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高分子注浆材料在我国矿区的应用现状及发展前景
冯志强1,2
(1.煤炭科学研究总院开采设计分院;
2.天地科技股份有限公司开采设计事业部)

摘要:随着矿井开采深度的增加,在煤矿巷道开挖和修复过程中,由于巷道围岩极其破碎,围岩松动破碎范围大,极易发生冒顶和片帮事故,既造成施工的不安全,又造成巷道断面不规整,影响矿井安全。化学浆加固是目前防治上述煤矿事故的有效措施。虽然化学浆在加固煤矿中破碎煤岩体效果显著,但是在注浆过程中还存在很多问题,急需加以完善,以便更好地应用于煤矿灾害防治中。本文详细从注浆材料以及注浆作用方面分析了以晋煤集团为代表,在注浆方面的应用及发展,并提出了今后化学注浆的发展方向以及化学注浆对整个行业产生的效益。
关键词:化学注浆;破碎煤岩体;充填密闭;注浆堵水。

前言
注浆技术从20世纪50年代以来得到迅速发展,已广泛应用于各类岩土工程。注浆材料分为水泥类和化学类材料,分别用于不同的工程类型。一般水泥类材料价格低,凝结后强度高,耐久性好,无毒。但浆液含固体颗粒,对微裂隙渗透能力低,易析水沉积,凝固时间长,效果差,适用于裂隙宽度大的岩土工程。化学材料浆液无颗粒,对微裂隙渗透能力强,凝胶时间可准确控制,适用于各类岩土工程。
20世纪70年代德国、美国、独联体、法国、波兰等采煤技术先进的国家,先后开发了化学注浆材料用于加固破碎煤岩体和井下防火和隔风。德国、美国以聚氨酯材料为主,独联体、法国、波兰主要使用脲醛树脂。材料年消耗量均在数千到上万吨以上,有效改善了破碎煤岩的整体稳定性,为矿井安全和高效生产提供了保障。
我国岩土注浆技术也已得到广泛应用。特别是1964年中国科学院广州化学所就研制成功了被誉为“20世纪魔水”的丙烯酰胺灌浆材料,应用于铁路隧道施工,取得了良好效果。此外,20世纪70年代以后,随着我国水利水电工程的迅猛发展,灌浆帷幕已发展成岩溶发育地区修建高坝的坝基防渗的主体处理措施。使用的材料有水泥类,包括:可灌入0.1mm裂缝的超细水泥和易保存的湿磨超细水泥;改性灌浆水泥和膏状水泥浆液。化学浆液包括:环氧类、聚氨酯类、丙烯酰胺类、甲基丙烯酸酯类、丙烯酸盐类、水玻璃类等。煤炭行业所用材料主要有水泥——水玻璃类;不饱和聚酯类;环氧树脂类;甲醛类树脂(包括脲醛树脂、三聚氧氰胺甲醛树脂、酚醛树脂);聚氨酯树脂。
但上述材料不能直接应用于矿山,特别是不能满足煤矿井下生产需要,主要表现为:① 煤矿井下环境潮湿,直接影响憎水材料的使用性能。② 加固后的破碎煤岩体要经受一次甚至多次剧烈的采动矿山压力影响,对材料固结后的体积收缩、粘结强度及抗压强度要求高。③ 生产安全要求,使用的加固材料必须具备高闪点、阻燃特性。④ 井下通风空间有限,要求材料析出的有害成份严格,以防对矿井造成污染。⑤ 井下破碎煤岩体虽有原生或采动影响形成的裂隙,但裂隙宽度小,难以采用无机类加固材料。⑥ 材料应具有速凝特性,实现化学加固与采掘施工快速推进相配合。⑦在煤矿掘进过程中以及回采作业遇到断层时 ,不可避免地会产生冒落 ,并在架后形成冒落孔洞,需要有发泡材料进行充填。
1 注浆加固作用分析
注浆是适用于破碎煤岩体加固的有效手段,已广泛应用于矿山、水利水电、交通、市政等领域涉及的岩土工程加固。
1.1 注浆综合作用
(1)注浆加固归纳起来有以下几方面作用:
1) 注浆加固巷道围岩,可利用浆液形成的胶结体封堵围岩裂隙,隔绝空气,防止围岩风化,且能防止围岩被水浸湿而降低围岩的本身强度;
2) 破碎煤岩体注浆后,在注浆范围内破碎岩块胶结成整体,提高了岩体内聚力、内摩擦角和弹性模量,从而提高了岩体强度,实现利用围岩本身作为支护结构的一部分;
3) 注浆使得支护结构面尺寸加大,围岩作用在支护结构上的载荷所产生的弯矩减小,从而降低了支护结构中的拉应力和压应力,因此能承受更大的荷载,提高了支护结构的承载能力,扩大了支护结构的适应性;
4) 注浆后使得作用在拱顶的压力能有效地传递到两墙,通过对墙的加固,又能把荷载传到底板;同时由于组合拱厚度的加大,能减小作用在底板上的载荷集中度而且减小底板岩石中的应力,减弱底板的塑性变形,减小底臌量。而底板的稳定,有助于两墙的稳定,在底板、两墙稳定的情况下又能保持拱顶的稳定;
5) 破碎煤岩体注浆后,强度与完整性得到显著提高,在此基础上进行锚杆支护,可显著提高锚杆的锚固力与可靠性,从而使锚杆的支护作用得到充分发挥;
6) 金属支架、砌碹支护基础上进行注浆,可以使壁后充填密实,保证荷载均匀地作用在支架或砌碹壁上,避免出现应力集中点而首先破坏,提高支架与砌碹的整体支护强度;
7) 充填围岩裂隙,配合锚喷支护,可以形成一个多层有效组合拱,即喷网组合拱、锚杆压缩区组合拱及浆液扩散加固拱,从而扩大了支护结构有效承载范围,提高了支护结构的整体性和承载能力;
8) 高应力、软弱破碎巷道底板经锚注加固后,阻止底板流变继续发生,使巷道两底角不会继续向里移动,从而有利两帮和顶板支护。
(2)注浆在密闭充填方面的作用。
在煤矿掘进过程中以及回采作业遇到断层时,不可避免地会产生冒落,并在架后形成冒落孔洞。这些孔洞经常造成瓦斯积聚,在具有自燃倾向的煤层还可造成自然发火。因此,只有及时填充这些孔洞,才能确保安全生产。我国煤矿通常采用在冒落地点架木垛、填沙浆等方法进行处理,但这些方法费时、费力、施工难度大,且不能保证真正消除事故隐患。因此开发为煤矿井下充填、密闭使用的泡沫材料不仅应用于填充矿井冒落孔洞,还可应用于厚煤层分层开采和沿空送巷时的通风控制,并对消除砌壁、密闭等环节因漏风带来的自燃具有良好的控制作用。
1 ) 防止顶板的瓦斯积聚。
巷道顶板孔隙或孔洞是瓦斯积聚、引发爆炸危险的隐患之一。采用泡沫树脂充填后,可消除瓦斯积聚的空间,减少爆炸危险。
2 )防止突出或冒落孔洞等空隙漏风引起的自然发火。
煤矿采煤过程中,突出和冒落孔洞等空隙是引起煤层自然发火的主要漏风源(亦称火点 )。我国在《煤矿安全规程》中指出了封堵突出与冒落孔洞的具体措施,其中特别提到今后采用“泡沫树脂”等新型填充材料问题,采用泡沫树脂填充冒落带的方法。
3 ) 可作为巷旁充填材料使用。
在矿井掘进中,巷壁常常不规则,特别是穿过断层带时,不可避免地会产生冒落。出于安全上的考虑,必须用备板或其它材料进行支护与充填。目前,已采用高水材料充填等新措施,收到了良好的效果。
将泡沫树脂作为巷旁充填材料使用,具有如下特点:①充填工艺简单、易行,不必在背板后面留出充填空间;②泡沫树脂具有良好的弹性,由于支架与围岩紧密连接,使支架均匀受载,因此,它在顶板来压时可以起到较好的缓冲作用,几乎可以排除煤岩垮落事故;③用泡沫树脂充填了绝大部分的孔洞与裂隙,可避免背板后面的瓦斯积聚;④泡沫树脂具有较低的透气性,可减少大量漏风,改善工作面的通风状况。
4) 用作临时密闭。
采用泡沫树脂作临时密闭,具有迅速、简单、灵活、漏风小等优点。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,即使顶板来压或去压,均可达到较好的防、堵漏风的效果。以神华集团神东公司为例,由于该公司基本上所有的矿井在掘进过程中都是采用连续采煤机作业,而连续采煤机掘进的优点是掘进速度快,最高双巷能达到月进尺4000米。但是带来的主要问题就是增加了联络巷,最少每隔50米就需要增加一道联络巷,而联络巷的形成对通风是不利的。因此在数千米的巷道中联络巷的数量达到近百个,这样必须对联络巷进行充填密闭以控制调节风量。
(3)注浆在巷道及井筒堵水方面的作用。
随着开采深度加大,矿井涌水量将不断增加,破碎煤岩体中的节理、裂隙等不连续面正好是导水通道,造成煤岩体内含水量大,顶板出现淋水,使顶板管理更加困难。通过高分子材料注浆能快速有效的封堵矿井涌水及大范围淋水,对矿井安全生产将有重要意义。
1.2 注浆参数的确定
注浆参数的确定包括以下方面:
(1) 注浆压力。注浆压力是浆液在围岩中扩散的动力,它直接影响注浆加固质量和效果。注浆压力受岩层条件、注浆方式和注浆材料等因素的影响和制约。注浆压力的选择应注意压力过高会引起劈裂注浆,很可能在注浆过程中导致围岩表面片帮冒顶等破坏。如压力过小浆液难以向四周围岩中扩散。因此,正确选择注浆压力及合理运用注浆压力是注浆成败的关键。对水泥浆液加固,一般在2MPa左右。岩石完全破碎、冒落时可选用<0.5MPa,严重破碎情况<1MPa,裂隙开裂较小可采用1~2MPa。对于渗透性差的岩石,可以采用增密注浆孔的办法解决。
(2) 注浆量。裂隙的发育状况是影响注浆难易程度的重要因素。由于围岩裂隙发育,松动范围的不均匀性和围岩岩性的差异,围岩吸浆量差别较大,所以应既有效的加固围岩达到一定的扩散半径,又节省注浆材料和注浆时间。
(3) 注浆时间。为了防止注浆在围岩裂隙孔隙发育的巷道内浆液泄漏,注浆时在控制注浆压力和注浆量的同时,还要控制注浆时间,注浆时间不宜过长。裂隙、孔隙、层位不发育的围岩,吸浆速度较慢,浆液扩散较困难,为了提高注浆效果,必须在提高注浆压力的同时适当延长注浆时间。
(4) 浆液扩散半径。浆液在岩石裂隙中的扩散实际上是不规则的,它随着岩层渗透系数、裂隙宽度、注浆压力、注入时间的增加而增大,随着浆液浓度和粘度的增加而减小。通常以调节注浆压力、浆液注入量和浓度等参数来控制浆液扩散范围的大小,一般要求其扩散半径在0.8~1.0m以上。
(5) 注浆孔的布置。注浆孔的孔间距主要由渗透半径决定。浆液的渗透半径与岩石性质、破坏状态、注浆压力、浆液性质及粘度等因素有关。它的变化范围很大,所以主要还是由实地试验的数据作依据。用于巷道稳定的加固性注浆,由于眼浅、压力低,所以孔眼距一般在2~3m以内。注浆孔的眼距应使两个注浆孔的渗透范围有一定交叉,所以应比二倍渗透半径小,取大约0.65~0.75的系数。
(6) 注浆深度确定。注浆深度应深于破碎区边缘进入峰后强度区较合适。注浆深度尽量深,有利于降低对注浆强度的要求,同时,此范围裂隙发育,注浆条件好,注浆所需的压力要求也低。
2 我国煤矿矿井巷道现状及措施
以晋煤集团为例,作为国内亿吨级大型矿区,大部分矿井地质构造多、含水量大、煤层瓦斯含量高。以赵庄矿为例,3#煤层煤质松软,顶板含厚度不稳定的泥岩层。由于巷道围岩条件复杂,随着矿井生产建设的发展,包括矿井开拓巷道、准备巷道和回采巷道在内,都出现了不同程度的变形甚至破坏,采掘动压影响导致巷道变形加剧,尤其是服务期长的矿井开拓巷道和准备巷道,严重的变形破坏已影响矿井安全正常生产。为确保复杂地质条件及高地应力条件下的巷道支护安全,巷道支护在采用强力锚杆、强力锚索支护系统基础上,对巷道破碎围岩进行注浆加固技术研究,是确保矿井安全正常生产的基础。
2.1 矿井巷道基本现状
以晋煤集团为例,大多矿井巷道的明显特点是采动压力影响范围大、巷道受采动影响时间长,滞后影响范围远大于超前影响范围。围岩变形速度将逐渐加快。巷道围岩受采动影响后,随时间推移两帮移近量和移进速度会加快。
强烈的矿山压力无疑来自顶板的整体下沉,但根据现场围岩内部结构分析,引起巷道破坏变形的主要原因,是因为顶煤松软以及两帮围岩强度低。对于赵庄及昌平煤矿巷道两帮及顶煤为3#煤,单轴抗压强度8.2~18.1MPa,承载能力较低,初始支护强度和刚度不足以抵抗多次掘进与回采过程强烈的采掘动压影响。留巷巷道经受自身掘进和服务两个工作面回采过程的动压影响,会产生回采及掘进影响期的巷道变形。
随着巷道变形量增加,巷道围岩破坏深度会向内部扩展,并由表及里逐步失去承载能力,两帮破碎围岩失去约束后在强烈的矿山压力作用下加速向巷道内部移动。两帮围岩整体外移并失去承载能力的过程,导致实际意义上的巷道顶板无支护宽度增加,造成顶板的整体下沉。大范围顶板下沉形成的强烈矿山压力进一步挤压两帮破碎围岩,最终将引起加剧两帮围岩移近或产生底鼓。
综合分析晋城矿区包括赵庄煤矿、昌平煤矿、寺河以及成庄煤矿巷道围岩变形情况,造成巷道围岩变形的主要影响因素包括:
⑴ 岩层条件—巷道围岩整体强度低。煤层大巷两帮为软煤,底板为泥岩,直接顶多为厚度不均匀的泥岩,揭露后易风化且呈碎块状。
⑵ 地质构造—构造区围岩完整性遭到破坏。断层、陷落柱及褶曲等构造区域。
⑶ 采掘动压—赵庄矿采掘动压显现剧烈。已回采的工作面均对50m外的双工作面共用巷造成强烈影响,两帮移近2~3m,底臌约2m,顶板整体下沉。
具有典型代表性的赵庄煤矿12043巷,04工作面回采结束后将作为北一盘区回风巷,服务于盘区后期回采。04工作面回采前进行了详细围岩结构调查,从现场调查情况看围岩结构表现出以下特征:
① 巷道表面变形较小的情况下,两帮围岩破坏深度大。部分地段甚至全钻孔深度均不同程度开裂离层,已远超过锚杆的有效锚固深度。
② 巷帮不同深度破坏后状况不同,一般浅部连续开裂,中间较完整,靠孔底约1m存在微裂隙或直接开裂。
③ 巷帮围岩强度变化明显,一般浅部2~3m范围内呈块状破碎,裂隙开度较大;中部3~5m范围内围岩松软,孔壁呈粉状破碎,裂隙开度小;深部6m以上一般呈现为微裂隙,岩性硬度增加。
④ 顶板离层深度普遍在4m左右,不同部位顶板完整性差异较大。
⑤ 顶板深部目前尚普遍较完整,但浅部离层导致锚杆对顶板的约束力较低。
⑥ 不论帮顶围岩破坏深度大小,裂隙开度普遍较小,煤体可注性较低。
2.2加固修复总体原则
综合分析该巷道的特点和围岩结构,注浆超前加固施工必须在有效恢复围岩完整性的基础上,提高巷道围岩的整体性和围岩的力学指标。注浆的目的是充填粘结受采掘影响后,巷道围岩离层、开裂形成的裂隙,将破碎的巷道围岩进行重新组合,尽量恢复并构成完整的岩体结构,进而形成连续的传力结构体,以有利于锚杆锚索加固时力的传递,大幅度提高加固质量和效果。注浆后,破碎围岩基本上恢复连续状态。
2.3 注浆材料选择
目前,国内外用于注浆加固的材料很多,但从材料的性质上主要分两大类:颗粒型无机浆材和溶液型化学浆材。应根据注浆的目的、浆材性质及造价等因素选择适宜的浆材及浆液配比。
典型的颗粒型硅酸盐类水泥浆材,具有结石强度高、耐久性好、材料来源丰富、工艺设备简单、成本低、注浆设备品种齐全等特点,所以在各类工程中得到广泛应用。但这种浆液容易离析和沉淀、稳定性较差,并且由于其颗粒度大,浆液难以注入岩层的细小裂隙或孔隙中,扩散半径较小,凝结时间不易控制。适用于要求强度高,松散、离层明显的破碎体加固。
化学浆液可注性好,能注入土层中的细小裂隙或孔隙,用于破碎离层区加固时,可提高破碎体整体性,并可改善破碎围岩的力学性能。适用于裂隙开度较小的破碎区加固。
针对晋煤集团各矿井的特点是围岩煤层软,裂隙不发育,目的在于提高围岩的承载能力,从而控制围岩的变形,要求加固后采动影响过程中有效控制巷道断面。上述目标要求浆材结石体应具有较高强度和较强的抗变形能力。根据围岩变形情况和工程目的,宜采用天地科技股份有限公司生产的固瑞特系列化学注浆加固材料,该材料具有较强的渗透性和较高结石体抗压强度,完全满足该加固工程的需要。
注浆材料具有以下特点:
(1)属于双组分注浆加固材料;
(2)室温条件下的粘度为:50~100Cp;
(3)结石体抗压强度高达40~55MPa;
(4)裂隙面有较强的粘结力,粘结强度5~10MPa;
(5)固结体韧性好,压缩20-30%也不脆裂。
3 我国煤矿在注浆材料与技术方面的发展方向
以晋煤集团为例,目前在注浆方面已与部分企业、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,但需进一步与科研单位深入开发适合晋煤集团矿区特点的注浆材料。其要求:
(1) 无毒催化剂的研制。(因为目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,而且基本上所有的这些外加剂都有毒或有强的腐蚀性)
(2) 无溶剂型浆材的开发。
(3) 水做介质的化灌浆材的研制。
(4) 新型高亲润、高渗透性注浆浆材的研究。
(5) 弹性化学浆材的开发(包括低温反应,高发泡化学材料的开发)。
(6) 耐久性浆材的开发(包括耐水、耐酸碱、耐气候、耐紫外光、耐冻融和干湿循环、耐磨蚀、耐微生物作用 (霉 )等方面)。
(7)在极破碎煤岩体条件下,成孔往往比较困难。因为在钻孔过程中或钻杆抽出钻孔后很容易造成塌孔,导致注浆管无法深入钻孔,完成注浆加固工作或者化学加固施工速度比较慢,不能满足快速采掘的要求,施工机具和工艺有待于改进、完善和提高。
4 化学注浆对我国矿井产生的效益
随着开采能力的提高、老矿井采深的增加,以及综采放顶煤开采技术的大面积推广应用,极破碎、含水围岩条件煤矿的数量和分布范围连年增加和扩大。极破碎、富含水和淋水条件煤岩体占煤矿回采工作面与巷道工程总量的比例逐年增高。这类围岩稳定性差、极易冒落,不采取超前加固和高冒区充填等措施,无法进行正常的回采与掘进。对该类煤岩体的治理已成为当前采掘施工中的焦点问题。
从经济效益讲,快速、有效、经济地完成上述极破碎煤岩体加固以及破碎带架前高冒区和采空区瓦斯积聚区的充填和密闭,显著提高煤岩体的稳定性、降低采掘空间维护成本、明显提高回采和掘进速度以及矿井的安全,有利于矿井实现高产高效;从社会效益方面,通过化学注浆确保采掘空间的稳定性和安全程度,降低了瓦斯积聚和煤层自燃的隐患,保证工程施工人员的人身安全,避免顶板冒落和瓦斯突出爆炸事故的发生以及给社会造成的极坏影响。


参考文献:
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[4] 冯志强,康红普. 破碎煤岩体化学注浆加固作用机理分析及应用[J].煤炭科学技术。2008.10.


[发布日期:2010/12/10] [关闭窗口]