煤矿井下快速构筑水闸墙的方法高新技术产业化
发布日期：2011-03-31
煤矿井下快速构筑水闸墙的方法高新技术产业化
成果报告
成果概要：目前，在软煤层尤其是三软条件下掘进巷道发生高压大流量突水时，采用的混凝土构筑水闸墙、水泥注浆加固巷道外墙的方法工程量浩大，作业困难，施工速度慢，等待时间长；另外，混凝土、水泥注浆在固结过程中会产生收缩，且水泥浆的渗透性不好，水泥与煤体的粘结性较差，粘结强度也低，往往水闸墙建成后漏水量大，甚至造成工程失败。本项目克服了现有的用混凝土构筑水闸墙、用水泥浆注浆加固巷道围岩方法的弊端，而提供一种软煤巷道高压涌水条件下快速构筑水闸墙的方法，用波雷因化学堵水与加固材料构筑水闸墙墙体，对巷道围岩进行注浆加固。墙体筑成后，可马上关闭导水管阀门，承受高水压，该方法快速、安全、高效，给员工安全升井提供了时间保障，为抢险赢得宝贵时间，保证了矿井安全；一般可使采区提前2～5个月投产，保证了矿井生产效益。不仅减少了矿井排水电费，还保护了矿井地下宝贵的水资源，延长了矿井服务年限，保证了矿井的可持续发展，对提高矿井生产安全及煤炭行业的技术经济效益具有十分重要的现实意义。对我国煤矿行业乃至整个国民经济的可持续发展都具有重要意义，其应用前景十分广阔。
1. 项目概要
1.1 项目单位基本情况
截止2009年12月底，河北同成矿业科技有限公司总资产3532万元，净资产2020万元，资产负债率42.82%。2009年全年销售收入7689万元，利润631万元。河北同成矿业科技有限公司位于河北省邢台市高新技术开发区，是目前国内煤炭行业综合性的专门从事煤矿安全新产品研制、新技术开发和井下工程施工的科研型高新技术民营企业。通过ISO9001:2008国际质量管理体系认证。在册职工220人，现有各类技术人员90余人，其中高级工程师18人，硕士3人，博士1人。下设注浆材料加工厂和机电产品加工厂。公司成立8年来，企业持续健康发展，累计承担了河北省科技厅以及煤炭企业招标委托的项目1000余项，取得科技成果200余项，获国家专利10项， 3项科研成果达到国际领先或国际先进水平，发表学术论文30余篇(其中EI收录3篇)。2006年及2008年，公司被评为河北省高新技术企业、先进科研单位和纳税先进单位，2007年，公司全面实施ISO9001质量过程管理，以高质量的产品和完善的服务，为煤炭事业的科技进步、为创新型国家与和谐社会的建设做出了应有贡献。本项目自2008年在河北、河南等地正式投产，已取得良好的经济效益和社会效益，正在全国范围内大力推广。
1.2 项目实施背景
随着煤层开采深度的不断增大,我国煤矿突水事故频频发生,面临的水害形势日趋严峻。它不仅延误工期、影响工程质量，甚至还危及人员安全。目前，在软煤层尤其是三软条件下掘进巷道发生高压大流量突水时，采用的混凝土构筑水闸墙、水泥注浆加固巷道外墙的方法工程量浩大，作业困难，施工速度慢，等待时间长；另外，混凝土、水泥注浆在固结过程中会产生收缩，且水泥浆的渗透性不好，水泥与煤体的粘结性较差，粘结强度也低，往往水闸墙建成后漏水量大，甚至造成工程失败。本项目的推广应用克服了现有的用混凝土构筑水闸墙方法的施工速度慢、可靠性差弊端，而提供一种软煤巷道高压涌水条件下快速构筑水闸墙的方法，用波雷因化学堵水与加固材料构筑水闸墙墙体，并对巷道围岩进行化学注浆加固。化学墙体筑成后，可马上关闭导水管阀门并承受高水压，采用该方法施工水闸墙具有快速、安全、高效的特点。通过快速构筑水闸墙防止涌水范围进一步扩大，给井下作业人员安全升井提供了时间保障，为抢险赢得宝贵时间，保证矿井生产安全。此外，相比于混凝土水闸墙，采用快速构筑的化学水闸墙的方法可大幅度减少矿井的淹井机率，保护矿井宝贵的煤炭资源，延长矿井服务年限，保证矿井的可持续发展，对我国煤矿行业乃至整个国民经济的可持续发展都具有重要意义，其应用前景十分广阔。
2. 项目主要内容
2.1技术来源：
本项目技术来源是河北同成矿业科技有限公司自主研发的技术，企业拥有自主知识产权。已获国家发明专利。专利号是：ZL200610012790.0。
2.2技术特色：
本技术克服了目前常用的混凝土构筑水闸墙方法施工速度慢、可靠性差的弊端，提供了一种在软煤巷道高压涌水条件下快速构筑水闸墙的方法。用波雷因化学堵水与加固材料构筑水闸墙墙体，用波雷因化学堵水与加固材料对巷道围岩进行注浆加固。主要有以下技术特色：
1） 一般掘进巷道发生高压大流量突水时，采用的混凝土构筑水闸墙、水泥注浆加固巷道外墙的方法工程量浩大、作业困难，施工速度慢，混凝土水闸墙完工后还得必须等待28天的强度龄期才能正式投入使用。而采用化学材料水闸墙的方法待墙体筑成后，可马上关闭预先留设的导水管阀门并让水闸墙马上承受高水压，从而实现了井下水闸墙的快速、安全、高效施工。
2） 采用波雷因化学材料快速构筑的水闸墙，其墙体强度和抗水性明显提高，因而可取消所有墙体迎水端和背水端的浇筑混凝土护巷，从而可以进一步提高水闸墙的施工速度。
3） 由于可以对巷道围岩及墙体与巷帮之间空隙进行化学注浆加固，并保证水闸墙墙体与巷道围岩的整体性，因而无需对巷道围岩进行掏槽，又可进一步提高构筑水闸墙的速度。
4）软煤巷道快速构筑水闸墙的技术采用了新产品-化学注浆材料波雷因，是一种有机高分子双液注浆材料，浆液应该具有较高的粘合力和较好的机械性能，与岩层有较好的亲和力，固结体的柔韧性能承受一定的地层变形，材料注入岩层后，低粘度混合物保持几秒钟，渗透进入细小的裂缝膨胀。
5）采用了新工艺，临时挡水墙、实体临时挡水墙、充填段、主体水闸墙的每段长度，按波雷因与骨料的粘结强度以及巷道两边围岩的粘结强度和涌水水压设计计算确定，波雷因与骨料以及巷道两边围岩的粘结强度应大于涌水水压。
2.3 快速构筑水闸墙施工工艺
软煤巷道高压涌水条件下快速构筑水闸墙的方法，通过下述五个步骤进行（图1）：
1） 构筑临时挡水墙1，首先预埋导水管6，然后将粘土装入粘土袋内，用粘土袋垂直运输巷垒筑临时挡水墙1，使大部分涌水被逼入安放好的导水管6内；
2） 构筑一道实体临时挡水墙2，首先在其前端垂直运输巷砌筑料石墙10，在料石墙与临时挡水墙1间，用不发泡波雷因做粘结剂、石料作骨料砌筑一道实体临时挡水墙2，墙体砌筑前巷道围岩至少设置一排螺纹钢树脂锚杆9，墙体砌筑中预埋上注浆管7，墙体砌筑后通过注浆管对其巷道围岩进行注浆加固；
3） 构筑充填段3，首先在其前端垂直运输中巷砌筑料石墙11，在料石墙11与实体临时挡水墙2间，改用发泡剂波雷因做粘结剂、矸石/石料做骨料砌筑充填段3，砌筑中预埋上注浆管7，砌筑后通过注浆管对其巷道围岩进行注浆加固；
4） 构筑主体水闸墙4，首先在其前端垂直工作面运输巷砌筑料石墙12，在料石墙12与充填段3间，再用不发泡波雷因做粘结剂、石料作骨料构筑主体水闸墙4，墙体砌筑前巷道围岩至少设置一排螺纹钢树脂锚杆9，墙体砌筑中预埋上注浆管7，墙体砌筑后通过注浆管对其巷道围岩进行注浆加固；
5） 主体水闸墙4外巷道内喷射混凝土3～5米，并设置至少为一排的注浆加固孔8，用封孔器封孔，用波雷因化学堵水与加固材料进行注浆加固。
图1
1-临时挡水墙2-实体临时挡水墙3-充填段4-主体水闸墙5-外巷道6-预埋导水管
7-预埋注浆管8-注浆加固孔9-螺纹钢树脂锚杆10-料石墙11-料石墙12-料石墙
2.4 技术主要优点：
波雷因化学材料快速构筑的水闸墙与煤岩体的粘结强度比水泥高数倍，墙体浇筑数分钟后，其抗压强度可达50MPa以上，抗水性明显提高。所述的临时挡水墙、实体临时挡水墙、充填段、主体水闸墙每段长度，按波雷因与骨料的粘结强度以及巷道两边围岩的粘结强度和涌水水压设计计算确定，波雷因与骨料以及巷道两边围岩的粘结强度应大于涌水水压。
2.5注浆材料的优点
同成矿业研制的专用于煤矿井下巷道或工作面破碎围岩高效改性聚亚胺树脂注浆加固和堵水的材料，其商品名为“波雷因”。波雷因材料是一种双液型注浆加固和堵水材料，由组分A及组分B两种组分组成，波雷因材料注浆加固后与围岩的结石体如图2所示。
图2波雷因材料结石体
1) A组分
组分A是由多异氰酸酯与端羟基化合物（改性石炭酸树脂）进行预聚反应而得。波雷因注浆加固材料与聚氨酯材料的本质区别就在于在组分A中加进了改性石炭酸树脂，与聚氨酯材料相比，增加材料抗氧化性及阻燃性，并相应降低了材料的成本。改性石炭酸树脂（PF）是苯酚与酫类物质在催化剂作用下合成的缩聚物树脂，其分子上的酚羟基和羟甲基均可以与异氰酸酯反应，如酚羟基与异氰酸酯反应可生成氨基甲酸酯化合物。
2) B组分
B组分主要由分子量较小的聚醚树脂、催化剂、溶剂、韧性剂、泡沫稳定剂、乳化剂、抗氧化剂和发泡剂等组分组成的混合溶液。
波雷因材料的反应体系是非常复杂的，在没有催化剂的参予下，组分A与组分B的反应速度是十分缓慢的，没有实际应用价值，必须加入催化剂才能使波雷因材料的反应具有实际应用价值。由于异氰酸酯是一个比较活泼的化学极性基团，能发生许多反应，而催化剂可以控制这些反应的程度，以满足不同注浆工程的需要。催化剂在波雷因材料反应体系中可以促进浆液凝胶过程中大分子链的增长反应速度。本研究选用胺类催化剂和有机锡的混合物作为催化剂，胺类催化剂和有机锡类催化剂不仅能各自对反应体系具有催化作用，更有价值的是当二者以适当比例混合使用时，其催化作用会大大加强，可获得交互效应。催化剂用量与浆液凝胶时间变化关系曲线如图3所示，随着催化剂用量的增加，反应凝胶时间降低到一定程度，催化剂作用显著降低。
总之，波雷因材料在注浆加固过程中的化学反应是非常复杂的，有主反应，也有副反应，有反应体系内各组份之间的反应、单组份的自聚反应，也有反应体系之间的反应。波雷因材料的主体成份和各助剂组份的选择及各组份间的比例关系，对反应产物凝胶体机械性能具有关键影响。
3经济效益与社会效益评述
目前我国约有18%待开采的煤炭储量受到较为严重的水害威胁。由此可见，煤矿的水害已成为影响煤矿安全的重大关键问题之一，对其进行防治工作具有十分重要和迫切的现实意义。
3.1 经济效益
本项目的实施对解决煤矿松软围岩条件构筑水闸墙难题具有十分重要的经济意义。水闸墙体筑成后，可马上关闭导水管阀门，承受高水压，该方法快速、安全、高效，给员工安全升井提供了时间保障，为抢险赢得宝贵时间，保证了矿井安全；一般可使采区提前2～5个月投产，保证了矿井生产效益。不仅减少了矿井排水电费，还保护了矿井地下宝贵的水资源及矿区生态环境，延长了矿井服务年限，保证了矿井的可持续发展，取得了非常显著的技术经济效益和社会效益。对提高矿井生产安全及煤炭行业的经济效益具有十分重要的现实意义。对我国煤矿行业乃至整个国民经济的可持续发展都具有重要意义，其应用前景十分广阔。
3.2 技术效益
注浆法是煤矿防治水的重要方法之一。注浆堵水就是采用注浆的方法将堵水材料（浆液）压注进围岩体及人工支护物的各种含水空隙（孔隙、裂隙或空洞）中。挤走空隙中的水分，浆液将在人为控制时间内凝固，并充填原来水分占据的空隙，当整个围岩含水渗流网络空隙通过注浆被充填密实后，围岩的抗渗性得到提高，地下水与井巷的水力联系被截断，从而达到注浆堵水目的。注浆后岩体的渗透性约为注浆前的1/10～1/100。
本课题研究成果具有很高的工程应用价值，围岩注浆快速构筑水闸墙是矿井井巷防治水并提高井巷稳定性的有效方法之一，具有减轻矿井排水负担、节省排水用电、降低吨煤成本、改善采掘工程劳动条件、提高功效和质量、控制突水几率、提高煤矿生产安全水平、有利于地下水资源保护和利用、延长矿井服务年限的明显优点。
3.3 其他影响
本项目的实施，使企业经营规模和生产规模明显扩大，将为社会提供更多的就业机会。项目通过税收和各种交费，每年可为国家财政多缴纳税金。随着项目的发展，将促进全国煤矿化学注浆行业快速发展，同时也会带动当地包装业、交通运输业等相关产业的发展，对工业的发展产生更大影响。
4. 持续改进措施
4.1强化市场营销策划能力，做好市场推广活动策划，使技术、产品在实用、便利、先进方面得到长足发展。通过先进的销售渠道保证销售额达到预期指标。
4.2 公司采取优化生产流程、控制原材料成本等方式，不断降低产品成本。使产品在价格上具有优势。
4.3 加大科技投入，公司应以目标市场为导向，加大科技投入，提高企业推广新技术、开发新产品的能力。，积极引进国内外的新技术、新材料，借鉴新模式、新经验，大力引进新工艺和新设备，提高产品的科技含量和附加值，不断提高企业和产品的竞争力。
4.4 定期对员工做好技能、企业文化、管理培训等工作，使员工不断的更新知识，开拓技能，保持一支积极向上、团结稳定的员工队伍。从而促进企业效率的提高。
