一种煤矿用高分子化学煤岩体加固剂及其注入方法

技术领域

本发明涉及煤岩体加固技术领域，具体为一种煤矿用高分子化学煤岩体加固剂及其注入方法。

背景技术

在煤矿开采过程中，受地质构造、原生裂纹以及开采压力会形成破碎煤岩体，容易引起工作区域的片帮和冒顶等情况，影响开采安全，严重制约了开采进度，针对煤岩体的加固，现有技术采用注浆工艺，通过向煤岩体内部注入加固剂，待渗透膨胀后对煤岩体进行加固处理，但是现有的煤岩体加固剂及其注入方法在使用时存在以下问题：

现有技术中，通常将注入杆插入预先钻出的孔道内进行注浆操作，加固剂由注入杆前端挤出逐渐蔓延至整个孔道和缝隙内，不方便实现分段注浆操作，容易导致浅部和中部反流的浆液较少，造成浆液扩散不均，存在弱面的情况，同时孔道和缝隙内存在空气，现有技术中，不方便在注浆的同时将内部空气排出，容易出现气泡，严重影响内部强度，难以达到预期的效果。

针对上述问题，急需在原有煤岩体加固剂及其注入方法的基础上进行创新设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矿用高分子化学煤岩体加固剂及其注入方法，以解决上述背景技术提出煤岩体加固剂及其注入方法，不方便实现分段注浆操作，同时不方便在注浆的同时将内部空气排出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种煤矿用高分子化学煤岩体加固剂的注入方法，该注入方法包括以下步骤：

S1：首先将储料车移动至工作区域，分别向A料储料腔和B料储料腔内注入A组分和B组分，对工作区域的岩壁进行钻孔操作，然后将注入杆插入所钻的孔道内，顶板顶在孔道内壁上；

S2：在注入之前，先转动活动齿环，由活动齿环通过中转齿轮和导齿套带动螺杆转动，进而推动密封条在输气槽内活动，将气体通过输气管输入封堵气囊环内，使得封堵气囊环膨胀与孔道内壁接触，利用封堵气囊环配合止浆塞和托盘对注入杆进行固定，并通过封堵气囊环将孔道密封成多个区域；

S3：将A料储料腔和B料储料腔内的原料由泵送通过第二输料管和第一输料管输送至静态混合器，实现即时混合，再由注入杆和注入孔输入孔道内，最上方注入孔无遮挡，下方注入孔依次利用硬度逐渐提高的挡片进行阻挡，使得加固剂配合封堵气囊环实现分区输送，并随着加固剂的持续输送，由内至外渗入周边裂缝内实现膨胀和填补加固；

S4：在注入加固剂的同时，启动电机，电机带动分离柱在顶板内转动，分离柱的转动利用离心力将离心封堵块甩出，使得抽风孔打开，同时电机通过齿盘和活动齿套带动导柱在抽气槽内转动，导柱底部通过第二锥齿传动组件带动风扇组件转动，进而可以利用风扇组件的转动，将孔道内部气体从抽气槽和抽风孔抽出，同时导柱通过第一锥齿传动组件带动注入杆上横向分布的分离柱转动，对被封堵气囊环分区的孔道内的空气进行吸取，同时在离心力的作用下，加固剂被甩离，无法进入抽风孔内，随着加固剂的进入，空气则被挤压进抽风孔内，注入结束后停止电机运行，在弹簧作用下离心封堵块复位对抽风孔进行封堵，方便下次使用，在不影响加固剂正常使用的情况下实现对内部空气的抽离；

上述步骤中S1所述储料车的内部分别开设有A料储料腔和B料储料腔，且A料储料腔和B料储料腔通过输送泵分别连接有第二输料管和第一输料管，并且第二输料管和第一输料管通过静态混合器连接有注入杆，所述注入杆下端位置套设有止浆塞和托盘，且止浆塞位于托盘上方，并且注入杆外侧开设有注入孔，而且下部分注入孔内固定有挡片，所述注入杆外部套设有封堵气囊环，且封堵气囊环的内壁通过输气管与输气槽相贯通，并且输气槽开设于注入杆的内部，所述注入杆底部位置嵌入式套设有活动齿环，且活动齿环位于托盘的下方，并且活动齿环内通过中转齿轮与导齿套相连接，而且中转齿轮嵌入式转动安装于注入杆侧边的内部，所述导齿套套设在螺杆上，且螺杆轴承安装于输气槽内，并且螺杆上螺纹套设有密封条，所述注入杆的顶部嵌入式固定有电机，且电机的输出端连接有分离柱，并且分离柱轴承安装于注入杆的顶部，而且分离柱的顶部轴承连接有顶板，所述电机的输出轴上通过齿盘啮合连接有活动齿套，且活动齿套套设在导柱上，并且导柱轴承安装于抽气槽内，而且抽气槽开设于注入杆的内部，所述导柱的中部位置通过第一锥齿传动组件连接有另一分离柱，且该分离柱横向贯穿密封转动安装于注入杆的中部外侧，所述导柱的底部通过第二锥齿传动组件连接有风扇组件，且风扇组件位于注入杆底部凸出开口位置的内部，并且风扇组件位于托盘和活动齿环之间，所述分离柱的内部和边侧贯通开设有抽风孔，且抽风孔与抽气槽相贯通，并且抽风孔的外部通过弹簧连接有离心封堵块。

优选的，所述挡片采用橡胶材料在注入孔内等角度分布有四个，且挡片呈扇形结构设计，并且四个挡片截面面积之和等于注入孔的截面面积，通过挡片对注入孔进行阻挡，使得浆液得以由内至外分段注入。

优选的，所述密封条通过螺杆在输气槽内贴合滑动，且密封条的分布位置与封堵气囊环的分布位置相对应，并且封堵气囊环在注入杆上等间距分布，而且输气槽配合封堵气囊环的位置在注入杆内分区分布，密封条受螺杆驱动而移动，将气体压入对应的封堵气囊环内，通过多个封堵气囊环对注入杆进行固定，同时对孔道进行分区。

优选的，所述分离柱在注入杆的顶部与注入杆共中心轴线，且分离柱在注入杆的侧边等角度分布，并且注入杆顶部分离柱上的抽风孔横向分布，而且注入杆侧边分离柱上的抽风孔纵向分布，分离柱的转动，利用离心力的作用对浆液孔空气进行分离。

优选的，所述离心封堵块通过弹簧在抽风孔内弹性滑动，且抽风孔在分离柱上等角度分布，并且离心封堵块的内端呈圆台形结构与抽风孔的内端相贴，而且离心封堵块的外端呈圆盘形结构与抽风孔开口处的内壁相贴，离心柱转动后，离心封堵块被甩至外部，配合风扇组件将空气抽出，同时浆液受离心力滞留在外部，不会随之抽出。

优选的，所述加固剂由体积1:1的A组分和B组分构成，其中A组分由如下原料构成：

聚醚多元醇：75%～96%；

催化剂：0.4%～0.9%；

增强剂：5%～10%；

改性剂：2%～7%；

所述B组分为多异氰酸酯。

优选的，所述A组分由聚醚多元醇、催化剂、增强剂和改性剂混合制备而成，且催化剂为三乙胺，并且增强剂为二氧化硅，而且改性剂为丙烯基二甘醇碳酸酯，通过A组分和B组分混合实现膨胀，并提高膨胀后的强度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明，设置分区注浆机构，在注入杆的外侧等间距套设的封堵气囊环，配合活动齿环的转动，由中转齿轮和导齿套带动螺杆转动，可以带动密封条在输气槽内活动，将输气槽内的空气通过输气管挤压进封堵气囊环内，利用膨胀的封堵气囊环将注入杆固定在孔道内，同时利用多个封堵气囊环将孔道分成多个注入区，并配合等角度分布的注入孔，从多方向对注入区内注浆，使得浆液在小范围内活动，方便浆液均匀进入缝隙内膨胀，避免在整根注入杆端部注入浆液时浅部和中部反流的浆液较少，进而通过均匀注浆和膨胀固化，实现煤岩体的内部加固操作，浆液从最上方的注入孔内溢出，下方注入孔内通过挡片进行遮挡，当上方浆液注入完毕后，下方浆液再进行注入，避免同步注入出现流量分散，同时下方挡片的硬度逐渐递增，有利于对浆液进行分区注入的阻挡，为分区注入提供基础；

2.本发明，设置空气实时抽离机构，电机带动上方分离柱运行，同时电机通过齿盘和活动齿套带动导柱转动，使得导柱得以通过第一锥齿传动组件带动中部的分离柱转动，同时导柱通过第二锥齿传动组件带动风扇组件转动，实现抽风操作，分离柱在转动过程中，在离心力的作用下离心封堵块向外侧活动，使得抽风孔打开，同时分离柱在转动时，可以将附近的浆液甩离，避免浆液进入抽风孔内，随着浆液的注入，空气内挤压至分离柱附近，利用浆液和空气重量的差异，配合风扇组件的转动，可以实时的将孔道内的空气抽出，同时不会影响浆液的注入，操作简单，有效避免浆液和内部空气形成气泡，有助于提高膨胀后的紧实度，提高煤岩体的抗性；

3.本发明，通过在原料中添加三乙胺、二氧化硅和丙烯基二甘醇碳酸酯，利用活性较高的三乙胺提高加固剂的粘度，方便加固剂与缝隙和孔道紧密接触，同时利用二氧化硅提高膨胀后加固剂的紧实度，提高抗压能力，同时丙烯基二甘醇碳酸酯的改性使用，提高断裂强度、弹性模量以及抗张强度等，进一步提高煤岩体的稳固性；

4.综上所述，本申请通过在孔道内分区注浆，配合空气的实时抽出，使得浆液均匀进入缝隙内，同时避免出现气泡，在物理措施上，提高加固剂膨胀固化后煤岩体的稳定性，同时在化学措施上，提高固化剂本身的粘度和强度，利用物理和化学的双重改进，提高加固剂对煤岩体的支撑强度，提高矿道内的安全性，同时整体操作简单，所用设备较少，节约能源，便于现场快捷操作。

附图说明

图1为本发明正剖结构示意图；

图2为本发明封堵气囊环侧剖结构示意图；

图3为本发明封堵气囊环俯视剖面结构示意图；

图4为本发明挡片侧面结构示意图；

图5为本发明注入杆侧剖结构示意图；

图6为本发明图5中A处放大结构示意图；

图7为本发明图5中B处放大结构示意图；

图8为本发明注入杆俯视剖面结构示意图。

图中：1、储料车；2、A料储料腔；3、B料储料腔；4、注入杆；5、静态混合器；6、第一输料管；7、第二输料管；8、止浆塞；9、托盘；10、注入孔；11、挡片；12、封堵气囊环；121、输气管；13、活动齿环；14、中转齿轮；15、螺杆；16、输气槽；17、导齿套；18、密封条；19、电机；20、分离柱；21、顶板；22、齿盘；23、抽气槽；24、导柱；241、第一锥齿传动组件；25、活动齿套；26、第二锥齿传动组件；27、风扇组件；28、抽风孔；29、弹簧；30、离心封堵块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种煤矿用高分子化学煤岩体加固剂及其注入方法，储料车1、A料储料腔2、B料储料腔3、注入杆4、静态混合器5、第一输料管6、第二输料管7、止浆塞8、托盘9、注入孔10、挡片11、封堵气囊环12、输气管121、活动齿环13、中转齿轮14、螺杆15、输气槽16、导齿套17、密封条18、电机19、分离柱20、顶板21、齿盘22、抽气槽23、导柱24、第一锥齿传动组件241、活动齿套25、第二锥齿传动组件26、风扇组件27、抽风孔28、弹簧29和离心封堵块30；

实施例1

请参阅图1-4，该注入方法包括以下步骤：

S1：首先将储料车1移动至工作区域，分别向A料储料腔2和B料储料腔3内注入A组分和B组分，对工作区域的岩壁进行钻孔操作，然后将注入杆4插入所钻的孔道内，顶板21顶在孔道内壁上；

S2：在注入之前，先转动活动齿环13，由活动齿环13通过中转齿轮14和导齿套17带动螺杆15转动，进而推动密封条18在输气槽16内活动，将气体通过输气管121输入封堵气囊环12内，使得封堵气囊环12膨胀与孔道内壁接触，利用封堵气囊环12配合止浆塞8和托盘9对注入杆4进行固定，并通过封堵气囊环12将孔道密封成多个区域；

S3：将A料储料腔2和B料储料腔3内的原料由泵送通过第二输料管7和第一输料管6输送至静态混合器5，实现即时混合，再由注入杆4和注入孔10输入孔道内，最上方注入孔10无遮挡，下方注入孔10依次利用硬度逐渐提高的挡片11进行阻挡，使得加固剂配合封堵气囊环12实现分区输送，并随着加固剂的持续输送，由内至外渗入周边裂缝内实现膨胀和填补加固；

S4：在注入加固剂的同时，启动电机19，电机19带动分离柱20在顶板21内转动，分离柱20的转动利用离心力将离心封堵块30甩出，使得抽风孔28打开，同时电机19通过齿盘22和活动齿套25带动导柱24在抽气槽23内转动，导柱24底部通过第二锥齿传动组件26带动风扇组件27转动，进而可以利用风扇组件27的转动，将孔道内部气体从抽气槽23和抽风孔28抽出，同时导柱24通过第一锥齿传动组件241带动注入杆4上横向分布的分离柱20转动，对被封堵气囊环12分区的孔道内的空气进行吸取，同时在离心力的作用下，加固剂被甩离，无法进入抽风孔28内，随着加固剂的进入，空气则被挤压进抽风孔28内，注入结束后停止电机19运行，在弹簧29作用下离心封堵块30复位对抽风孔28进行封堵，方便下次使用，在不影响加固剂正常使用的情况下实现对内部空气的抽离；

上述步骤中S1储料车1的内部分别开设有A料储料腔2和B料储料腔3，且A料储料腔2和B料储料腔3通过输送泵分别连接有第二输料管7和第一输料管6，并且第二输料管7和第一输料管6通过静态混合器5连接有注入杆4，注入杆4下端位置套设有止浆塞8和托盘9，且止浆塞8位于托盘9上方，并且注入杆4外侧开设有注入孔10，而且下部分注入孔10内固定有挡片11，注入杆4外部套设有封堵气囊环12，且封堵气囊环12的内壁通过输气管121与输气槽16相贯通，并且输气槽16开设于注入杆4的内部，注入杆4底部位置嵌入式套设有活动齿环13，且活动齿环13位于托盘9的下方，并且活动齿环13内通过中转齿轮14与导齿套17相连接，而且中转齿轮14嵌入式转动安装于注入杆4侧边的内部，导齿套17套设在螺杆15上，且螺杆15轴承安装于输气槽16内，并且螺杆15上螺纹套设有密封条18，采用橡胶材料在注入孔10内等角度分布有四个，且挡片11呈扇形结构设计，并且四个挡片11截面面积之和等于注入孔10的截面面积,密封条18通过螺杆15在输气槽16内贴合滑动，且密封条18的分布位置与封堵气囊环12的分布位置相对应，并且封堵气囊环12在注入杆4上等间距分布，而且输气槽16配合封堵气囊环12的位置在注入杆4内分区分布；

加固剂由体积1:1的A组分和B组分构成，其中A组分由如下原料构成：

聚醚多元醇：75%～96%；

催化剂：0.4%～0.9%；

增强剂：5%～10%；

改性剂：2%～7%；

B组分为多异氰酸酯。

A组分由聚醚多元醇、催化剂、增强剂和改性剂混合制备而成，且催化剂为三乙胺，并且增强剂为二氧化硅，而且改性剂为丙烯基二甘醇碳酸酯，通过催化剂、增强剂和改性剂的配合，提高该加固剂的粘结强度、断裂强度、弹性模量以及抗张强度，同时通过多个封堵气囊环12的使用，配合挡片11的阻挡，实现浆液的分区注入，减少浆液流动空间，提高浆液的渗透效果，避免在浅区和中断位置浆液扩散不均；

实施例2

请参阅图1和图5-8，注入杆4的顶部嵌入式固定有电机19，且电机19的输出端连接有分离柱20，并且分离柱20轴承安装于注入杆4的顶部，而且分离柱20的顶部轴承连接有顶板21，电机19的输出轴上通过齿盘22啮合连接有活动齿套25，且活动齿套25套设在导柱24上，并且导柱24轴承安装于抽气槽23内，而且抽气槽23开设于注入杆4的内部，导柱24的中部位置通过第一锥齿传动组件241连接有另一分离柱20，且该分离柱20横向贯穿密封转动安装于注入杆4的中部外侧，导柱24的底部通过第二锥齿传动组件26连接有风扇组件27，且风扇组件27位于注入杆4底部凸出开口位置的内部，并且风扇组件27位于托盘9和活动齿环13之间，分离柱20的内部和边侧贯通开设有抽风孔28，且抽风孔28与抽气槽23相贯通，并且抽风孔28的外部通过弹簧29连接有离心封堵块30，分离柱20在注入杆4的顶部与注入杆4共中心轴线，且分离柱20在注入杆4的侧边等角度分布，并且注入杆4顶部分离柱20上的抽风孔28横向分布，而且注入杆4侧边分离柱20上的抽风孔28纵向分布，离心封堵块30通过弹簧29在抽风孔28内弹性滑动，且抽风孔28在分离柱20上等角度分布，并且离心封堵块30的内端呈圆台形结构与抽风孔28的内端相贴，而且离心封堵块30的外端呈圆盘形结构与抽风孔28开口处的内壁相贴，通过横向和纵向分离柱20的转动，在注入浆液时，空气被挤压至分离柱20处，利用分离柱20转动产生的离心力，一方面将离心封堵块30和浆液甩至外部，另一方面，配合风扇组件27的运行，对低质量的空气抽出，实现空气的实时导出，避免内部产生气泡。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。