底抽巷防風(fēng)化新型噴涂材料研究及應(yīng)用

趙 斌，王朋衛(wèi)

（山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城048000）

為了達(dá)到更好的支護(hù)效果，盡快封閉巷道、防止圍巖風(fēng)化、金屬網(wǎng)及錨桿銹蝕，噴漿已成為巷道支護(hù)必不可少的1 種手段[1-2]。傳統(tǒng)的噴射混凝土技術(shù)存在施工速度慢、勞動(dòng)環(huán)境差、材料消耗大、輔助運(yùn)輸量大、安全隱患多等諸多缺點(diǎn)，極大地制約了當(dāng)前采用錨噴支護(hù)的礦用井巷掘進(jìn)速度[3-5]。

針對(duì)此問(wèn)題，眾多學(xué)者展開(kāi)了大量的研究工作。文獻(xiàn)[6-9]針對(duì)傳統(tǒng)混凝土噴漿的缺點(diǎn)，研制出非反應(yīng)型薄層噴涂材料及配套裝備和工藝，進(jìn)行煤巷及水泵房噴涂支護(hù)。文獻(xiàn)[10-16]針對(duì)巷道瓦斯涌出、防漏風(fēng)、防滅火等，研究了相應(yīng)的聚氨酯和復(fù)合噴涂材料。文獻(xiàn)[17-19]針對(duì)巷道支護(hù)材料銹蝕和瓦斯?jié)B漏，定型了封閉、壁面瓦斯封堵2 種功能的非反應(yīng)型薄噴產(chǎn)品，并研制了型2 種粉體噴射機(jī)。前人研究中的噴涂材料為反應(yīng)型與非反應(yīng)型2 種，反應(yīng)型以聚氨酯類材料為主，材料性能好但施工設(shè)備較復(fù)雜，且價(jià)格昂貴。非反應(yīng)型以水泥基材料為主，成本低、實(shí)用性強(qiáng)，但材料黏附性、強(qiáng)度、耐久性不高。且前人的噴涂研究大多應(yīng)用于煤巷的防瓦斯、防漏風(fēng)、防風(fēng)化等，缺少在底抽巖巷的應(yīng)用研究。

基于此，根據(jù)長(zhǎng)平礦底抽巖巷的圍巖為砂質(zhì)泥巖，極易風(fēng)化破壞的支護(hù)特性，針對(duì)性的研究1 種新型噴涂支護(hù)材料，對(duì)非反應(yīng)型薄層噴涂材料進(jìn)行改善，以提升材料性能，使其具備成本低、黏附性強(qiáng)、耐水性好等特征，并在井下進(jìn)行試驗(yàn)，以解決底抽巖巷易風(fēng)化破壞、變形嚴(yán)重等問(wèn)題。

1 新型噴涂材料

1.1 噴涂材料作用

錨網(wǎng)支護(hù)巷道采用的噴射混凝土封閉圍巖，一方面利用噴射混凝土起到防止風(fēng)化作用，同時(shí)解決金屬網(wǎng)的銹蝕問(wèn)題；另一方面噴射混凝土對(duì)圍巖亦起到一定的支撐作用。

但據(jù)現(xiàn)場(chǎng)大量事實(shí)表明，經(jīng)理論計(jì)算后得出的錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)，其支護(hù)承載力完全能夠滿足巷道支護(hù)及穩(wěn)定需要，支撐作用已經(jīng)不是噴射混凝土的主要用途。因此，防風(fēng)化噴涂技術(shù)研究，只要滿足封閉煤壁、防止風(fēng)化作用，利用封閉作用解決金屬網(wǎng)的銹蝕問(wèn)題即可[20-21]。

新型噴涂材料噴涂厚度達(dá)到5～10 mm 即可對(duì)巷道圍巖進(jìn)行有效防風(fēng)化封閉，針對(duì)傳統(tǒng)噴射混凝土的100～150 mm 厚度，可有效減小材料消耗和工程量。

1.2 新型噴涂材料組分

根據(jù)底抽巷圍巖易風(fēng)化的現(xiàn)場(chǎng)情況，選用以水性聚合物樹(shù)脂與水硬性膠凝材料為主的雙組分模式，將水性聚合物樹(shù)脂作為噴涂材料的A 組分，水硬性膠凝材料與其他材料混合后作為噴涂材料的B組分。

1.2.1 新型噴涂材料A 組分

主要水性聚合樹(shù)脂性能參數(shù)表見(jiàn)表1。對(duì)比研究表1 中3 種水性聚合物樹(shù)脂對(duì)噴涂材料的抗拉強(qiáng)度、最大延伸變形、黏聚強(qiáng)度的影響，從中選擇技術(shù)經(jīng)濟(jì)最合理的水性聚合物樹(shù)脂。

表1 主要水性聚合樹(shù)脂性能參數(shù)表Table 1 Parameters of several main waterborne polymeric resins

從表1 可以看出，3 種水性樹(shù)脂固含量相差不大，均在50%左右，水性樹(shù)脂ASX02 的固含量最高，達(dá)到（55±1）%，固含量越高，成膜質(zhì)量越好。ASX01黏度范圍較大，配方調(diào)節(jié)比較困難，對(duì)施工質(zhì)量影響較大，ASX02 和ASX03 黏度在200～1 000 mPa·s 之間，漿體黏度基本上趨于穩(wěn)定，對(duì)控制工程質(zhì)量有利。3 種聚合物樹(shù)脂的pH 值均在中性范圍內(nèi)，對(duì)環(huán)境比較友好。3 種聚合物樹(shù)脂的玻璃化溫度差別最大，不同玻璃化溫度的度宏觀表現(xiàn)為：在常溫下，相同配比成膜后，ASX02 樣品軟，容易彎曲，不易出現(xiàn)裂紋；ASX01 樣品較軟，彎曲時(shí)用力較大，表面出現(xiàn)少量白線裂痕；ASX03 樣品較硬，需要用較大力才能彎曲，90°彎折后，容易出現(xiàn)微裂紋。

綜合考慮材料各方面特性，選擇ASX02 水性樹(shù)脂作為型噴涂材料A 組分進(jìn)行研究。

1.2.2 新型噴涂材料B 組分

新型噴涂材料B 組分的主要原料由水硬性膠凝材料、增稠劑、促凝劑、緩凝劑、減水劑、分散劑、消泡劑等等組成。B 組分的各種原料均為粉體材料，粒度一般要求75 μm 以上，無(wú)結(jié)塊，無(wú)雜質(zhì)。B 組分主要原料技術(shù)參數(shù)表見(jiàn)表2。

表2 B 組分主要原料技術(shù)參數(shù)表Table 2 Parameters of main raw materials of component B

從表2 可以看出，3 種水硬性膠凝材料粒度均達(dá)到75 μm 以上，均滿足安定性要求；凝結(jié)時(shí)間BSN01 最長(zhǎng)，達(dá)到46 min，BSN03 最短，達(dá)到23 min，而B(niǎo)SN02 居中，達(dá)到35 min；28 d 抗壓強(qiáng)度，BSN01 大于42.5 MPa，BSN03 大于52.5 MPa，BSN02最大，大于62.5 MPa；材料28 d 抗折強(qiáng)度，BSN02 最大，達(dá)到7.5 MPa，BSN03 為6.9 MPa，BSN01 為4.5 MPa；抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的比值（折壓比）BSN03最大，達(dá)到0.131，BSN02 其次，達(dá)到0.12，BSN01 最小，達(dá)到0.106。因此，從試驗(yàn)效果上選擇以BSN02作為B 組分粉體的主要原料。

B 組分中主要的增稠劑BZCJ-20 由羥丙基甲基纖維素組成，主要的減水劑BJSJ-11 由羧酸系堿水材料組成，可通過(guò)調(diào)整2 者摻量來(lái)調(diào)整A、B 組分混合后的漿體稠度值，從而滿足噴漿工藝的要求，亦使噴涂材料具有較好的黏聚性，整體均勻不成團(tuán)。

B 組分中需要通過(guò)調(diào)整促凝劑BCNJ-Ⅰ和緩凝劑BHNJ-Ⅰ的配合比例來(lái)控制噴涂材料表干和固化時(shí)間，以滿足施工要求。同時(shí)，B 組分中適當(dāng)添加分散劑BFSJ-32 和消泡劑BXPJ-804，可調(diào)整噴涂材料的表面結(jié)皮性、材料密實(shí)性和表面抗裂性能，使材料具有良好的表觀效果。

1.3 新型噴涂材料配比

不同的A、B 組分比例會(huì)導(dǎo)致新型噴涂材料各方面的性能差異較大，因此，按A、B 組分比例0.5∶1、1∶1、1.5∶1、2∶1 分別進(jìn)行試驗(yàn)研究，考察不同配比下噴涂材料性能變化來(lái)確定合適的配比，不同配比下材料的表干時(shí)間和硬化時(shí)間如圖1，流淌性和流掛性如圖2，最大抗拉強(qiáng)度如圖3，最大延伸率如圖4。

圖1 不同配比下材料的表干時(shí)間和硬化時(shí)間圖Fig.1 Diagram of surface drying time and hardening time of different proportions

圖2 不同配比下材料的流淌性和流掛性圖Fig.2 Flow and hang up diagram of materials in different proportions

圖3 不同配比下材料的最大抗拉強(qiáng)度圖Fig.3 Maximum tensile strength diagram of materials in different proportions

圖4 不同配比下材料的最大延伸率圖Fig.4 Maximum elongation diagram of materials in different proportions

從上述試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，當(dāng)A、B 組分比例為0.5∶1 時(shí)，材料顯示為剛性，抗拉強(qiáng)度達(dá)到18.33 MPa，但延伸率不足3%，隨著A 組分比例的增加，材料的延伸率逐漸增大，抗拉強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)A、B組分比例達(dá)到2∶1 時(shí)，材料抗拉強(qiáng)度減小到2.57 MPa，延伸率增大到94.61%。材料的表干時(shí)間和固化時(shí)間、流淌性和流掛性也隨著A、B 組分比例的增大而延長(zhǎng)。當(dāng)A、B 組分比例為0.5∶1 時(shí)，材料表干時(shí)間8 min，硬化時(shí)間62 min，此配比下，材料沒(méi)有流淌性和流掛性，機(jī)械攪拌比較困難，漿體非常黏稠，無(wú)法進(jìn)行噴涂；當(dāng)A、B 組分比例為2∶1 時(shí)，材料表干時(shí)間55 min，硬化時(shí)間327 min，此配比下，漿體很稀，噴涂時(shí)霧化效果非常好，噴涂表面平整均勻，但由于流淌性和流掛性時(shí)間太長(zhǎng)，噴涂厚度較薄，容易墜流，此種稠度下不滿足噴涂施工工藝的需要；當(dāng)A、B 組分比例達(dá)到1∶1～1.5∶1 時(shí)，材料各參數(shù)滿足施工工藝要求需要，再考慮到施工配料的便利性，最終選擇A、B 組分比例1∶1 為最優(yōu)配合比。

1.4 噴涂材料覆蓋后的抗折試驗(yàn)

為了考察新型噴涂材料覆蓋后對(duì)煤巖體抗折性能的增強(qiáng)作用，試驗(yàn)設(shè)計(jì)將新型噴涂材料涂敷到水泥砂漿試塊表面，待材料養(yǎng)護(hù)齡期28 d 后，測(cè)試涂敷后板材的抗折強(qiáng)度，對(duì)比未涂敷的空白板材，以分析噴涂材料的對(duì)抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)作用。

將涂膜均勻的板材靜置于室內(nèi)4 h 后，即可放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度23 ℃，濕度90%左右，養(yǎng)護(hù)時(shí)間14 d 后，將板材拿出，置于室內(nèi)干養(yǎng)護(hù)14 d后即可進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試樣品抗折強(qiáng)度曲線圖如圖5。從圖5 中可以看出，空白樣砂漿板材最大抗折強(qiáng)度達(dá)到2.22 MPa，而變形率只有約1%；涂膜樣最大抗折強(qiáng)度達(dá)到2.35 MPa，變形率達(dá)到約7%。相比空白樣，涂膜樣最大抗折強(qiáng)度增加相對(duì)較少，但是在最大變形率上提高7～8 倍。由此可知，當(dāng)大斷面出現(xiàn)內(nèi)部開(kāi)裂破壞時(shí)，外層噴涂材料還能保證足夠的變形余量，使得表面噴涂層不開(kāi)裂，仍具有有效的阻隔空氣、水分滲透，防止瓦斯?jié)B漏、防止內(nèi)部煤巖體風(fēng)化的作用。

圖5 測(cè)試樣品抗折強(qiáng)度曲線圖Fig.5 Curves of flexural strength of test sample

2 井下工業(yè)試驗(yàn)

2.1 工程概況

山西長(zhǎng)平礦六盤區(qū)排矸機(jī)北巷為底抽巷道，掘進(jìn)過(guò)程中，直接底K6 灰?guī)r過(guò)于堅(jiān)硬，為保證巷道高度，破頂K7 細(xì)粒砂巖掘進(jìn)，易掘透暴露K7 砂巖上方的易風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層，且巷道兩幫均為易風(fēng)化砂質(zhì)泥巖。經(jīng)巖樣礦物成分分析，該砂質(zhì)泥巖含有大量的高嶺石，高嶺石遇水極易發(fā)生膨脹破壞，在頂板錨索鉆孔施工時(shí)沖水或者頂板裸露風(fēng)化作用下，砂質(zhì)泥巖發(fā)生離層變形，導(dǎo)致巷道頂板鼓出甚至發(fā)生冒落。

2.2 噴涂方案和噴涂工藝

為了防止底抽巷圍巖風(fēng)化破壞，掘進(jìn)后需及時(shí)噴涂封閉巷道圍巖，采用新型噴涂材料對(duì)巷道表面圍巖進(jìn)行快速封閉，A、B 組分配比為1∶1。分別選擇5、8、10、15 mm 4 種不同噴涂厚度進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

施工配備1 臺(tái)專用噴涂泵，噴涂泵采用空氣做動(dòng)力，壓縮空氣驅(qū)動(dòng)泵上的螺桿馬達(dá)對(duì)漿液進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁磭娡坎牧腺|(zhì)量比1∶1 倒入1 桶A 組分（液料）至泵上攪拌桶內(nèi)，同時(shí)慢慢加入B 組分（粉料），攪拌3～5 min 混合均勻后，通過(guò)泵體工作缸增壓后經(jīng)出漿管排出混合料至三通噴槍處，三通噴槍同時(shí)連接出漿管和高壓風(fēng)管，混合粉料在風(fēng)壓作用下被打散霧化噴涂出細(xì)霧狀小液滴，均勻覆蓋到煤巖體表面，噴涂距離為1～2 m，1 遍噴涂厚度為5 mm 左右，噴涂工藝示意圖如圖6。

圖6 噴涂工藝示意圖Fig.6 Painting process diagram

2.3 噴涂效果考察

2.3.1 噴涂覆蓋效果

從現(xiàn)場(chǎng)噴涂覆蓋效果上看，噴層均勻、完整、不脫落、無(wú)漏洞；噴層將裸露的錨桿、金屬網(wǎng)以及巖壁全封閉，有效地防止了井下潮濕空氣的侵蝕。

噴涂材料與巖壁黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到3.5 MPa，與鋼筋網(wǎng)黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到1.4 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到3 MPa、抗拉變形達(dá)到6%。噴層黏結(jié)力強(qiáng)，具有彈性，與錨網(wǎng)、圍巖黏結(jié)成1 個(gè)整體，且具有良好的抗裂和抗變形性能。

噴涂厚度8 mm 或者10 mm 為最優(yōu)選擇，頂板平整區(qū)域可噴涂8 mm 厚度，頂板不平整區(qū)域以及兩幫可噴涂10 mm 厚度，既可以保證覆蓋效果，又可以避免材料浪費(fèi)，采用的網(wǎng)片最好能夠緊貼巷幫，以達(dá)到錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)作用。

2.3.2 巷道變形觀測(cè)

不同噴涂厚度頂板下沉和兩幫移近量最大值如圖7。由圖7 可以看出，巷道未噴涂處頂板下沉量最大值為20 mm，兩幫移近量最大值為265 mm；巷道噴涂處頂板下沉量最大值在10 mm 以內(nèi)，兩幫移近量最大值在35～45 mm 之間。未噴涂處和噴涂處的變形量差異顯著。不同噴涂厚度下的巷道變形差異不大，其中噴涂厚5 mm 處的頂板下沉量略大于其他厚度。

2.3.3 快速噴涂施工效率

在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行500 m 噴涂試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)得出每延米材料用量是傳統(tǒng)噴射混凝土（噴漿層厚度為100～150 mm）用量的1/20～1/30。施工只需2～3 人操作，單班噴涂進(jìn)尺在20～30 m，而傳統(tǒng)噴射混凝土單班進(jìn)尺一般僅在3～4 m。施工速度能夠緊跟掘進(jìn)迎頭，及時(shí)封閉巷道易風(fēng)化圍巖表面。噴涂作業(yè)環(huán)境好，回彈量極小，無(wú)粉塵；大幅降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了粉塵對(duì)施工人員的身體危害。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）通過(guò)分析研究，新型噴涂材料A 組分選擇ASX02 水性樹(shù)脂,B 組分選擇BSN02 作為粉體的主要原料。當(dāng)A、B 組分比例達(dá)到1∶1～1.5∶1 時(shí)，材料各參數(shù)滿足施工工藝需求，其中1∶1 為最優(yōu)配合比。

2）試驗(yàn)測(cè)得經(jīng)過(guò)新型噴涂材料涂膜后，砂漿板材最大抗折強(qiáng)度增加相對(duì)較少，但是在最大變形率上提高7～8 倍，能有效防止材料開(kāi)裂風(fēng)化。

3）井下試驗(yàn)觀測(cè)，噴層外觀質(zhì)量好，噴層均勻、完整、不脫落、無(wú)漏洞，噴涂最優(yōu)厚度為8 mm 或者10 mm，施工速度快，作業(yè)環(huán)境好，回彈量極小，無(wú)粉塵，單班噴涂進(jìn)尺可達(dá)20～30 m。噴涂覆蓋后巷道變形量顯著減小，防風(fēng)化效果明顯。