新型注浆材料在煤矿工程中的应用

张任勇

(山西离柳焦煤集团有限公司，山西 孝义 032300)

引 言

随着我国煤炭资源开采能力的不断提高，煤炭开采的深度不断加大，特别是大面积推广应用了综采放顶煤开采技术，引发了许多安全问题，如围岩层软弱破碎、井下水害、瓦斯超标、矿井火灾、高地温等，严重威胁煤矿工人的生命安全和煤矿的安全生产。极破碎、富含水的软弱煤岩体稳定性差、极易冒落，必须采取有效措施进行超前加固和高冒区充填等，否则将无法进行正常的回采与掘进，影响煤炭企业的正常工作秩序。因此对软弱破碎煤岩体的防治已成为当前采掘施工中的热点和难点问题。

注浆是加固破碎煤岩体最有效的手段之一。随着煤炭企业安全、高效生产的需要，传统的注浆材料和施工技术已很难适应这种状况，需要探索和研究新的注浆材料和施工技术。传统的注浆材料从性质上主要分颗粒型无机浆材和溶液型化学浆材两大类。颗粒型硅酸盐类水泥浆材，其优点是结石强度高、耐久性好、材料来源丰富、工艺设备简单、成本低、注浆设备品种齐全，但其缺点是稳定性较差，容易离析和沉淀，由于其颗粒度大，难以注入岩层的细小裂隙或孔隙中，导致凝结时间不固定，不易被操作人员所控制。这种浆材适用于强度高，松散、离层明显的破碎体加固。与颗粒型硅酸盐类水泥浆材不同，化学浆液具有良好的可注性，能够注入土层中的细小裂隙或孔隙，提高破碎体整体性。本文主要介绍两种新型灌浆材料的特点，以及其在煤矿工程中的应用。

1 新型化学灌浆材料在煤矿工程中的应用

1.1 新型化学灌浆材料的特点

化学灌浆材料是一种有机高分子材料，其作用原理是通过压力或化学渗透作用灌入混凝土缝隙、岩体裂隙及松散地层中，能在较短的时间内很快固结，使松散的或破碎的围岩、混凝土或散粒体胶结成连续体。该材料是一种绿色材料。这类化学灌浆材料产品主要有围岩固结用纯聚氨酯注浆料、围岩固结用硅酸盐改性聚氨酯注浆料、快速堵漏水用聚氨酯类注浆料等。

化学灌浆材料具有优异的性能特点：一是黏度低(100 mPa·s～200 mPa·s)，可灌性和渗透性能优良。二是该材料通过国家建材环保认证，无异味、无任何挥发性(VOC)物质，树脂含量100%，是一种绿色环保材料。三是应用安全，阻燃性优，凝结时间可以从10多秒到30 min～40 min，具有良好的调节性。四是抗压强度高(50 MPa以上)，压缩变形大(>50%)，粘结力高(>5 MPa)。五是施用性强，发泡体韧性大，受压下不破坏，适用于有较大的围岩节理层裂缝的灌注加固，可以自动封孔。六是施工操作简便易行，实现双组分灌浆技术，不仅可以实现根据工程条件可控灌浆，节约用料和人本成本，还能实现准确计量，自动调节灌浆凝结时间和反应特性，而不用现场复杂配料。堵水材料技术具有粘度低、遇水迅速增稠的优点，可有效控制水患问题。它的应用施用工艺简图如第154页图1所示。

图1 新型化学灌浆技术灌浆工艺简图

1.2 新型化学灌浆材料的应用案例

固结用注浆材料技术应用于井下煤/岩体巷道掘进中大断层带或松软煤岩层快速注浆固结控制顶板和边帮稳定、大采深下(500 m以上)采煤工作面(200 m跨度、采高3 m～5 m)遇到断层带、冲沟带、松软煤层控制防止冒顶、片帮。目前已经广泛应用于淮南矿业集团、沈阳煤业集团、山西晋煤集团等大型煤矿企业。

快速堵水注浆类材料技术应用于解决煤矿、石膏矿等其他金属矿山的大断面、大采深下(大于500 m)下巷道、工作面、煤仓的渗漏水和涌水的处理。目前在鸡西矿业集团、山东华丰矿业集团、宁煤集团等煤矿，取得了很好的效果。

2 高分子注浆材料在煤矿工程中的应用

2.1 高分子注浆材料的特点

固瑞特系列化学注浆加固材料是由天地科技股份有限公司生产的，该材料属于双组分注浆加固材料；室温条件下的黏度为：50～100 mPa·s；结石体抗压强度高达40 MPa～55 MPa；裂隙面有较强的黏结力，黏结强度5 MPa～10 MPa；固结体韧性好，压缩20%～30%也不脆裂。满足加固工程的需要。

“泡沫树脂”等新型填充材料将泡沫树脂作为巷旁充填材料，充填工艺简单、易行，不必在背板后面留出充填空间；具有良好的弹性，使支架均匀受载，可以起到较好的缓冲作用；用泡沫树脂充填孔洞与裂隙，可避免背板后面的瓦斯积聚；具有较低的透气性，可减少大量漏风，改善工作面的通风状况[1]。

2.2 高分子注浆材料的应用案例

以神华集团神东公司为例，由于该公司在掘进过程中采用连续采煤机作业，增加了联络巷，最少每隔50 m就需要增加一道联络巷，而联络巷的形成对通风是不利的，所以必须对联络巷进行充填密闭以控制调节风量。采用泡沫树脂作临时密闭后，打密闭时只需垒砌简单的木垛，然后在其中直接喷上泡沫即可。由于泡沫体具有弹性，可达到较好的防、堵漏风的效果[2]。

河南鹤壁九矿本煤层瓦斯抽放钻孔封孔注浆(见图2)，在2504和25031下顺槽采用高分子化学浆液实施封孔工艺抽放瓦斯，瓦斯抽放浓度提高64%～118%，百米煤孔抽出量提高58%～130%。

图2 河南鹤壁九矿本煤层瓦斯抽放钻孔封孔注浆

3 新型注浆材料在煤矿工程中应用时需注意的问题

新型注浆材料的应用给煤矿企业的生产安全提供了物质保障。在具体的应用中，我们要注意以下几个方面的问题。第一，要根据矿井的实际情况选择适合的新型注浆材料。在设计之初就要充分考虑矿区内煤层的厚度、蓄煤量和可供开采期限，以及矿区的地形地貌，水文地质情况有的放矢地选择工程所需材料，保证煤矿工程的安全。第二，保障施工过程新型注浆材料在应用过程中的技术问题。新型注浆材料的作用发挥需要相应的技术来支撑。根据不同材料的特点采用不同的技术，如针对高分子材料采用灌浆技术等，在矿井下使用该种技术时还要充分考虑环境和地质因素可能对材料本身带来的影响，以便及时改进技术保证工程的质量。此外，新型材料设备的维修护养也要充分重视，防患于未然。第三，在新型材料的选择和应用要严格遵守相关标准和要求。如防水及抗温抗压等级和系数要求，操作规范要求等。

4 新型注浆材料的发展方向

虽然我国在注浆材料和注浆技术方面的研究和工程应用发展迅猛，规模也不断扩大，但有些材料的性能和施用技术与国际先进水平仍存在差距。研究和探索适合我国采煤工程的新型注浆材料和技术是摆在相关从业人员面前的一项重要课题。一些大型煤炭企业，如晋煤集团已与部分企业、科研院所建立了很好的合作关系，也解决了一部分困难巷道加固的难题，但仍需进一步与科研单位深入开发适合每个矿区自身特点的新型注浆材料。今后我国煤矿在注浆材料与技术方面的发展方向如下。一是针对当前大部分化学注浆材料都要靠固化剂或催化剂来调整固化时间，而这些外加剂都有毒或有强的腐蚀性，因此，无毒催化剂的研制是一个重要的内容。二针对无溶剂型浆材、水做介质的化灌浆材、新型高亲润、高渗透性注浆浆材和弹性化学浆材等进行研制和开发。三是针对在极破碎煤岩体条件下成孔往往比较困难的问题，加强对施工机具和工艺的改进的完善。四是材料配套设备的研究和推广工作还需进一步加强。五是深入研究对材料的科学评价、性能测试标准和应用更加标准化的问题。