煤岩体地质结构缺陷化学技术创新及工艺优化

2023-02-11张旭

粘接 2023年1期

张旭

(国能集团神东公司布尔台煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017209)

煤炭作为我国重要能源之一，近几年煤炭开采工作中安全事故频发，对矿井生产安全造成严重威胁。据相关统计，我国主产煤区上百个大中型矿区，日常开采也会面临不同程度的自然发火安全威胁，煤层自然发火事件发生率高达70%[1]。这一背景下煤矿用高分子材料应运而生，可以在化学渗透或压力作用下，向煤岩体裂隙内灌浆，从而在短时间内的固结反应中，让原本破碎松散的围岩胶形成高强度连续体[2]。高分子材料可以很好的帮助煤岩体解决地质结构缺陷问题，避免出现片帮、冒顶等情况，充分提升煤岩体的结构承载性能，对现代化煤矿生产工作的安全高效形成有力保障[3]。煤矿用高分子材料本身有着高浸透性、短时间迅速凝结、固化用时较短、防渗透持久性等技术特性，在应用配套施工工艺时，操作十分便捷迅速，很好的避免复杂煤矿井下工作安全事件，可以对煤矿生产日常工作有安全保护作用[4]。随着煤矿高分子材料在煤矿井下开采生产中的广泛应用，相应的多样化注浆装置也发挥作用，但就目前而言所用注浆装置种类较多，设备的井下空间占用较大，注浆工作效率不高等问题，结合煤矿用高分子材料性能，设计一体化注浆装置。

1 矿井概况

1.1 开采工作面

以某新建矿井为例，此矿井地处所在矿田的中南方向，预估能够达到1 000万t/a的生产能力。此矿井的首采工作面为61601，在这一矿采工作面主要应用了长壁后退式全部垮落采煤技术方法，放顶煤矿采技术工艺，达到5.1 m井下矿采高度，17.73 m放顶煤，工作面如图1所示。经前期勘察工作此矿采工作面为+848～+856.8 m标高，设计在此工作面为620 m推采长度，255 m倾斜长度，所在6号煤层达到18.9～29.8 m层厚，均值24.36 m，倾角2.76°。此矿井的煤层比较稳定可是整体结构比较复杂，且具备自燃倾向性，计算自然发火的最短周期有31d。

图1 开采工作面布置Fig.4 Layout of mining face

1.2 煤自燃防治难点

此矿采工作面自燃防治的难点如下，工作面煤厚均值23.85 m，所属巨厚煤层。受客观因素影响，推采过程中未彻底放顶煤，遗煤量较大，空间高度及广度都十分突出；加之此矿采工作面在非正常推采阶段，整体生产进度比较缓慢，一般以临时性矿采比较集中，这就极易导致采空区出现大量遗煤，长期处于氧化蓄热环境中。此矿采工作面的上部及邻近无采空区域，均为实体煤岩达到较好完整性，那么推采工作开展中，就要面临顶板垮落困难，采空区无法充分压实的问题[5]。此外，该工作面的煤层埋深较浅，一旦采空区域出现垮落，和地表之间形成沟通，加之工作面倾向达254 m，与过长的风流路线，这意味着需要面临此工作面的较大两端压力差，以及工作面在初采初放阶段，开切眼和两巷垮落难度普遍较大，采空区域的漏风道顺畅有较大风量。在矿采工作走向、倾向各方面角度普遍较小，基本接近于水平向的工作面，需要对此单独应用防灭火措施；目前而言，注浆装置并不能真正满足此矿采工作面应用高分子材料的防自燃安全需求[6]。

2 注浆用高分子材料的类型及特点

煤矿用高分子材料用于矿采工作中，通过在井下经注浆装置对2类液体混合后开展注浆作业，在经过一段凝固时间之后即可最终生成第3种材料，这样获得的高分子材料一般以混合的A、B这2类进行命名，称作AB料[7]。以高分子材料的不同用途，具体划分为加固类、填充类、堵水类、喷涂类，还有其余几种材料类型。

第1种加固类高分子材料，通常在巷道的矿采掘进过程中比较适用，如果遇到地质断层结构，这时便可以用于工作面煤壁、注浆加固、顶板加固、冒落区围岩、断层施工等加固作用。此类材料在应用过程中，仅需1～2 min的固结反应时长，40 MPa以上的高强度压缩作用力，以及4 MPa以上的粘接强度；这样就可以在短时间内，迅速加固破碎煤岩体，基本可以正常开展工作面矿采生产[8]。

第2种充填类高分子材料，一般此种材料在主动接顶、冒空区、密闭墙体以及工作面掘进等环节，出现瓦斯涌动异常及着火问题，就要应用此类材料迅速充填封堵。充填类高分子材料在使用时，仅需0～1 min就可形成固结反应，达到25～30倍的发泡倍数，且极具韧性，与普通材料相比具备了承受地下矿采工作压力，最大化避免变形开裂等情况[9]。

第3种堵水类高分子材料，这样的材料通常在巷道、井筒、酮室等情况下比较适用，可以短时间内迅速封堵涌水通道。堵水类高分子材料具备了高强度，能够达到70 MPa以上的压缩强度，极好的材料粘接性，能够与水反应生成高黏度物质[10]。

第4种喷涂类高分子材料，这类材料一般在矿采工作的巷道漏风开裂部位比较适用，此外还有火区封闭隔离区域，与易风化的围岩表面，也可进行必要的辅助支护。这类高分子材料具备了极好弹性，甚至可达150%拉伸率[11]，以及极强的阻燃、粘接强度。除此之外还有其他种类的高分子材料，如全长锚固、瓦斯抽放封孔类材料[12]。

3 注浆装置设备介绍

3.1 设备结构

本次设计井下一体化高分子材料注浆装置，为了满足煤矿用高分子材料在矿井工作面的应用需求，包括供料、供水、发泡成胶系统。在这样的注浆装置结构组成中，灌注高分子材料后利用井下压风管路，引入压风并将适量水灌入注水系统内，之后2种材料在注料系统中反应，此注浆装置即可自动抽取防火高分子材料，在无需外力作用下完成了整个工艺流程。此装置也可根据需要操作流量调节旋柄，调节不同材料所需的注浆配比，完成无级调节。注浆装置和注浆泵二者之间有所相似，而高分子材料注浆装置是在注浆泵基础之上，所增设的输送介质混合装置、胶管、单向阀、混合枪各类部件，在矿井工作面高分子材料注浆专用[13]。

3.2 功能特点

注浆装置的主要功能特点：(1)超强泵送性能，可以成功泵送90 MPa·s以上动力黏度的超黏稠材料，具备极强柔性可以在多种复杂工作面中适用，无需反复调整注浆流量与压力，满足多项综采工作面防火材料注浆要求[14]；(2)单、双组能够分泵通用，单组注浆介质，以其比例不同混合双组分介质泵送，保证准确的注浆动作，结构比较简单，有效减少了设备故障发生率，延长使用期限，方便平日的操作、拆卸、组装、运维保养；(3)整体结构比较紧凑，能够根据需要拆卸设备，向井下工作面分批运送，并在井下组装方便运输[15]。而且此设备可以达到很远的注浆距离，满足任何工作面范围内所在位置的注浆泵送工作需要；(4)整个施工过程十分省力高效，可以在设备列车中放置，铺设注浆管路在单轨吊、电缆槽，跟随工作面随之移动，十分省力高效。

3.3 装置技术参数

在矿采工作面应用煤矿高分子材料，以GB/T 9234—2018《机动往复泵》、DZ/T 0090—2017《地质钻探往复式泥浆泵》、《煤矿安全规程》等标准为主[16]。(1)在基本技术要求方面，要在满足上述标准规定外，确保在高分子材料注浆过程中，配置专用的泄漏浆液与阀排浆液回收装置；还要保证此装置的外露设备，杜绝应用轻金属材质[17]。(2)在装置安全要求方面，一定要确保此装置的完整结构，必须包含作为动力装置存在的注浆泵，材料喷涂的专用软管、喷浆管还有混合装置等[18]。另外，还要具有安全阀、单向阀、三通阀、压力显示装置，所纳入的装置都应符合安全标准规范所要求的安全标志。应控制注浆配置单向阀门开启压力在1 MPa以内，保证阀门开启的安全可靠[19]。(3)在注浆工艺流程中，一定要保证整个注浆过程安全性，明确装置各设备生产厂家的生产标准，确定各重要参数包括注浆速率、组分配比、材料固化用时等，这样可以方便在实际操作中符合装置技术要求[20]。(4)由于考虑到矿采工作面所用高分子材料的输送特殊性，一定要严格审查注浆装置的产品说明书，确保注浆装置的具体操作参数，如成分、密度、配比、黏度等，具体如表1所示。

表1 一体化注浆装置关键技术参数Tab.1 Key technical parameters of integrated grouting device

4 注浆装置布置及效果试验

4.1 布置方案

根据工作面的基础情况和2巷道的具体条件，为了尽可能满足高分子材料的特殊注浆技术要求，需要在邻近工作面设备列车中布设注浆装置。以工作面长度距离，设备列车和工作面之间的间隔为标准，确定输料管道的具体路线，输送每一趟可以维持距离约400 m比较适宜，沿着工作面的电缆槽还有单轨吊铺设即可，确保系统可以跟随工作面设备共同移动。防火材料在工作面输送管路铺设中，可以按照20 m为一个间隔，设计1组三通与截止阀，方便就近接管进行注浆；图2为本次注浆装置的管路布设情况[21]。

图2 注浆装置布置图Fig.2 Layout of grouting device

4.2 效果试验

根据综采工作面正式开始试采之后，经40 d开采共计回采16 m，之后基本停采2个月。在整个综采工作面停采状态下，初采约18 m采空区的整体放煤量较少，采空区的垮落遗煤量相对较大，考虑到无法进一步确定这个工作面的开采路线，因此制定应对现状的防止煤自燃措施。在工作面内灌注普瑞特I级防火材料预防措施，运用设计的一体化注浆装置完成注浆[22]。

4.2.1最高反应温度

因为考虑到所用高分子材料的特性，以及在开采工作面的反应特征，最高温反应变化情况，与不同实验方法对比，将1%的水加入注浆装置中，分析不同质量加固材料的反应温度情况；结果如表2所示。

表2 聚氨酯高分子材料反应温度Tab.2 Reaction temperature of polyurethane polymer materials

由表2可知，在未加水情况下，A、B各组基本需要1.5 min的凝胶时间，但是加水发现2组材料凝胶用时维持在2 min；在未加水前提下，设定材料的最高环境温度在23 ℃时，A、B组的测试结果发现，200、250、2 000 mL的A/B组反应，在整个反应过程中温度基本维持在131～135 ℃；在2组均未加水前提下，处于23 ℃温度环境中进行分子材料测试，结果发现A/B反应分别在200、250、2 000 mL这3种不同加水量时，材料反应的温度维持用时随着加水量增加而随之增加；在分别给A、B组加水之后，在23 ℃环境温度中测试反应，A/B组的具体反应温度已经明显增至140 ℃以上。随着反应温度增加，材料也开始逐渐出现发泡反应，材料体积更是在短时间之内急剧增加，随之增加了材料反应的所需耗时，缩减了降温用时；在对A、B组加水之后，分别在23 ℃反应环境温度中展开测试，均为200、250 mL测试A、B组反应，随着反应用料的不断增加，相应的也随之增大了反应保温用时，但与此同时也增加了降温用时[23]。

4.2.2阻燃试验

为了测试注浆高分子材料的阻燃性，以MT113标准中的试验操作为依据，对比在材料中加水之后的阻燃性是否发生改变。表3为本次聚氨酯高分子材料的阻燃性，在加水后的具体变化，能够从中看出A组分材料内，将1%水加入后发生膨胀变形情况，证明降低了材料的阻燃性能，用于矿采工作面部分项目无法达标，因此加入1%水会在一定程度上影响高分子材料的阻燃性。

表3 聚氨酯材料阻燃性Tab.3 Flame retardancy of polyurethane materials

在工作面的路线全长钻孔灌注普瑞特防灭火材料，对采空区遗煤要大面积覆盖，这一材料形成了良好胶体保水性，在所覆盖区域达到持久隔氧、降温与湿润作用。注浆过程中还有注浆之后，在夹间CO体积分数所发生的变化趋势如图3所示。

图3 支架位置CO体积分数变化情况Fig.3 Changes of CO volume fraction at stent location

从图3可以看出，所用高分子材料的安全性能较高，有效防止井下自燃；同时也体现了所设计的一体化注浆装置的施工兼容性，提高整个矿采工作面的生产效率。

4.2.3注浆装置输出特性

1)气动注浆输出

为了测试设计的一体化高分子气动注浆装置的输出特性，试验中选取了脲醛树脂发泡材料、聚氨酯材料和硅酸盐改性聚氨酯材料3类高分子注浆材料，分别在充填密闭、煤岩加固、煤岩体加固特定使用。设计试验条件在0.5 MPa注浆装置供气压，分别设定2、6和12.5 MPa 这3种特定注浆压力，20 ℃环境温度；表4为气动注浆装置试验数据最终试验结果。