破碎煤巖體雙液注漿裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

任菲菲

(山西沁和能源集團(tuán) 九鑫煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000)

我國是一個能源大國，煤炭消耗量位居世界第一，對于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用。按照《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的要求，未來相當(dāng)長的時間內(nèi)，我國能源結(jié)構(gòu)還是以煤炭為主，到2020年，中國煤炭消費(fèi)總量控制在41億t以內(nèi)，所占比重應(yīng)減少到58%.隨著煤炭的大量回采，淺埋深煤層已趨于殆盡，煤礦企業(yè)不得不向深部開采，而深部開采面臨三高一擾動的問題。在高地應(yīng)力作用以及強(qiáng)烈的開采作用影響下，煤礦巷道破碎給煤礦安全生產(chǎn)帶來了威脅，而注漿加固是治理巷道煤巖體破碎的有力手段。以往注漿多采用高分子材料，雖然該材料效果好，但成本高，大量使用還會造成高溫，給煤礦安全生產(chǎn)帶來不穩(wěn)定因素。隨著無機(jī)注漿材料的產(chǎn)生，目前注漿多采用雙液無機(jī)注漿材料。該材料雖然單液長時間不凝固，但雙液混合后凝固迅速，可有效治理破碎煤巖體。在雙液無機(jī)注漿材料的應(yīng)用中，如何使注漿材料進(jìn)行有效混合和有效封堵是研究熱點(diǎn)。為了提高雙液注漿的質(zhì)量，設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)于破碎煤巖體雙液注漿的“雙液注漿混合裝置”。

1 雙液注漿裝置的設(shè)計(jì)

該雙液注漿裝置包括漿液管、外注漿管、內(nèi)注漿管、封堵組件、滑動座、定位座、漿液泵送組件一和漿液泵送組件二等8個部分。其中，煤層鉆孔內(nèi)設(shè)有漿液管伸入套，漿液管的外側(cè)設(shè)置有封堵組件，封堵組件的中心設(shè)置有滑動座，內(nèi)注漿管同軸位于所述外注漿管內(nèi)的中心位置，且內(nèi)注漿管與所述外注漿管之間的空間為外注漿管的注漿腔，外注漿管和內(nèi)注漿管通過滑動座伸入所述漿液管內(nèi)，內(nèi)注漿管的中心注漿腔連通于漿液泵送組件二，外注漿管的注漿腔連通于漿液泵送組件一，外注漿管與內(nèi)注漿管之間采用定位座進(jìn)行定位連接，如圖1所示。

圖1 雙液注漿裝置

雙液注漿裝置由注漿防堵系統(tǒng)和雙液注漿混合系統(tǒng)兩個系統(tǒng)組成。

1.1 注漿防堵系統(tǒng)

注漿防堵系統(tǒng)包括橡膠柱、橡膠蓋、外限位座、內(nèi)限位座、導(dǎo)管,其中，橡膠柱向漿液管的徑向方向延伸并固定在漿液管外壁出漿孔的四周，橡膠柱的端部固定設(shè)置有橡膠蓋，橡膠蓋與漿液管外壁之間間隔設(shè)置，使得出漿孔流出的漿液經(jīng)過橡膠蓋與漿液管外壁之間的孔隙流出，以便封堵與支護(hù)煤層的孔隙。

外限位座和內(nèi)限位座間隔地設(shè)置在滑動座上，且外限位座和內(nèi)限位座之間的空間內(nèi)填充有膨脹劑，用導(dǎo)管連通至外限位座和內(nèi)限位座之間的空間，通過導(dǎo)管向內(nèi)注水使膨脹劑膨脹，即實(shí)現(xiàn)對鉆孔的封堵。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙液注漿封堵系統(tǒng)裝置

1.2 雙液注漿混合系統(tǒng)

雙液注漿混合系統(tǒng)包括攪葉盤座一、攪葉盤座二、輔助混葉盤和主混葉盤。其中，攪葉盤座一和攪葉盤座二采用輔助連通腔連通設(shè)置，且攪葉盤座一和攪葉盤座二內(nèi)均設(shè)置有攪動圓柱腔，攪動圓柱腔內(nèi)各自設(shè)置有攪葉盤一和攪葉盤二，輔助連通腔內(nèi)設(shè)置有輔助混葉盤，輔助連通腔上遠(yuǎn)離攪葉盤座一或攪葉盤座二的方向一側(cè)還連通設(shè)置有圓柱形結(jié)構(gòu)的主混葉腔，主混葉腔內(nèi)設(shè)置有主混葉盤，主混葉腔的出漿側(cè)連接至內(nèi)注漿管的中心注漿腔。攪葉盤一和攪葉盤二的形狀以及旋轉(zhuǎn)方向使得各自的漿液均向輔助連通腔側(cè)流動，輔助混葉盤上的葉片為沿著其徑向方向延伸的平面葉片，主混葉盤使得混合后的漿液向內(nèi)注漿管方向流動，且主混葉盤的轉(zhuǎn)速至少為所述攪葉盤一或攪葉盤二的兩倍，保證了漿液混合的效果和效率。其系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 雙液注漿混合系統(tǒng)裝置

2 雙液注漿裝置的應(yīng)用及其效果

2.1 雙液注漿裝置的應(yīng)用

當(dāng)注漿工程開始時，外限位座(32)和內(nèi)限位座(31)間隔地設(shè)置在滑動座(6)上，且外限位座(32)和內(nèi)限位座(31)之間的空間內(nèi)填充有膨脹劑，將導(dǎo)管(22)連通至外限位座(32)和內(nèi)限位座(31)之間的空間，通過向?qū)Ч?22)內(nèi)注入水，使得膨脹劑膨脹，實(shí)現(xiàn)對鉆孔的封堵。定位座(27)為內(nèi)空結(jié)構(gòu)，穿過定位座(3)設(shè)置內(nèi)注漿管，外注漿管(4)與內(nèi)注漿管(3)外壁之間的外注漿管注漿腔與定位座(27)的內(nèi)空腔連通，漿液泵送組件一輸送漿液的管路伸入定位座(27)的內(nèi)空腔內(nèi)，在注漿泵壓力的作用下，將漿液輸送到鉆孔中，即實(shí)現(xiàn)煤巖體注漿加固。注漿施工完成后，利用連接耳(10)將該外注漿管和內(nèi)注漿管拉出。

2.2 應(yīng)用效果

以石子、沙子模擬注漿破碎煤巖體的裂隙，采用該注漿裝置將漿液注入到模擬裝置中，注漿結(jié)束后其效果如圖4所示。

由圖4及注漿過程可知，注漿過程中沒有漿液漏失情況，漿液能夠很好地進(jìn)入到模擬模型中填充整個裂隙，漿液顏色均勻，沒有出現(xiàn)色差，說明漿液混合較好，該裝置能夠很好地實(shí)現(xiàn)混合作用。

采用該設(shè)備與傳統(tǒng)雙液注漿設(shè)備對同一現(xiàn)場進(jìn)行注漿，通過鉆孔電視進(jìn)行窺視，窺視效果如圖5所示。

圖4 雙液注漿混合系統(tǒng)裝置

圖5 雙液注漿混合系統(tǒng)裝置

由圖5可知，設(shè)計(jì)的注漿裝置能夠使?jié){液非常好地充滿煤巖體裂隙，漿液呈現(xiàn)很好的乳白色。未有較大顏色變化，說明漿液混合較好。而傳統(tǒng)注漿裝置，裂縫未有漿液填充，說明注漿過程中漿液未進(jìn)入鉆孔中，全部流失。通過該設(shè)備與傳統(tǒng)雙液注漿設(shè)備同場注漿效果對比，說明該裝置具有非常好的注漿效果。

3 結(jié) 語

基于破碎煤巖體注漿加固特征設(shè)計(jì)了新型雙液注漿加固裝置，該裝置能夠很好地實(shí)現(xiàn)注漿過程中漿液的封堵防漏失和混合作用，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置的有效性和實(shí)用性。