煤矿化学灌浆技术新进展

2022-09-25

化学灌浆 (Chemical Grouting) 是化学与工程相结合的综合性技术, 将一定的化学材料 (无机或有机材料) 配制成真溶液, 用化学灌浆泵等压送设备将其灌入岩层缝隙内, 使其渗透、扩散、胶凝或固化, 增加岩层强度、降低岩层渗透性、防止岩层变形、提高工程质量。化学灌浆技术一般包括化学灌浆材料、灌浆设备及灌浆工艺三部分内容。

1 煤矿化学灌浆材料

煤矿常用化学灌浆材料主要有聚氨酯类、环氧树脂类、丙烯酰胺类、丙烯酸盐类、脲醛树脂类等。理想的化学灌浆材料应具有浆液稳定性好;粘度小、流动性、可灌性好;浆液无毒、无臭、不易燃;对环境不造成污染, 对人体无害;浆液配制方便, 灌浆工艺操作简便;浆材货源广, 价格低, 贮运方便等特点。

新型矿用化学灌浆材料波雷因、德克因、威尔浮、哈斯浮具有以上化学灌浆材料的优点。

1.1 波雷因岩层加固材料

普通双液型聚氨酯灌浆材料在灌浆及材料反应过程中放出大量的反应热, 这些反应热会使材料反应温度超过145℃, 而其本身抗氧化温度一般为130℃, 容易引起聚氨酯灌浆材料的氧化自燃, 给地下工程的施工造成安全隐患, 严重地制约了聚氨酯灌浆材料的推广应用。

波雷因是一种有机高分子双液型改性聚氨酯注浆材料, 在灌浆过程中的最高反应温度不超过120℃, 通过加入高效抗氧剂, 将其反应生成物的抗氧化温度提高到135℃左右, 有效地解决了聚氨酯类灌浆材料容易自燃的难题。

波雷因产品由A、B两种液体组份组成, 施工时按1∶1的重量比充分混合后, 其膨胀系数为2~3倍, 如遇水则膨胀倍数可达15, 注浆施工时浆液可产生二次渗透压力, 并能渗透至岩层深部微细裂隙内, 可有效地对破碎围岩进行加固。由于浆液反应后生成的泡沫体为闭孔结构, 透气性差, 因此, 波雷因材料也可对岩层透水进行有效封堵。此外波雷因材料还有粘结性强、凝固时间可调、韧性较好的优点, 适用于控制较弱岩层及富水岩层。波雷因材料力学性能参数如表1所示。

波雷因分为加固型、堵水型两种不同用处材料。加固型波雷因材料, 主要用于工作面煤壁注浆加固防止片帮, 断层破碎带预注浆加固防止冒顶, 小煤柱加固、井下钻孔固管等;堵水型波雷因材料, 主要用于井壁、巷道及工作面等各种出水点的快速封堵, 含水破碎岩层固结, 探水孔口管固管、快速构筑水闸墙等。

1.2 德克因岩层加固材料

德克因材料属于改性硅酸盐类注浆材料, 它有A、B两种组份组成, 100%树脂含量, 无任何挥发性有机成份, 使用配比为1∶1。德克因材料具有粘度低、可灌性和渗透性强的明显优点, 其力学性能参数如表2所示。双组份材料通过专用气动注浆泵和混合枪, 注入破碎煤岩体后迅速反应与煤岩体凝固生成高强度、有韧性的固结体, 从而达到对煤岩体的加固或涌水裂隙的封堵。

1.3 威尔浮充填材料

威尔浮是一种双液型改性酚醛泡沫注浆充填材料, 应用于煤矿井下较大空洞的注浆充填加固、巷道密闭充填及喷涂等技术领域。威尔浮由A、B两种液体组份组成, 使用时按1∶1比例混合并充填到巷道或工作面冒落空洞, 产生低密度的难燃泡沫材料, 防止瓦斯聚集, 从而提高矿井的安全性。反应后其膨胀倍数可达25倍, 单位体积空间所用材料少, 运输工作量小, 每小时可施工50m3, 可快速构筑密闭墙。其力学性能如表3所示。威尔浮的施工工艺与波雷因的施工工艺大体相同。

1.4 哈斯浮充填材料

哈斯浮是改性脲醛树脂固态泡沫材料, 由两种组份组成高分子液体浆液, 组份A为树脂溶液, 组份B为固化剂溶液。哈斯浮的原料A、B液都是水基材料, 施工后的设备管路可以用水清洗, 粘度低, 易于泵送。施工时, 当两种组份充分混合并在压风的作用下, 经过发泡枪, 发生化学反应, 首先形成奶油状的泡沫体, 最终形成固态稳定的塑性泡沫体, 干燥后仅为25kg/m3, 泡沫稳定不坍塌, 具有较好的防水性能和隔热保温性能。由于材料的反应为吸热反应, 反应后生成的泡沫体温度低于环境温度, 且为不燃材料, 极大地增加了井下施工的安全性。可用于构筑密闭墙、工作面冒落空洞充填、自燃煤层采空区灌浆防灭火等方面。哈斯浮材料力学性能如表4所示。

2 灌注工艺及施工设备

2.1 ZBQ-5/12注浆泵

波雷因、德克因、威尔浮三种化学灌浆材料为双液浆材, 注浆时两种组份按1∶1的比例进行混合, 所以这三种灌浆材料的施工设备可采用专用配套设备ZBQ-5/12型风动注浆泵。ZBQ-5/12型气动双液泵以压缩空气作动力, 气控自动换向, 注浆压力可调, 最大注浆压力可达30MPa, 体积小, 重量轻。该泵可用于井下巷道快速密闭、破碎围岩注浆加固、透水岩层注浆治水等方面。ZBQ-5/12型注浆泵技术参数参见表5, 其结构装配图如图1所示, 施工工艺可分为钻孔、封孔、压注三个工序, 如图2所示。

2.2 PBQ-10/0.3气动喷涂泵

哈斯浮材料发泡方法为机械发泡, 要求采用专用施工设备与专用发泡枪进行施工。施工时, A、B液按1∶1比例混合, 压缩空气经过喷枪并在喷涂泵的泵压作用下将A、B浆液充分混合并形成泡沫, 最终喷涂到需密闭的空间。PBQ-10/0.3气动喷涂泵是喷涂作业的一种新型设备, 以压缩空气做动力, 低压喷涂。具有体积小, 重量轻, 灵活可靠, 维护简单、应用广泛等特点, 可用于井下密闭墙表面喷涂, 封闭密闭墙间隙, 也可用于井下难以进入地段, 快速进行井下抢险救灾。其性能参数如表6所示, 喷涂泵结构如图3所示。

3 结语

系列新型矿用化学灌浆材料包括波雷因、德克因、威尔浮、哈斯浮及配套工艺相关技术已在国内煤矿井下得到较广泛应用, 如邢台、峰峰、邯郸、淮南、潞安、阳泉、西山、淄博、新集、焦作、徐州等矿区近几年已开始大量应用, 为煤矿井下松散破碎围岩加固、通风控制及注浆堵水等提供了新的技术手段, 并创造了显著的社会经济效益。随着我国西部大开发和一大批重点水利水电工程的建设, 采用化学灌浆技术, 安全、快速、有效地处理各类地质灾害是一种行之有效的方法, 这些新型化学注浆材料和相关应用技术将得到不断发展。

1-封孔器2-混合器3-注浆管4-卸荷胶管5-单向阀6-气动泵7-吸浆管

摘要：本文论述了应用于矿山、隧道等地下松软破碎岩层注浆加固及充填用的波雷因、德克因, 威尔浮、哈斯浮四种新型化学灌浆材料及其配套的施工设备及施工工艺, 这些新型化学注浆材料与传统的化学注浆材料和工艺技术相比, 材料性能和工艺技术具有成本低和稳定性强的明显优点。

关键词：化学灌浆技术,岩层加固,灌浆堵水,新进展