礦用薄層封閉材料性能的研究

高銘遠(yuǎn) 李志深

(1.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；2.煤礦深井建設(shè)技術(shù)國(guó)家工程試驗(yàn)室，北京 100013； 3.山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274918)

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礦用薄層封閉材料性能的研究

高銘遠(yuǎn)1，2李志深3

(1.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；2.煤礦深井建設(shè)技術(shù)國(guó)家工程試驗(yàn)室，北京 100013； 3.山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274918)

在傳統(tǒng)的噴涂材料中引入聚合物膠粉和抗裂短纖維等成分，并進(jìn)行試驗(yàn)，使材料具有一定的韌性和抗裂性能，能夠適應(yīng)圍巖開裂變形，起到防止圍巖變形和風(fēng)化的作用。

薄層，封閉，抗變形，防風(fēng)化

1 概述

近年來，煤炭工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)了我國(guó)煤炭企業(yè)對(duì)安全、清潔、高效錨噴支護(hù)新技術(shù)的積極探索與巨大需求[1,2]。噴射混凝土作為錨噴支護(hù)技術(shù)體系中的一項(xiàng)重要組成部分，應(yīng)用極為廣泛，由此催生的薄噴封閉為核心的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)研究是其中的重要內(nèi)容。煤礦巷道薄噴封閉為核心的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)是煤礦支護(hù)領(lǐng)域極有潛力的一種新型封閉支護(hù)技術(shù)，具有十分重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義[3，4]。

薄噴封閉使用的大變形薄層漿體材料則是研發(fā)中的難點(diǎn)，薄層封閉材料不同于以往使用的混凝土封閉材料，其強(qiáng)度、成模性、致密性、滲透性、粘結(jié)性、材料用量、噴層承載速度和力學(xué)性能、安全性以及環(huán)保性等均有較高的要求，同時(shí)應(yīng)對(duì)其貯存穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性予以考核。

目前，以加拿大為代表的美國(guó)、澳大利亞、南非等先進(jìn)采煤國(guó)家主要采用雙組分反應(yīng)型聚合物噴涂材料，用于隧道和冶金礦山地下工程封閉支護(hù)，材料彈性好，固化快，粘結(jié)性好，能滲入縫隙，取得了很好的封閉、支護(hù)效果。但反應(yīng)時(shí)有熱量和氣味放出，不適于煤礦使用[5]。德國(guó)巴斯夫公司以聚合物粉體為噴涂材料，用于煤礦井下薄噴封閉，但材料價(jià)格昂貴(5萬(wàn)元/t～6萬(wàn)元/t)，且無(wú)專用噴涂裝備，亦處于試驗(yàn)階段[6]，在國(guó)內(nèi)的實(shí)際運(yùn)用效果尚需實(shí)踐檢驗(yàn)。國(guó)內(nèi)采用水泥基聚合物改性材料為薄噴材料，但其中的聚合物材料未進(jìn)行有針對(duì)性的改性，且現(xiàn)場(chǎng)操作復(fù)雜。因此，難以完全借鑒該項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)。

在材料研發(fā)方面，我們擬在傳統(tǒng)的噴涂材料中引入聚合物膠粉和抗裂短纖維等成分，使材料具有一定的韌性和抗裂性能，能夠適應(yīng)圍巖開裂變形，起到防止圍巖變形和風(fēng)化的作用。

2 材料研發(fā)

2.1 薄層封閉材料灰砂比的選擇

灰砂比是水泥砂漿中水泥C與砂子S的重量比，是噴涂材料的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。不同的灰砂比，對(duì)噴涂材料的力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生較大的影響。配制噴涂密閉材料，首先要保證其具有良好的和易性與施工性。

試驗(yàn)原材料為：42.5普通硅酸鹽水泥、石英砂、增稠保水劑、U-5高效減水劑、瓦克5044可再分散乳膠膠粉。

試驗(yàn)設(shè)備主要有：水泥膠砂攪拌機(jī)，恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱，電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等。

試驗(yàn)過程為：將試驗(yàn)原材料按照試驗(yàn)配比在水泥膠砂攪拌機(jī)中攪拌均勻。之后，對(duì)材料成型40×40×160的水泥試塊，對(duì)試塊在標(biāo)準(zhǔn)水泥恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中，在溫度20 ℃±3 ℃，相對(duì)濕度不小于90%的條件下養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)的齡期?？箟嚎拐蹚?qiáng)度檢測(cè)按標(biāo)準(zhǔn)GB 17671—1999水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法進(jìn)行。

試驗(yàn)中，考慮所配制的噴涂密閉材料中擬摻入纖維素醚與聚合物膠粉，故在選擇灰砂比的試驗(yàn)配方中加入0.2%的HMPC，其中聚合物摻量一致，控制流動(dòng)度相同，變化灰砂比。表1為具體配方。從表1中可知，流動(dòng)度相同條件下，灰砂比越大，需水量就越大。

表1 不同灰砂比對(duì)噴涂密閉材料性能影響試驗(yàn)配合比

不同灰砂比的噴涂材料強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，由表2可知，灰砂比增大，材料7 d和21 d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度均變低，需水量增大、折壓比增大。固定1∶1灰砂比的砂漿的各強(qiáng)度為100個(gè)單位，改變灰砂比后，各強(qiáng)度的相對(duì)值如表2所示。

表2 不同灰砂比的噴涂密閉材料強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，1∶2的砂漿折壓比較之1∶3的砂漿明顯增加，而且雖然灰砂比1∶1的砂漿抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度均比灰砂比1∶2的砂漿高，但是水泥用量大，不經(jīng)濟(jì)?；疑氨?∶3的砂漿比灰砂比1∶2的砂漿粘結(jié)強(qiáng)度大幅度降低，雖然折壓比比1∶2的略高，但是效果不明顯。故綜合考慮，選擇灰砂比為1∶2最為適宜。以下的試驗(yàn)研究均采用1∶2的灰砂比。

2.2 聚丙烯纖維對(duì)噴涂密閉材料性能的影響

在水泥基材中加入少量纖維，利用纖維具有較大的抗拉強(qiáng)度和斷裂韌性的特點(diǎn)，從而有效地控制由砂漿、混凝土內(nèi)應(yīng)力所產(chǎn)生的裂縫，從而顯著地提高水泥基材料的抗?jié)B性及耐久性；隨著聚丙烯纖維的加入，噴涂材料的脆性降低，韌性增加，抗裂性能顯著提高。

試驗(yàn)采用固定水灰比的方式來達(dá)到同樣的工作度，分析不同摻量的聚丙烯纖維對(duì)砂漿的力學(xué)性能的影響。

從表3可以看出，用水量相同時(shí)，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，砂漿的流動(dòng)度下降，濕密度相差不大。且纖維摻量越多，砂漿的和易性變差，因此，聚丙烯纖維對(duì)噴涂材料的和易性有不利的影響。

表3 聚丙烯纖維摻量對(duì)砂漿物理力學(xué)性能的影響

隨著纖維摻量的增加，7 d,28 d抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，7 d,28 d抗折強(qiáng)度出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在摻量不大于1.5‰時(shí)，抗折強(qiáng)度呈增大的趨勢(shì)；當(dāng)摻量大于1.5‰時(shí)，抗折強(qiáng)度降低，7 d,28 d折壓比出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)纖維摻量為1.5‰時(shí)，砂漿的28 d折壓比達(dá)到最大值0.258。在此，確定了聚丙烯纖維的摻量為1.5‰。在此摻量，噴涂材料的抗折強(qiáng)度高，折壓比大，材料的韌性好，噴涂材料的施工和易性好，抗壓強(qiáng)度降低不明顯。

2.3 聚合物膠粉對(duì)噴涂密閉材料性能的影響

可再分散性乳膠粉5044n乳膠粉為進(jìn)口乳膠粉，其主要成分為乙烯醋酸乙烯共聚物。該乳膠粉能顯著影響水泥砂漿的各種性能，最明顯的是改善水泥漿體與不同基體的粘結(jié)強(qiáng)度，具有極突出的粘結(jié)強(qiáng)度，提高砂漿的柔性，賦予砂漿優(yōu)良的耐堿性，改善砂漿的粘附性、粘合性、抗折強(qiáng)度、防水性、可塑性、耐磨性能和施工性，在柔性抗裂砂漿中更具有較強(qiáng)的柔韌性。

通過在噴涂密閉材料中添加減水劑，可再分散乳膠粉，增稠劑，短纖維等成分，達(dá)到改善噴涂材料的性能的目的，使材料力學(xué)性能提高。

試驗(yàn)過程中灰砂比取1∶2，根據(jù)減水劑的減水效果，U-5高效減水劑用量占水泥質(zhì)量的0.75%，水灰比為2.8。研究聚合物膠粉對(duì)噴涂材料力學(xué)性能的研究?？稍俜稚⑷槟z粉對(duì)砂漿性能影響的試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 可再分散乳膠粉對(duì)砂漿性能影響的試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著可再分散膠粉摻量的增加，噴涂材料的抗壓強(qiáng)度降低、抗折強(qiáng)度提高。代表砂漿柔性指標(biāo)的折壓比提高，柔韌性提高。同時(shí)，可再分散乳膠粉的加入使得材料的粘結(jié)力有了大幅的提高，能夠更好地粘結(jié)到圍巖巷道表面，起到封閉圍巖巷道，防止巷道風(fēng)化破壞。隨著可再分散乳膠粉的加入，噴涂密閉材料的正拉粘結(jié)強(qiáng)度不斷的提高，當(dāng)摻加量達(dá)到2%時(shí)，正拉粘結(jié)強(qiáng)度可以達(dá)到1.5 MPa。繼續(xù)增加膠粉摻量，粘結(jié)強(qiáng)度會(huì)繼續(xù)提高，但是材料的成本會(huì)增加，抗壓強(qiáng)度會(huì)繼續(xù)降低。在此，確定可再分散乳膠粉的材料為1.5%。

2.4 密閉材料配比的確定

通過材料配方試驗(yàn)，最終確定試驗(yàn)噴涂材料的配比如表5所示。材料性能、力學(xué)性能如表6所示，能夠達(dá)到噴涂密閉的要求，起到防止圍巖風(fēng)化破壞的作用。

表5 薄層封閉材料配比

表6 薄層封閉材料性能

3 結(jié)語(yǔ)

1)在薄層噴涂密閉材料灰砂比選擇上的砂漿折壓比1∶2比1∶3的砂漿明顯增加，雖然灰砂比1∶1的砂漿抗壓、抗折、粘結(jié)強(qiáng)度均比灰砂比1∶2的砂漿高，但是水泥用量太大、不經(jīng)濟(jì)?；疑氨?∶3的砂漿比灰砂比1∶2的砂漿粘結(jié)強(qiáng)度大幅降低，雖然折壓比較之1∶2的砂漿略高，但是效果不明顯。故綜合考慮，選擇灰砂比為1∶2最為適宜。

2)膠粉對(duì)于薄層噴涂材料性能影響較大，隨著可再分散膠粉摻量的增加，噴涂材料的抗折強(qiáng)度提高、柔韌性提高、抗壓強(qiáng)度降低，當(dāng)摻加量達(dá)到2%時(shí)，正拉粘結(jié)強(qiáng)度可以達(dá)到1.5 MPa。

3)當(dāng)纖維摻量為1.5‰時(shí)，砂漿的28 d折壓比達(dá)到最大值0.258。確定了聚丙烯纖維的摻量為1.5‰。在此摻量，噴涂材料的抗折強(qiáng)度高，折壓比大，材料的韌性好，噴涂材料的施工和易性好，抗壓強(qiáng)度降低不明顯。

4)通過材料配方試驗(yàn)，最終確定噴涂材料的配比。材料力學(xué)性能能夠達(dá)到噴涂密閉的要求，起到防止圍巖風(fēng)化破壞及變形的作用。

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Research on the property of mine thin layer sealing materials

Gao Mingyuan1,2Li Zhishen3

(1.BeijingChinaCoalMineEngineeringCo.,Ltd,Beijing100013,China; 2.NationalEngineeringLaboratoryforDeepShaftConstructionTechnologyinCoalMine,Beijing100013,China; 3.ShandongXinjulongEnergyCompanyLtd.,Heze274918,China)

Introduction of polymer powder and crack resistance short fiber and other components in traditional spraying material, and made test, made the material has certain toughness and crack resistance, able to adapt to surrounding rock deformation and cracking, had the effect to prevent the surrounding rock deformation and weathering.

thin layer, sealing, anti deformation, anti weathering

1009-6825(2017)18-0095-02

2017-04-18

高銘遠(yuǎn)(1988- )，男，碩士，助理工程師

TU502

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