聚氨酯加固煤岩预防采场冒顶技术

【摘要】本文主要阐述了聚氨酯加固煤岩相关参数的确定、设备应用与工艺流程等技术问题。

【关键词】聚氨酯；煤岩；采场冒顶；技术

为了预防采场顶板事故，保证采煤生产的正常进行，许多煤矿采取了一系列防冒顶措施，而因煤矿采煤生产的特殊性，矿山压力活动规律的复杂性，事故发生的随机性和偶然性，在采煤生产过程中，还难免出现冒顶事故。因此，必须对冒顶前的预兆认真进行识别和掌握，采取有效措施，减少生产事故的发生。

在国际上主要采煤国家都利用聚氨酯从钻孔注入采场顶板和煤层，使聚氨酯渗透到煤岩的裂隙（裂缝）中，经过固化使破碎的煤岩胶结成整体，避免煤壁片帮和顶板冒落。聚氨酯是一种粘结材料，我国在井下作过试验及应用。聚氨酯是由多元醇聚醚和多异氰酯反应而生成的三种固体的发泡的合成材料。聚氨酯在反应固化过程中产生CO2气体，并产生一定压力，推动聚氨酯向煤岩裂缝深处扩散，使固结面积增大。聚氨酯的黏度很低，渗透能力强，对压注有利，加固效果很好。聚氨酯反应产生CO2使其发泡，体积膨胀增加到2-5倍，发泡后的抗压强度仍能保持在0.05-0.10Pa/cm2之内。

由于地质条件不同，可采用不同的配方调节发泡时间和硬化时间。聚氨酯具有一定的可塑性和韧性，在压力和剪力高时，岩层裂隙内的聚氨酯也不会丧失其内聚力。聚氨酯黏结性强，对煤、岩、木材等都有很好的粘结性。发泡硬化后的聚氨酯的黏结性不会由于岩石错动而受到影响。聚氨酯注入钻孔后3-5min开始反应，15-20min发泡，反应结束，2-3h后就能达到足够的强度。

1、相关参数的确定

（1）钻孔布置方式随加固对象和要求的不同而不同。如加固工作面上下出口时，要从回风巷或运输巷打平行于工作面的钻孔；加固煤壁或顶板时，可打垂直于工作面向煤壁或顶板的钻孔。钻孔方向平行于层理的效果不如倾斜的效果好。

（2）孔深取决于日进度。每日仅加固一次，要求孔深略大于日进度，要比日进度长0.5-1.0m。而钻孔不可过深，不然会影响深部的药液效果。

（3）孔间距取决于聚氨酯的扩散半径和要求形成加固带的最小深度。扩散半径又和煤岩层的破碎程度、裂隙的发育程度、注入压力、注入时间等参数有关。在煤岩层的破碎程度较严重、裂隙较发育时，聚氨酯的扩散范围呈较宽的锥形体，这时钻孔间距应稍大些，孔距4.5m较为合适。

（4）注入压力取决于聚氨酯的黏度和裂隙的发育程度。在破碎煤岩层中，注入压力过高能使原有裂隙扩展，所以，最大压力不可高于0.08-0.09Pa/cm2。

（5）注入时间的长短影响其扩散半径，而又受硬化时间的限制。按煤岩温度的不同，每个钻孔注入聚氨酯的时间由几分钟到几十分钟。

（6）聚氨酯注入量的与钻孔深度、孔间距及固结岩体的破碎程度相关。煤层中压注时，每米钻孔的注入量通常为10-15kg；在岩层中压注时，每米钻孔的注入量为10～15kg。

2、设备应用与工艺流程

钻孔设备有一般使用的凿岩机或煤电钻、钻杆和钻头等。并配有两台VPEⅡ型齿轮泵，一台固定式2V-6/8型空气压缩机，风马达一台，数台BGW42K-2型封孔器和BS型送料管、VL型加长管。

利用聚氨酯加固煤岩时的压注工艺流程如图1所示。由空气压缩机15出来的压缩空气，经旋塞1，通过器2带动风马达3，风马达由通过联节轴同时带动齿轮泵6和7， 两泵分别将液箱12中的多元醇聚醚和多异氰酸酯经三通接头、送料管8、封孔器9、加长管13和单向阀14压入钻孔。

1—旋塞；2—器；3—风马达；4—压力表；5—单向阀；

6、7—齿轮泵；8—送料管；9—封孔器；10—过滤器；11—换向阀；

12—液箱；13—加长管；14—单向阀；15—空气压缩机

在压注聚氨酯前，要检查封孔器是否把钻孔封闭，液箱清洁与否，系统的可靠性，压注管路系统连接正确、牢固、畅通与否。经检查全部合格后，即可开动风马达驱动齿轮泵运转，进行压注。在压注过程中，有时由于钻孔封闭不严或裂隙较大会发生聚氨酯从钻孔或裂隙中流比的现象，应采取以下办法处理：减小风马达速度，降低聚氨酯的注人量；改变聚氨酯的配方，加快聚氨酯的反应速度，缩短固化时间；暂停压注，等聚氨酯稍硬化后，再继续压注。

每一钻孔注完液后，先将风马达速度调慢，把多异氰酸酯回流管放到该种液体箱中，再将换向阀手把打到回流位置，此时只有多元醇聚醚继续向钻孔注入，以冲洗送料管。冲洗后停风停泵，拆除送料管，进行下一个钻孔的压注。在液压工作全部完成后，除了要对送料管、混合器、高压软管彻底清洗外，还必须让泵高速运转，直到流出透明的多元醇聚醚止。若压注工作中断7天以上，要用油把泵中的多异氰酸酯置换出来。压注完毕后的钻孔，把封孔器从钻孔中拉出，并用木塞把钻孔封闭。

参考文献

[1]郭奉贤.煤矿开采与掘进.北京：煤炭工业出版社，2008.10

[2]胡贵祥.采煤概论.徐州：中国矿业大学出版社，2007.8

[3]阎海鹏等.采煤工艺.徐州：中国矿业大学出版社，2009.5

[4]王建平等.矿山建设工程.徐州：中国矿业大学出版社，2007.10