題

新型注漿材料的應(yīng)用給煤礦企業(yè)的生產(chǎn)安全提供了物質(zhì)保障。在具體的應(yīng)用中，我們要注意以下幾個(gè)方面的問題。第一，要根據(jù)礦井的實(shí)際情況選擇適合的新型注漿材料。在設(shè)計(jì)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(zhì)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(yīng)用過程中的技術(shù)問題。新型注漿材料的作用發(fā)揮需要相應(yīng)的技術(shù)來(lái)支撐。根據(jù)不同材料的特點(diǎn)采用不同的技術(shù)，如針對(duì)高分子材料采用灌漿技術(shù)等，在礦井下使用該種技術(shù)時(shí)還要充分考慮環(huán)境和地質(zhì)因素可能對(duì)材料本身帶來(lái)的影響，以便及時(shí)改進(jìn)技術(shù)保證工程的質(zhì)量。此外，新型材料設(shè)備的維修護(hù)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(yīng)用要嚴(yán)格遵守相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。如防水及抗溫抗壓等級(jí)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(guó)在注漿材料和注漿技術(shù)方面的研究和工程應(yīng)用發(fā)展迅猛，規(guī)模也不斷擴(kuò)大，但有些材料的性能和施用技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平仍存在差距。研究和探索適合我國(guó)采煤工程的新型注漿材料和技術(shù)是擺在相關(guān)從業(yè)人員面前的一項(xiàng)重要課題。一些大型煤炭企業(yè)，如晉煤集團(tuán)已與部分企業(yè)、科研院所建立了很好的合作關(guān)系，也解決了一部分困難巷道加固的難題，但仍需進(jìn)一步與科研單位深入開發(fā)適合每個(gè)礦區(qū)自身特點(diǎn)的新型注漿材料。今后我國(guó)煤礦在注漿材料與技術(shù)方面的發(fā)展方向如下。一是針對(duì)當(dāng)前大部分化學(xué)注漿材料都要靠固化劑或催化劑來(lái)調(diào)整固化時(shí)間，而這些外加劑都有毒或有強(qiáng)的腐蝕性，因此，無(wú)毒催化劑的研制是一個(gè)重要的內(nèi)容。二針對(duì)無(wú)溶劑型漿材、水做介質(zhì)的化灌漿材、新型高親潤(rùn)、高滲透性注漿漿材和彈性化學(xué)漿材等進(jìn)行研制和開發(fā)。三是針對(duì)在極破碎煤巖體條件下成孔往往比較困難的問題，加強(qiáng)對(duì)施工機(jī)具和工藝的改進(jìn)的完善。四是材料配套設(shè)備的研究和推廣工作還需進(jìn)一步加強(qiáng)。五是深入研究對(duì)材料的科學(xué)評(píng)價(jià)、性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用更加標(biāo)準(zhǔn)化的問題。