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煤礦井下快速構筑水閘墻的方法高新技術產(chǎn)業(yè)化

煤礦井下快速構筑水閘墻的方法高新技術產(chǎn)業(yè)化
　  成果報告
　  成果概要：目前，在軟煤層尤其是三軟條件下掘進巷道發(fā)生高壓大流量突水時，采用的混凝土構筑水閘墻、水泥注漿加固巷道外墻的方法工程量浩大，作業(yè)困難，施工速度慢，等待時間長；另外，混凝土、水泥注漿在固結(jié)過程中會產(chǎn)生收縮，且水泥漿的滲透性不好，水泥與煤體的粘結(jié)性較差，粘結(jié)強度也低，往往水閘墻建成后漏水量大，甚至造成工程失敗。本項目克服了現(xiàn)有的用混凝土構筑水閘墻、用水泥漿注漿加固巷道圍巖方法的弊端，而提供一種軟煤巷道高壓涌水條件下快速構筑水閘墻的方法，用波雷因化學堵水與加固材料構筑水閘墻墻體，對巷道圍巖進行注漿加固。墻體筑成后，可馬上關閉導水管閥門，承受高水壓，該方法快速、安全、高效，給員工安全升井提供了時間保障，為搶險贏得寶貴時間，保證了礦井安全；一般可使采區(qū)提前2～5個月投產(chǎn)，保證了礦井生產(chǎn)效益。不僅減少了礦井排水電費，還保護了礦井地下寶貴的水資源，延長了礦井服務年限，保證了礦井的可持續(xù)發(fā)展，對提高礦井生產(chǎn)安全及煤炭行業(yè)的技術經(jīng)濟效益具有十分重要的現(xiàn)實意義。對我國煤礦行業(yè)乃至整個國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義，其應用前景十分廣闊。
　  1. 項目概要
　  1.1 項目單位基本情況
　  截止2009年12月底，河北同成礦業(yè)科技有限公司總資產(chǎn)3532萬元，凈資產(chǎn)2020萬元，資產(chǎn)負債率42.82%。2009年全年銷售收入7689萬元，利潤631萬元。河北同成礦業(yè)科技有限公司位于河北省邢臺市高新技術開發(fā)區(qū)，是目前國內(nèi)煤炭行業(yè)綜合性的專門從事煤礦安全新產(chǎn)品研制、新技術開發(fā)和井下工程施工的科研型高新技術民營企業(yè)。通過ISO9001:2008國際質(zhì)量管理體系認證。在冊職工220人，現(xiàn)有各類技術人員90余人，其中高級工程師18人，碩士3人，博士1人。下設注漿材料加工廠和機電產(chǎn)品加工廠。公司成立8年來，企業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，累計承擔了河北省科技廳以及煤炭企業(yè)招標委托的項目1000余項，取得科技成果200余項，獲國家專利10項， 3項科研成果達到國際領先或國際先進水平，發(fā)表學術論文30余篇(其中EI收錄3篇)。2006年及2008年，公司被評為河北省高新技術企業(yè)、先進科研單位和納稅先進單位，2007年，公司全面實施ISO9001質(zhì)量過程管理，以高質(zhì)量的產(chǎn)品和完善的服務，為煤炭事業(yè)的科技進步、為創(chuàng)新型國家與和諧社會的建設做出了應有貢獻。本項目自2008年在河北、河南等地正式投產(chǎn)，已取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益，正在全國范圍內(nèi)大力推廣。
　  1.2 項目實施背景
　  隨著煤層開采深度的不斷增大,我國煤礦突水事故頻頻發(fā)生,面臨的水害形勢日趨嚴峻。它不僅延誤工期、影響工程質(zhì)量，甚至還危及人員安全。目前，在軟煤層尤其是三軟條件下掘進巷道發(fā)生高壓大流量突水時，采用的混凝土構筑水閘墻、水泥注漿加固巷道外墻的方法工程量浩大，作業(yè)困難，施工速度慢，等待時間長；另外，混凝土、水泥注漿在固結(jié)過程中會產(chǎn)生收縮，且水泥漿的滲透性不好，水泥與煤體的粘結(jié)性較差，粘結(jié)強度也低，往往水閘墻建成后漏水量大，甚至造成工程失敗。本項目的推廣應用克服了現(xiàn)有的用混凝土構筑水閘墻方法的施工速度慢、可靠性差弊端，而提供一種軟煤巷道高壓涌水條件下快速構筑水閘墻的方法，用波雷因化學堵水與加固材料構筑水閘墻墻體，并對巷道圍巖進行化學注漿加固。化學墻體筑成后，可馬上關閉導水管閥門并承受高水壓，采用該方法施工水閘墻具有快速、安全、高效的特點。通過快速構筑水閘墻防止涌水范圍進一步擴大，給井下作業(yè)人員安全升井提供了時間保障，為搶險贏得寶貴時間，保證礦井生產(chǎn)安全。此外，相比于混凝土水閘墻，采用快速構筑的化學水閘墻的方法可大幅度減少礦井的淹井機率，保護礦井寶貴的煤炭資源，延長礦井服務年限，保證礦井的可持續(xù)發(fā)展，對我國煤礦行業(yè)乃至整個國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義，其應用前景十分廣闊。
　  2. 項目主要內(nèi)容
　  2.1技術來源：
　  本項目技術來源是河北同成礦業(yè)科技有限公司自主研發(fā)的技術，企業(yè)擁有自主知識產(chǎn)權。已獲國家發(fā)明專利。專利號是：ZL200610012790.0。
　  2.2技術特色：
　  本技術克服了目前常用的混凝土構筑水閘墻方法施工速度慢、可靠性差的弊端，提供了一種在軟煤巷道高壓涌水條件下快速構筑水閘墻的方法。用波雷因化學堵水與加固材料構筑水閘墻墻體，用波雷因化學堵水與加固材料對巷道圍巖進行注漿加固。主要有以下技術特色：
　  1） 一般掘進巷道發(fā)生高壓大流量突水時，采用的混凝土構筑水閘墻、水泥注漿加固巷道外墻的方法工程量浩大、作業(yè)困難，施工速度慢，混凝土水閘墻完工后還得必須等待28天的強度齡期才能正式投入使用。而采用化學材料水閘墻的方法待墻體筑成后，可馬上關閉預先留設的導水管閥門并讓水閘墻馬上承受高水壓，從而實現(xiàn)了井下水閘墻的快速、安全、高效施工。
　  2） 采用波雷因化學材料快速構筑的水閘墻，其墻體強度和抗水性明顯提高，因而可取消所有墻體迎水端和背水端的澆筑混凝土護巷，從而可以進一步提高水閘墻的施工速度。
　  3） 由于可以對巷道圍巖及墻體與巷幫之間空隙進行化學注漿加固，并保證水閘墻墻體與巷道圍巖的整體性，因而無需對巷道圍巖進行掏槽，又可進一步提高構筑水閘墻的速度。
　  4）軟煤巷道快速構筑水閘墻的技術采用了新產(chǎn)品-化學注漿材料波雷因，是一種有機高分子雙液注漿材料，漿液應該具有較高的粘合力和較好的機械性能，與巖層有較好的親和力，固結(jié)體的柔韌性能承受一定的地層變形，材料注入巖層后，低粘度混合物保持幾秒鐘，滲透進入細小的裂縫膨脹。
　  5）采用了新工藝，臨時擋水墻、實體臨時擋水墻、充填段、主體水閘墻的每段長度，按波雷因與骨料的粘結(jié)強度以及巷道兩邊圍巖的粘結(jié)強度和涌水水壓設計計算確定，波雷因與骨料以及巷道兩邊圍巖的粘結(jié)強度應大于涌水水壓。
　  2.3 快速構筑水閘墻施工工藝
　  軟煤巷道高壓涌水條件下快速構筑水閘墻的方法，通過下述五個步驟進行（圖1）：
　  1） 構筑臨時擋水墻1，首先預埋導水管6，然后將粘土裝入粘土袋內(nèi)，用粘土袋垂直運輸巷壘筑臨時擋水墻1，使大部分涌水被逼入安放好的導水管6內(nèi)；
　  2） 構筑一道實體臨時擋水墻2，首先在其前端垂直運輸巷砌筑料石墻10，在料石墻與臨時擋水墻1間，用不發(fā)泡波雷因做粘結(jié)劑、石料作骨料砌筑一道實體臨時擋水墻2，墻體砌筑前巷道圍巖至少設置一排螺紋鋼樹脂錨桿9，墻體砌筑中預埋上注漿管7，墻體砌筑后通過注漿管對其巷道圍巖進行注漿加固；
　  3） 構筑充填段3，首先在其前端垂直運輸中巷砌筑料石墻11，在料石墻11與實體臨時擋水墻2間，改用發(fā)泡劑波雷因做粘結(jié)劑、矸石/石料做骨料砌筑充填段3，砌筑中預埋上注漿管7，砌筑后通過注漿管對其巷道圍巖進行注漿加固；
　  4） 構筑主體水閘墻4，首先在其前端垂直工作面運輸巷砌筑料石墻12，在料石墻12與充填段3間，再用不發(fā)泡波雷因做粘結(jié)劑、石料作骨料構筑主體水閘墻4，墻體砌筑前巷道圍巖至少設置一排螺紋鋼樹脂錨桿9，墻體砌筑中預埋上注漿管7，墻體砌筑后通過注漿管對其巷道圍巖進行注漿加固；
　  5） 主體水閘墻4外巷道內(nèi)噴射混凝土3～5米，并設置至少為一排的注漿加固孔8，用封孔器封孔，用波雷因化學堵水與加固材料進行注漿加固。
　  
　  圖1
　  1-臨時擋水墻2-實體臨時擋水墻3-充填段4-主體水閘墻5-外巷道6-預埋導水管
　  7-預埋注漿管8-注漿加固孔9-螺紋鋼樹脂錨桿10-料石墻11-料石墻12-料石墻
　  2.4 技術主要優(yōu)點：
　  波雷因化學材料快速構筑的水閘墻與煤巖體的粘結(jié)強度比水泥高數(shù)倍，墻體澆筑數(shù)分鐘后，其抗壓強度可達50MPa以上，抗水性明顯提高。所述的臨時擋水墻、實體臨時擋水墻、充填段、主體水閘墻每段長度，按波雷因與骨料的粘結(jié)強度以及巷道兩邊圍巖的粘結(jié)強度和涌水水壓設計計算確定，波雷因與骨料以及巷道兩邊圍巖的粘結(jié)強度應大于涌水水壓。
　  2.5注漿材料的優(yōu)點
　  同成礦業(yè)研制的專用于煤礦井下巷道或工作面破碎圍巖高效改性聚亞胺樹脂注漿加固和堵水的材料，其商品名為“波雷因”。波雷因材料是一種雙液型注漿加固和堵水材料，由組分A及組分B兩種組分組成，波雷因材料注漿加固后與圍巖的結(jié)石體如圖2所示。
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  圖2波雷因材料結(jié)石體
　  1) A組分
　  組分A是由多異氰酸酯與端羥基化合物（改性石炭酸樹脂）進行預聚反應而得。波雷因注漿加固材料與聚氨酯材料的本質(zhì)區(qū)別就在于在組分A中加進了改性石炭酸樹脂，與聚氨酯材料相比，增加材料抗氧化性及阻燃性，并相應降低了材料的成本。改性石炭酸樹脂（PF）是苯酚與酫類物質(zhì)在催化劑作用下合成的縮聚物樹脂，其分子上的酚羥基和羥甲基均可以與異氰酸酯反應，如酚羥基與異氰酸酯反應可生成氨基甲酸酯化合物。
　  2) B組分
　  B組分主要由分子量較小的聚醚樹脂、催化劑、溶劑、韌性劑、泡沫穩(wěn)定劑、乳化劑、抗氧化劑和發(fā)泡劑等組分組成的混合溶液。
　  波雷因材料的反應體系是非常復雜的，在沒有催化劑的參予下，組分A與組分B的反應速度是十分緩慢的，沒有實際應用價值，必須加入催化劑才能使波雷因材料的反應具有實際應用價值。由于異氰酸酯是一個比較活潑的化學極性基團，能發(fā)生許多反應，而催化劑可以控制這些反應的程度，以滿足不同注漿工程的需要。催化劑在波雷因材料反應體系中可以促進漿液凝膠過程中大分子鏈的增長反應速度。本研究選用胺類催化劑和有機錫的混合物作為催化劑，胺類催化劑和有機錫類催化劑不僅能各自對反應體系具有催化作用，更有價值的是當二者以適當比例混合使用時，其催化作用會大大加強，可獲得交互效應。催化劑用量與漿液凝膠時間變化關系曲線如圖3所示，隨著催化劑用量的增加，反應凝膠時間降低到一定程度，催化劑作用顯著降低。
　  總之，波雷因材料在注漿加固過程中的化學反應是非常復雜的，有主反應，也有副反應，有反應體系內(nèi)各組份之間的反應、單組份的自聚反應，也有反應體系之間的反應。波雷因材料的主體成份和各助劑組份的選擇及各組份間的比例關系，對反應產(chǎn)物凝膠體機械性能具有關鍵影響。
　  3經(jīng)濟效益與社會效益評述
　  目前我國約有18%待開采的煤炭儲量受到較為嚴重的水害威脅。由此可見，煤礦的水害已成為影響煤礦安全的重大關鍵問題之一，對其進行防治工作具有十分重要和迫切的現(xiàn)實意義。
　  3.1 經(jīng)濟效益
　  本項目的實施對解決煤礦松軟圍巖條件構筑水閘墻難題具有十分重要的經(jīng)濟意義。水閘墻體筑成后，可馬上關閉導水管閥門，承受高水壓，該方法快速、安全、高效，給員工安全升井提供了時間保障，為搶險贏得寶貴時間，保證了礦井安全；一般可使采區(qū)提前2～5個月投產(chǎn)，保證了礦井生產(chǎn)效益。不僅減少了礦井排水電費，還保護了礦井地下寶貴的水資源及礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，延長了礦井服務年限，保證了礦井的可持續(xù)發(fā)展，取得了非常顯著的技術經(jīng)濟效益和社會效益。對提高礦井生產(chǎn)安全及煤炭行業(yè)的經(jīng)濟效益具有十分重要的現(xiàn)實意義。對我國煤礦行業(yè)乃至整個國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義，其應用前景十分廣闊。
　  3.2 技術效益
　  注漿法是煤礦防治水的重要方法之一。注漿堵水就是采用注漿的方法將堵水材料（漿液）壓注進圍巖體及人工支護物的各種含水空隙（孔隙、裂隙或空洞）中。擠走空隙中的水分，漿液將在人為控制時間內(nèi)凝固，并充填原來水分占據(jù)的空隙，當整個圍巖含水滲流網(wǎng)絡空隙通過注漿被充填密實后，圍巖的抗?jié)B性得到提高，地下水與井巷的水力聯(lián)系被截斷，從而達到注漿堵水目的。注漿后巖體的滲透性約為注漿前的1/10～1/100。
　  本課題研究成果具有很高的工程應用價值，圍巖注漿快速構筑水閘墻是礦井井巷防治水并提高井巷穩(wěn)定性的有效方法之一，具有減輕礦井排水負擔、節(jié)省排水用電、降低噸煤成本、改善采掘工程勞動條件、提高功效和質(zhì)量、控制突水幾率、提高煤礦生產(chǎn)安全水平、有利于地下水資源保護和利用、延長礦井服務年限的明顯優(yōu)點。
　  3.3 其他影響
　  本項目的實施，使企業(yè)經(jīng)營規(guī)模和生產(chǎn)規(guī)模明顯擴大，將為社會提供更多的就業(yè)機會。項目通過稅收和各種交費，每年可為國家財政多繳納稅金。隨著項目的發(fā)展，將促進全國煤礦化學注漿行業(yè)快速發(fā)展，同時也會帶動當?shù)匕b業(yè)、交通運輸業(yè)等相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生更大影響。
　  4. 持續(xù)改進措施
　  4.1強化市場營銷策劃能力，做好市場推廣活動策劃，使技術、產(chǎn)品在實用、便利、先進方面得到長足發(fā)展。通過先進的銷售渠道保證銷售額達到預期指標。
　  4.2 公司采取優(yōu)化生產(chǎn)流程、控制原材料成本等方式，不斷降低產(chǎn)品成本。使產(chǎn)品在價格上具有優(yōu)勢。
　  4.3 加大科技投入，公司應以目標市場為導向，加大科技投入，提高企業(yè)推廣新技術、開發(fā)新產(chǎn)品的能力。，積極引進國內(nèi)外的新技術、新材料，借鑒新模式、新經(jīng)驗，大力引進新工藝和新設備，提高產(chǎn)品的科技含量和附加值，不斷提高企業(yè)和產(chǎn)品的競爭力。
　  4.4 定期對員工做好技能、企業(yè)文化、管理培訓等工作，使員工不斷的更新知識，開拓技能，保持一支積極向上、團結(jié)穩(wěn)定的員工隊伍。從而促進企業(yè)效率的提高。