破碎煤巖體雙液注漿裝置設計與應用

任菲菲

(山西沁和能源集團 九鑫煤業有限公司，山西 晉城 048000)

我國是一個能源大國，煤炭消耗量位居世界第一，對于我國經濟發展具有重要的促進作用。按照《能源發展“十三五”規劃》的要求，未來相當長的時間內，我國能源結構還是以煤炭為主，到2020年，中國煤炭消費總量控制在41億t以內，所占比重應減少到58%.隨著煤炭的大量回采，淺埋深煤層已趨于殆盡，煤礦企業不得不向深部開采，而深部開采面臨三高一擾動的問題。在高地應力作用以及強烈的開采作用影響下，煤礦巷道破碎給煤礦安全生產帶來了威脅，而注漿加固是治理巷道煤巖體破碎的有力手段。以往注漿多采用高分子材料，雖然該材料效果好，但成本高，大量使用還會造成高溫，給煤礦安全生產帶來不穩定因素。隨著無機注漿材料的產生，目前注漿多采用雙液無機注漿材料。該材料雖然單液長時間不凝固，但雙液混合后凝固迅速，可有效治理破碎煤巖體。在雙液無機注漿材料的應用中，如何使注漿材料進行有效混合和有效封堵是研究熱點。為了提高雙液注漿的質量，設計了一種適應于破碎煤巖體雙液注漿的“雙液注漿混合裝置”。

1 雙液注漿裝置的設計

該雙液注漿裝置包括漿液管、外注漿管、內注漿管、封堵組件、滑動座、定位座、漿液泵送組件一和漿液泵送組件二等8個部分。其中，煤層鉆孔內設有漿液管伸入套，漿液管的外側設置有封堵組件，封堵組件的中心設置有滑動座，內注漿管同軸位于所述外注漿管內的中心位置，且內注漿管與所述外注漿管之間的空間為外注漿管的注漿腔，外注漿管和內注漿管通過滑動座伸入所述漿液管內，內注漿管的中心注漿腔連通于漿液泵送組件二，外注漿管的注漿腔連通于漿液泵送組件一，外注漿管與內注漿管之間采用定位座進行定位連接，如圖1所示。

圖1 雙液注漿裝置

雙液注漿裝置由注漿防堵系統和雙液注漿混合系統兩個系統組成。

1.1 注漿防堵系統

注漿防堵系統包括橡膠柱、橡膠蓋、外限位座、內限位座、導管,其中，橡膠柱向漿液管的徑向方向延伸并固定在漿液管外壁出漿孔的四周，橡膠柱的端部固定設置有橡膠蓋，橡膠蓋與漿液管外壁之間間隔設置，使得出漿孔流出的漿液經過橡膠蓋與漿液管外壁之間的孔隙流出，以便封堵與支護煤層的孔隙。

外限位座和內限位座間隔地設置在滑動座上，且外限位座和內限位座之間的空間內填充有膨脹劑，用導管連通至外限位座和內限位座之間的空間，通過導管向內注水使膨脹劑膨脹，即實現對鉆孔的封堵。其結構如圖2所示。

圖2 雙液注漿封堵系統裝置

1.2 雙液注漿混合系統

雙液注漿混合系統包括攪葉盤座一、攪葉盤座二、輔助混葉盤和主混葉盤。其中，攪葉盤座一和攪葉盤座二采用輔助連通腔連通設置，且攪葉盤座一和攪葉盤座二內均設置有攪動圓柱腔，攪動圓柱腔內各自設置有攪葉盤一和攪葉盤二，輔助連通腔內設置有輔助混葉盤，輔助連通腔上遠離攪葉盤座一或攪葉盤座二的方向一側還連通設置有圓柱形結構的主混葉腔，主混葉腔內設置有主混葉盤，主混葉腔的出漿側連接至內注漿管的中心注漿腔。攪葉盤一和攪葉盤二的形狀以及旋轉方向使得各自的漿液均向輔助連通腔側流動，輔助混葉盤上的葉片為沿著其徑向方向延伸的平面葉片，主混葉盤使得混合后的漿液向內注漿管方向流動，且主混葉盤的轉速至少為所述攪葉盤一或攪葉盤二的兩倍，保證了漿液混合的效果和效率。其系統如圖3所示。

圖3 雙液注漿混合系統裝置

2 雙液注漿裝置的應用及其效果

2.1 雙液注漿裝置的應用

當注漿工程開始時，外限位座(32)和內限位座(31)間隔地設置在滑動座(6)上，且外限位座(32)和內限位座(31)之間的空間內填充有膨脹劑，將導管(22)連通至外限位座(32)和內限位座(31)之間的空間，通過向導管(22)內注入水，使得膨脹劑膨脹，實現對鉆孔的封堵。定位座(27)為內空結構，穿過定位座(3)設置內注漿管，外注漿管(4)與內注漿管(3)外壁之間的外注漿管注漿腔與定位座(27)的內空腔連通，漿液泵送組件一輸送漿液的管路伸入定位座(27)的內空腔內，在注漿泵壓力的作用下，將漿液輸送到鉆孔中，即實現煤巖體注漿加固。注漿施工完成后，利用連接耳(10)將該外注漿管和內注漿管拉出。

2.2 應用效果

以石子、沙子模擬注漿破碎煤巖體的裂隙，采用該注漿裝置將漿液注入到模擬裝置中，注漿結束后其效果如圖4所示。

由圖4及注漿過程可知，注漿過程中沒有漿液漏失情況，漿液能夠很好地進入到模擬模型中填充整個裂隙，漿液顏色均勻，沒有出現色差，說明漿液混合較好，該裝置能夠很好地實現混合作用。

采用該設備與傳統雙液注漿設備對同一現場進行注漿，通過鉆孔電視進行窺視，窺視效果如圖5所示。

圖4 雙液注漿混合系統裝置

圖5 雙液注漿混合系統裝置

由圖5可知，設計的注漿裝置能夠使漿液非常好地充滿煤巖體裂隙，漿液呈現很好的乳白色。未有較大顏色變化，說明漿液混合較好。而傳統注漿裝置，裂縫未有漿液填充，說明注漿過程中漿液未進入鉆孔中，全部流失。通過該設備與傳統雙液注漿設備同場注漿效果對比，說明該裝置具有非常好的注漿效果。

3 結 語

基于破碎煤巖體注漿加固特征設計了新型雙液注漿加固裝置，該裝置能夠很好地實現注漿過程中漿液的封堵防漏失和混合作用，室內實驗和現場試驗驗證了該裝置的有效性和實用性。