煤巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)缺陷化學(xué)技術(shù)創(chuàng)新及工藝優(yōu)化

張 旭

(國能集團(tuán)神東公司布爾臺煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

煤炭作為我國重要能源之一，近幾年煤炭開采工作中安全事故頻發(fā)，對礦井生產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，我國主產(chǎn)煤區(qū)上百個大中型礦區(qū)，日常開采也會面臨不同程度的自然發(fā)火安全威脅，煤層自然發(fā)火事件發(fā)生率高達(dá)70%[1]。這一背景下煤礦用高分子材料應(yīng)運(yùn)而生，可以在化學(xué)滲透或壓力作用下，向煤巖體裂隙內(nèi)灌漿，從而在短時間內(nèi)的固結(jié)反應(yīng)中，讓原本破碎松散的圍巖膠形成高強(qiáng)度連續(xù)體[2]。高分子材料可以很好的幫助煤巖體解決地質(zhì)結(jié)構(gòu)缺陷問題，避免出現(xiàn)片幫、冒頂?shù)惹闆r，充分提升煤巖體的結(jié)構(gòu)承載性能，對現(xiàn)代化煤礦生產(chǎn)工作的安全高效形成有力保障[3]。煤礦用高分子材料本身有著高浸透性、短時間迅速凝結(jié)、固化用時較短、防滲透持久性等技術(shù)特性，在應(yīng)用配套施工工藝時，操作十分便捷迅速，很好的避免復(fù)雜煤礦井下工作安全事件，可以對煤礦生產(chǎn)日常工作有安全保護(hù)作用[4]。隨著煤礦高分子材料在煤礦井下開采生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的多樣化注漿裝置也發(fā)揮作用，但就目前而言所用注漿裝置種類較多，設(shè)備的井下空間占用較大，注漿工作效率不高等問題，結(jié)合煤礦用高分子材料性能，設(shè)計一體化注漿裝置。

1 礦井概況

1.1 開采工作面

以某新建礦井為例，此礦井地處所在礦田的中南方向，預(yù)估能夠達(dá)到1 000萬t/a的生產(chǎn)能力。此礦井的首采工作面為61601，在這一礦采工作面主要應(yīng)用了長壁后退式全部垮落采煤技術(shù)方法，放頂煤礦采技術(shù)工藝，達(dá)到5.1 m井下礦采高度，17.73 m放頂煤，工作面如圖1所示。經(jīng)前期勘察工作此礦采工作面為+848～+856.8 m標(biāo)高，設(shè)計在此工作面為620 m推采長度，255 m傾斜長度，所在6號煤層達(dá)到18.9～29.8 m層厚，均值24.36 m，傾角2.76°。此礦井的煤層比較穩(wěn)定可是整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且具備自燃傾向性，計算自然發(fā)火的最短周期有31d。

圖1 開采工作面布置Fig.4 Layout of mining face

1.2 煤自燃防治難點(diǎn)

此礦采工作面自燃防治的難點(diǎn)如下，工作面煤厚均值23.85 m，所屬巨厚煤層。受客觀因素影響，推采過程中未徹底放頂煤，遺煤量較大，空間高度及廣度都十分突出；加之此礦采工作面在非正常推采階段，整體生產(chǎn)進(jìn)度比較緩慢，一般以臨時性礦采比較集中，這就極易導(dǎo)致采空區(qū)出現(xiàn)大量遺煤，長期處于氧化蓄熱環(huán)境中。此礦采工作面的上部及鄰近無采空區(qū)域，均為實(shí)體煤巖達(dá)到較好完整性，那么推采工作開展中，就要面臨頂板垮落困難，采空區(qū)無法充分壓實(shí)的問題[5]。此外，該工作面的煤層埋深較淺，一旦采空區(qū)域出現(xiàn)垮落，和地表之間形成溝通，加之工作面傾向達(dá)254 m，與過長的風(fēng)流路線，這意味著需要面臨此工作面的較大兩端壓力差，以及工作面在初采初放階段，開切眼和兩巷垮落難度普遍較大，采空區(qū)域的漏風(fēng)道順暢有較大風(fēng)量。在礦采工作走向、傾向各方面角度普遍較小，基本接近于水平向的工作面，需要對此單獨(dú)應(yīng)用防滅火措施；目前而言，注漿裝置并不能真正滿足此礦采工作面應(yīng)用高分子材料的防自燃安全需求[6]。

2 注漿用高分子材料的類型及特點(diǎn)

煤礦用高分子材料用于礦采工作中，通過在井下經(jīng)注漿裝置對2類液體混合后開展注漿作業(yè)，在經(jīng)過一段凝固時間之后即可最終生成第3種材料，這樣獲得的高分子材料一般以混合的A、B這2類進(jìn)行命名，稱作AB料[7]。以高分子材料的不同用途，具體劃分為加固類、填充類、堵水類、噴涂類，還有其余幾種材料類型。

第1種加固類高分子材料，通常在巷道的礦采掘進(jìn)過程中比較適用，如果遇到地質(zhì)斷層結(jié)構(gòu)，這時便可以用于工作面煤壁、注漿加固、頂板加固、冒落區(qū)圍巖、斷層施工等加固作用。此類材料在應(yīng)用過程中，僅需1～2 min的固結(jié)反應(yīng)時長，40 MPa以上的高強(qiáng)度壓縮作用力，以及4 MPa以上的粘接強(qiáng)度；這樣就可以在短時間內(nèi)，迅速加固破碎煤巖體，基本可以正常開展工作面礦采生產(chǎn)[8]。

第2種充填類高分子材料，一般此種材料在主動接頂、冒空區(qū)、密閉墻體以及工作面掘進(jìn)等環(huán)節(jié)，出現(xiàn)瓦斯涌動異常及著火問題，就要應(yīng)用此類材料迅速充填封堵。充填類高分子材料在使用時，僅需0～1 min就可形成固結(jié)反應(yīng)，達(dá)到25～30倍的發(fā)泡倍數(shù)，且極具韌性，與普通材料相比具備了承受地下礦采工作壓力，最大化避免變形開裂等情況[9]。

第3種堵水類高分子材料，這樣的材料通常在巷道、井筒、酮室等情況下比較適用，可以短時間內(nèi)迅速封堵涌水通道。堵水類高分子材料具備了高強(qiáng)度，能夠達(dá)到70 MPa以上的壓縮強(qiáng)度，極好的材料粘接性，能夠與水反應(yīng)生成高黏度物質(zhì)[10]。

第4種噴涂類高分子材料，這類材料一般在礦采工作的巷道漏風(fēng)開裂部位比較適用，此外還有火區(qū)封閉隔離區(qū)域，與易風(fēng)化的圍巖表面，也可進(jìn)行必要的輔助支護(hù)。這類高分子材料具備了極好彈性，甚至可達(dá)150%拉伸率[11]，以及極強(qiáng)的阻燃、粘接強(qiáng)度。除此之外還有其他種類的高分子材料，如全長錨固、瓦斯抽放封孔類材料[12]。

3 注漿裝置設(shè)備介紹

3.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計井下一體化高分子材料注漿裝置，為了滿足煤礦用高分子材料在礦井工作面的應(yīng)用需求，包括供料、供水、發(fā)泡成膠系統(tǒng)。在這樣的注漿裝置結(jié)構(gòu)組成中，灌注高分子材料后利用井下壓風(fēng)管路，引入壓風(fēng)并將適量水灌入注水系統(tǒng)內(nèi)，之后2種材料在注料系統(tǒng)中反應(yīng)，此注漿裝置即可自動抽取防火高分子材料，在無需外力作用下完成了整個工藝流程。此裝置也可根據(jù)需要操作流量調(diào)節(jié)旋柄，調(diào)節(jié)不同材料所需的注漿配比，完成無級調(diào)節(jié)。注漿裝置和注漿泵二者之間有所相似，而高分子材料注漿裝置是在注漿泵基礎(chǔ)之上，所增設(shè)的輸送介質(zhì)混合裝置、膠管、單向閥、混合槍各類部件，在礦井工作面高分子材料注漿專用[13]。

3.2 功能特點(diǎn)

注漿裝置的主要功能特點(diǎn)：(1)超強(qiáng)泵送性能，可以成功泵送90 MPa·s以上動力黏度的超黏稠材料，具備極強(qiáng)柔性可以在多種復(fù)雜工作面中適用，無需反復(fù)調(diào)整注漿流量與壓力，滿足多項綜采工作面防火材料注漿要求[14]；(2)單、雙組能夠分泵通用，單組注漿介質(zhì)，以其比例不同混合雙組分介質(zhì)泵送，保證準(zhǔn)確的注漿動作，結(jié)構(gòu)比較簡單，有效減少了設(shè)備故障發(fā)生率，延長使用期限，方便平日的操作、拆卸、組裝、運(yùn)維保養(yǎng)；(3)整體結(jié)構(gòu)比較緊湊，能夠根據(jù)需要拆卸設(shè)備，向井下工作面分批運(yùn)送，并在井下組裝方便運(yùn)輸[15]。而且此設(shè)備可以達(dá)到很遠(yuǎn)的注漿距離，滿足任何工作面范圍內(nèi)所在位置的注漿泵送工作需要；(4)整個施工過程十分省力高效，可以在設(shè)備列車中放置，鋪設(shè)注漿管路在單軌吊、電纜槽，跟隨工作面隨之移動，十分省力高效。

3.3 裝置技術(shù)參數(shù)

在礦采工作面應(yīng)用煤礦高分子材料，以GB/T 9234—2018《機(jī)動往復(fù)泵》、DZ/T 0090—2017《地質(zhì)鉆探往復(fù)式泥漿泵》、《煤礦安全規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)為主[16]。(1)在基本技術(shù)要求方面，要在滿足上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定外，確保在高分子材料注漿過程中，配置專用的泄漏漿液與閥排漿液回收裝置；還要保證此裝置的外露設(shè)備，杜絕應(yīng)用輕金屬材質(zhì)[17]。(2)在裝置安全要求方面，一定要確保此裝置的完整結(jié)構(gòu)，必須包含作為動力裝置存在的注漿泵，材料噴涂的專用軟管、噴漿管還有混合裝置等[18]。另外，還要具有安全閥、單向閥、三通閥、壓力顯示裝置，所納入的裝置都應(yīng)符合安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范所要求的安全標(biāo)志。應(yīng)控制注漿配置單向閥門開啟壓力在1 MPa以內(nèi)，保證閥門開啟的安全可靠[19]。(3)在注漿工藝流程中，一定要保證整個注漿過程安全性，明確裝置各設(shè)備生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，確定各重要參數(shù)包括注漿速率、組分配比、材料固化用時等，這樣可以方便在實(shí)際操作中符合裝置技術(shù)要求[20]。(4)由于考慮到礦采工作面所用高分子材料的輸送特殊性，一定要嚴(yán)格審查注漿裝置的產(chǎn)品說明書，確保注漿裝置的具體操作參數(shù)，如成分、密度、配比、黏度等，具體如表1所示。

表1 一體化注漿裝置關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)Tab.1 Key technical parameters of integrated grouting device

4 注漿裝置布置及效果試驗(yàn)

4.1 布置方案

根據(jù)工作面的基礎(chǔ)情況和2巷道的具體條件，為了盡可能滿足高分子材料的特殊注漿技術(shù)要求，需要在鄰近工作面設(shè)備列車中布設(shè)注漿裝置。以工作面長度距離，設(shè)備列車和工作面之間的間隔為標(biāo)準(zhǔn)，確定輸料管道的具體路線，輸送每一趟可以維持距離約400 m比較適宜，沿著工作面的電纜槽還有單軌吊鋪設(shè)即可，確保系統(tǒng)可以跟隨工作面設(shè)備共同移動。防火材料在工作面輸送管路鋪設(shè)中，可以按照20 m為一個間隔，設(shè)計1組三通與截止閥，方便就近接管進(jìn)行注漿；圖2為本次注漿裝置的管路布設(shè)情況[21]。

圖2 注漿裝置布置圖Fig.2 Layout of grouting device

4.2 效果試驗(yàn)

根據(jù)綜采工作面正式開始試采之后，經(jīng)40 d開采共計回采16 m，之后基本停采2個月。在整個綜采工作面停采狀態(tài)下，初采約18 m采空區(qū)的整體放煤量較少，采空區(qū)的垮落遺煤量相對較大，考慮到無法進(jìn)一步確定這個工作面的開采路線，因此制定應(yīng)對現(xiàn)狀的防止煤自燃措施。在工作面內(nèi)灌注普瑞特I級防火材料預(yù)防措施，運(yùn)用設(shè)計的一體化注漿裝置完成注漿[22]。

4.2.1最高反應(yīng)溫度

因?yàn)榭紤]到所用高分子材料的特性，以及在開采工作面的反應(yīng)特征，最高溫反應(yīng)變化情況，與不同實(shí)驗(yàn)方法對比，將1%的水加入注漿裝置中，分析不同質(zhì)量加固材料的反應(yīng)溫度情況；結(jié)果如表2所示。

表2 聚氨酯高分子材料反應(yīng)溫度Tab.2 Reaction temperature of polyurethane polymer materials

由表2可知，在未加水情況下，A、B各組基本需要1.5 min的凝膠時間，但是加水發(fā)現(xiàn)2組材料凝膠用時維持在2 min；在未加水前提下，設(shè)定材料的最高環(huán)境溫度在23 ℃時，A、B組的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，200、250、2 000 mL的A/B組反應(yīng)， 在整個反應(yīng)過程中溫度基本維持在131～135 ℃；在2組均未加水前提下，處于23 ℃溫度環(huán)境中進(jìn)行分子材料測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)A/B反應(yīng)分別在200、250、2 000 mL這3種不同加水量時，材料反應(yīng)的溫度維持用時隨著加水量增加而隨之增加；在分別給A、B組加水之后，在23 ℃環(huán)境溫度中測試反應(yīng)，A/B組的具體反應(yīng)溫度已經(jīng)明顯增至140 ℃以上。隨著反應(yīng)溫度增加，材料也開始逐漸出現(xiàn)發(fā)泡反應(yīng)，材料體積更是在短時間之內(nèi)急劇增加，隨之增加了材料反應(yīng)的所需耗時，縮減了降溫用時；在對A、B組加水之后，分別在23 ℃反應(yīng)環(huán)境溫度中展開測試，均為200、250 mL測試A、B組反應(yīng)，隨著反應(yīng)用料的不斷增加，相應(yīng)的也隨之增大了反應(yīng)保溫用時，但與此同時也增加了降溫用時[23]。

4.2.2阻燃試驗(yàn)

為了測試注漿高分子材料的阻燃性，以MT113標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)操作為依據(jù)，對比在材料中加水之后的阻燃性是否發(fā)生改變。表3為本次聚氨酯高分子材料的阻燃性，在加水后的具體變化，能夠從中看出A組分材料內(nèi)，將1%水加入后發(fā)生膨脹變形情況，證明降低了材料的阻燃性能，用于礦采工作面部分項目無法達(dá)標(biāo)，因此加入1%水會在一定程度上影響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

在工作面的路線全長鉆孔灌注普瑞特防滅火材料，對采空區(qū)遺煤要大面積覆蓋，這一材料形成了良好膠體保水性，在所覆蓋區(qū)域達(dá)到持久隔氧、降溫與濕潤作用。注漿過程中還有注漿之后，在夾間CO體積分?jǐn)?shù)所發(fā)生的變化趨勢如圖3所示。

圖3 支架位置CO體積分?jǐn)?shù)變化情況Fig.3 Changes of CO volume fraction at stent location

從圖3可以看出，所用高分子材料的安全性能較高，有效防止井下自燃；同時也體現(xiàn)了所設(shè)計的一體化注漿裝置的施工兼容性，提高整個礦采工作面的生產(chǎn)效率。

4.2.3注漿裝置輸出特性

1)氣動注漿輸出

為了測試設(shè)計的一體化高分子氣動注漿裝置的輸出特性，試驗(yàn)中選取了脲醛樹脂發(fā)泡材料、聚氨酯材料和硅酸鹽改性聚氨酯材料3類高分子注漿材料，分別在充填密閉、煤巖加固、煤巖體加固特定使用。設(shè)計試驗(yàn)條件在0.5 MPa注漿裝置供氣壓，分別設(shè)定2、6和12.5 MPa 這3種特定注漿壓力，20 ℃環(huán)境溫度；表4為氣動注漿裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)最終試驗(yàn)結(jié)果。

表4 氣動注漿裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4 Test data of pneumatic grouting device

2)液壓注漿輸出

為了測試設(shè)計的一體化高分子液壓注漿裝置的輸出特性，試驗(yàn)中選取了脲醛樹脂發(fā)泡材料、聚氨酯材料這兩類高分子注漿材料，分別在充填密閉、煤巖加固、煤巖體加固特定使用。設(shè)計試驗(yàn)條件0.24、5、7.8和10 MPa注漿裝置壓力條件，20 ℃環(huán)境溫度；獲得注漿裝置流量試驗(yàn)結(jié)果，具體如表5所示。

表5 液壓注漿裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.5 Test data of hydraulic grouting device

由表5可知，高分子材料的不同黏度，清水材料依然作為最大輸出流量；而聚氨酯材料則較小，尤其在注漿壓力條件過高時，輸出流量逐漸遞減。

5 結(jié)語

通過上述設(shè)計煤礦用高分子材料一體化注漿裝置，結(jié)合高分子材料性能特點(diǎn)，分析了開采工作面的實(shí)際注漿難點(diǎn)，按照20 m為一個間隔，設(shè)計1組三通與截止閥，方便就近接管進(jìn)行注漿，滿足高分子材料在制漿、注漿環(huán)節(jié)的技術(shù)要求，快速高效發(fā)揮高分子材料的安全特性，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

(1)高分子材料用于礦采工作面時，溫度會很大程度影響閃點(diǎn)，加水量與最高反應(yīng)溫度、凝膠用時正相關(guān)；

(2)將1%水加入后發(fā)生膨脹變形情況，證明降低了材料的阻燃性能，用于本次礦采工作面部分項目無法達(dá)標(biāo)，因此加入1%水會在一定程度上影響高分子材料的阻燃性；

(3)高分子材料的安全性能較高，有效防止井下自燃，同時也體現(xiàn)了所設(shè)計的一體化注漿裝置的施工兼容性，提高整個礦采工作面的生產(chǎn)效率。