礦用高分子塑性封閉材料密閉性能研究

喬金林，馬鳳林，秦 乾，李亞輝，李 強(qiáng)

(1.國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市海淀區(qū)，100083；3.內(nèi)蒙古京潤(rùn)礦安科技有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017000)

0 引言

煤炭在未來相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)作為我國(guó)主體能源的地位不可替代，仍在國(guó)家能源安全中發(fā)揮“壓艙石”的作用[1]。煤炭開采過程中，通風(fēng)及巷道密閉性對(duì)于煤炭安全開采具有重要意義，煤礦井下采空區(qū)的遺煤自然發(fā)火問題是威脅煤礦安全生產(chǎn)的重大隱患[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有50%左右的煤礦存在自然發(fā)火危險(xiǎn)，而這些自然發(fā)火多數(shù)是由采空區(qū)遺煤自燃所致，采空區(qū)遺煤自燃的主要原因是采空區(qū)漏風(fēng)，同時(shí)由于漏風(fēng)引起煤自燃火災(zāi)又是誘發(fā)瓦斯爆炸的重要因素之一[3-6]。隨著煤炭開采朝著大型化和深部化發(fā)展，采空區(qū)及沿空巷道的堵漏風(fēng)面積不斷增大，在高地應(yīng)力、高溫等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下，堵漏風(fēng)難度大大提高，由于漏風(fēng)引起的煤層自燃的概率急劇增大，井下人員、設(shè)備的安全威脅陡增[7]。

堵漏風(fēng)技術(shù)是通過破壞煤自燃的供氧條件達(dá)到防滅火目的的重要技術(shù)方法，主要有構(gòu)筑密閉墻、噴涂堵漏風(fēng)等方法[7-8]。噴涂堵漏風(fēng)技術(shù)因施工靈活、用量小而受到廣泛關(guān)注。目前，噴涂材料主要有混凝土和聚氨酯類材料兩大類。眾多學(xué)者對(duì)以噴射混凝土為代表的無機(jī)噴涂材料開展了大量研究。白金超等[9]對(duì)干、濕噴混凝土進(jìn)行了研究，明確了其受載力學(xué)特性及破壞機(jī)制；葉飛等[10]開展了噴射混凝土配合比優(yōu)化試驗(yàn)研究，明確了影響混凝土滲流結(jié)晶的主要因素；曾魯平等[11]對(duì)不同噴射工藝下的硬化噴射混凝土進(jìn)行研究，明確了其氣泡結(jié)構(gòu)特性、抗水滲透等性能；周剛等[12]對(duì)煤礦錨噴作業(yè)區(qū)噴漿粉塵運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了研究，研發(fā)了新型濕噴一體機(jī)，降低了混凝土物料的回彈率及粉塵濃度。然而，隨著煤礦開采難度的不斷增加，圍巖應(yīng)力越來越大，噴涂在圍巖表面的水泥基材料在礦壓作用下不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量裂隙，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)這些裂隙，將形成漏風(fēng)通道。同時(shí)混凝土噴層存在固結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，施工回彈率高，水泥、砂子等材料運(yùn)輸量大，噴涂作業(yè)步驟程序繁瑣等問題[7]。

目前，以聚氨酯類材料為代表的有機(jī)噴涂材料越來越受到研究人員的關(guān)注，聚氨酯類噴涂材料具有膨脹倍數(shù)高、固結(jié)時(shí)間短、粘結(jié)性好、韌性高、密閉良好的特點(diǎn)，可在短時(shí)間內(nèi)迅速隔絕危險(xiǎn)區(qū)域，形成密閉的環(huán)境[13-14]。另外，聚氨酯泡沫材料快速發(fā)泡成型，固化后具有較大的韌性，不發(fā)脆、不開裂，具有優(yōu)異的密封性能，是充填、密閉的最佳選擇[15]。越來越多的新型聚氨酯材料應(yīng)用在礦山建設(shè)中，馮志強(qiáng)等[16]通過硅酸鹽對(duì)傳統(tǒng)聚氨酯注漿材料進(jìn)行了改性研究，研發(fā)出既能保留聚氨酯材料本身優(yōu)異的力學(xué)性能又可避免其可燃等安全性能的缺點(diǎn)、適合礦山井下使用的改性聚氨酯注漿材料。隨著對(duì)煤礦安全高效生產(chǎn)的需求提升，要使聚氨酯材料更廣泛地應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)中，需要對(duì)聚氨酯材料的合成原料、合成工藝和施工條件進(jìn)行改進(jìn)，降低其生產(chǎn)成本，提高堵漏風(fēng)效果，同時(shí)研發(fā)配套施工設(shè)備，形成快速噴涂工法。

基于筆者團(tuán)隊(duì)研發(fā)的KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料，配套研發(fā)了塑性密閉材料施工設(shè)備，形成了快速噴涂施工方法；開展了噴射混凝土與新型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料數(shù)值對(duì)比試驗(yàn)，明確了不同噴涂材料作用下的圍巖控制效果。在工程現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用新型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料，取得了良好的密閉堵漏風(fēng)效果。

1 工程概況

1.1 工作面概況

石圪臺(tái)煤礦位于陜西省榆林市神木縣北部，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1 000萬t/a。該礦22上102綜采工作面位于井田22上號(hào)煤層一盤區(qū)，工作面布置1條主運(yùn)巷、1條回風(fēng)巷，其中主運(yùn)巷兼做進(jìn)風(fēng)巷，回風(fēng)巷兼做輔運(yùn)巷，回采過程中對(duì)主運(yùn)巷沿空留巷。工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 工作面巷道布置

1.2 原支護(hù)方案

22上102綜采工作面煤層平均厚度2.0 m，平均埋深89 m，直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.2 m，基本頂為細(xì)粒砂巖，平均厚度約9.2 m，直接底為中粒砂巖，平均厚度約6.7 m。

巷道斷面尺寸2.5 m×5.5 m(高×寬)。頂板采用錨索+錨桿+錨網(wǎng)支護(hù)，錨索型號(hào)為Φ21.6 mm×6 500 mm，間排距2 000 mm×4 000 mm；錨桿型號(hào)為Φ18 mm×1 800 mm，間排距1 000 mm×1 000 mm；錨網(wǎng)型號(hào)為Φ6.5 mm鋼筋網(wǎng)。兩幫采用錨桿+錨網(wǎng)支護(hù)，錨桿型號(hào)為Φ18 mm×1600 mm，間排距900 mm×1 500 mm；錨網(wǎng)型號(hào)為2 500 mm×2 000 mm塑料網(wǎng)。

巷旁采用柔模混凝土連續(xù)墻體支護(hù)，柔模砼墻沿22上102工作面正幫澆筑，正常回采推進(jìn)澆筑墻體厚度1 m，沿空留巷段混凝土強(qiáng)度為C40。具體支護(hù)參數(shù)如圖2所示。

圖2 巷道支護(hù)參數(shù)

巷道原支護(hù)方案以C30混凝土噴層為主要密閉措施，由于礦壓顯現(xiàn)及周期來壓影響，22上102主運(yùn)巷沿空留巷混凝土噴層開裂嚴(yán)重。兩幫及頂板混凝土噴層開裂、剝落，形成漏風(fēng)通道，巷道密閉性受到嚴(yán)重破壞，易引發(fā)采空區(qū)遺煤自燃以及瓦斯涌出。同時(shí)，由于混凝土層剝落導(dǎo)致支護(hù)構(gòu)件裸露，加快了支護(hù)構(gòu)件的腐蝕速度，使支護(hù)強(qiáng)度下降，威脅巷道圍巖穩(wěn)定性，影響煤礦安全生產(chǎn)。

2 KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料

2.1 聚氨酯材料制備原理

聚氨酯材料是指由A組分(氫基化合物)和B組分(異氰酸酯)混合反應(yīng)生成的產(chǎn)物?？稍诔亍⒊合陆?jīng)過混合攪拌，迅速反應(yīng)而形成。

在普通聚氨酯材料的基礎(chǔ)上，研究發(fā)現(xiàn)A組分、B組分按體積比1∶1混合固化后生成的固結(jié)體具有較高黏結(jié)強(qiáng)度和密閉性，經(jīng)過合理增添阻燃劑、抗靜電劑、表面活性劑、增塑劑等多種組分，研發(fā)了KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料。

2.2 KA-GK加強(qiáng)型聚氨酯材料參數(shù)

研發(fā)得到的KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料與普通噴射混凝土材料性能參數(shù)見表1，其特性主要體現(xiàn)在：反應(yīng)時(shí)間短、固結(jié)速度快；反應(yīng)產(chǎn)物膨脹倍數(shù)高；氣密性好、閉孔率高；韌性高、粘結(jié)性高、不易開裂或脫落；噴射回彈率低、施工速度快、效率高。

表1 KA-GK聚氨酯材料和普通噴射混凝土性能參數(shù)

基于KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)γ旱V井下密閉墻封閉及巷道堵漏風(fēng)等防滅火關(guān)鍵措施發(fā)揮重要作用。

2.3 噴涂堵漏風(fēng)聚氨酯材料施工技術(shù)

在煤礦巷道的錨噴支護(hù)作業(yè)中，混凝土噴射技術(shù)和設(shè)備對(duì)支護(hù)作業(yè)的效率和質(zhì)量有顯著影響。目前，混凝土噴射設(shè)備主要由空壓機(jī)、噴射機(jī)、速凝劑添加裝置及機(jī)械手等構(gòu)成，噴射采用的技術(shù)工藝主要有干式噴射、濕式噴射和潮式噴射3種，干式噴射存在粉塵大、回彈率高、水灰比難以準(zhǔn)確控制的缺點(diǎn)，而濕式噴射和潮式噴射雖然克服了粉塵大的缺點(diǎn)，但是會(huì)造成噴涂設(shè)備難以清理。

因此，為有效避免噴射混凝土施工過程中的各種問題，使用自主研發(fā)的煤礦專用高壓噴涂設(shè)備，按照A、B組分進(jìn)行1∶1比例進(jìn)料，通過靜態(tài)混合器自動(dòng)混合，即可實(shí)現(xiàn)施工。將注液泵固定好，接好氣源，分別將2根吸液管連好插入A、B料桶(或配備的箱)內(nèi)，2根輸排管連在噴槍上，從噴槍接輸液管至噴涂地點(diǎn)即可。

3 礦用密閉材料數(shù)值對(duì)比試驗(yàn)

3.1 模型建立

應(yīng)用FLAC3D軟件對(duì)石圪臺(tái)煤礦22上102工作面分別采用KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料和4種混凝土材料(C30、C40、C50、C60)噴涂方式進(jìn)行噴涂并建立模型。其中數(shù)值模擬建立的模型尺寸為250 m×100 m×120 m，如圖3所示，模擬巷道尺寸為6.0 m×2.5 m，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于沿空留巷的頂板中部，距前后出口斷面50 m，距左右巷幫3 m。

圖3 數(shù)值模型

3.2 方案設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步驗(yàn)證采用KA-GK聚氨酯材料進(jìn)行噴涂對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和圍巖的變形影響，分別采用C30、C40、C50、C60和KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料5種材料對(duì)巷道進(jìn)行噴涂，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB500010-2002)選取不同等級(jí)混凝土噴層參數(shù)，根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值對(duì)KA-GK材料賦值，材料參數(shù)見表2。各方案巷道分10次開挖，每次開挖深度為10 m，共開挖100 m。

表2 噴層材料參數(shù)表

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 圍巖沉降變形對(duì)比分析

圍巖沉降變形通過測(cè)點(diǎn)的豎向位移值來衡量，不同噴射材料測(cè)點(diǎn)的豎向位移曲線如圖4所示。由圖4分析可知，采用C30、C40、C50、C60和KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料進(jìn)行噴涂數(shù)值模擬時(shí)，巷道掘進(jìn)100 m時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的豎向位移值分別為26、25、24、24、39 mm，而且C30、C40、C50、C60和KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料時(shí)的豎向位移差異率穩(wěn)定在0.1%～2.0%之間。由此可以得出，使用KA-GK聚氨酯材料對(duì)煤礦巷道進(jìn)行噴涂時(shí)，造成的頂板豎向位移，即圍巖沉降變形量與普通混凝土材料相差不大，驗(yàn)證了KA-GK聚氨酯材料在控制圍巖變形方面與普通混凝土噴射材料等效。

圖4 不同噴射材料測(cè)點(diǎn)的豎向位移曲線

3.3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)比分析

不同噴射材料的應(yīng)力曲線如圖5所示。由圖5分析可知，采用C30、C40、C50、C60和KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料進(jìn)行巷道噴涂數(shù)值模擬時(shí)，巷道掘進(jìn)100 m時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的主應(yīng)力值分別為0.018、0.016、0.016、0.014、0.080 MPa，產(chǎn)生的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力與4種普通混凝土噴涂材料差異率控制在0.1%～6.0%之間。由此可以得出，使用KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料對(duì)煤礦巷道進(jìn)行噴涂時(shí)不會(huì)造成煤礦巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的下降，能夠保障煤礦井下作業(yè)人員的生命安全。

圖5 不同噴射材料的應(yīng)力曲線

綜上所述，數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料能夠替代普通混凝土噴涂材料對(duì)煤礦巷道進(jìn)行噴涂堵漏風(fēng)處理，并且不會(huì)對(duì)圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成不利影響。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 巷道密閉性破壞分析

22上103工作面巷道采用傳統(tǒng)的混凝土噴涂材料密閉，22上102工作面巷道采用KA-GK聚氨酯材料進(jìn)行對(duì)比，在22上102工作面和22上103工作面布置瓦斯泄露量監(jiān)測(cè)儀器，對(duì)工作面機(jī)尾安全出口處的瓦斯氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

相關(guān)人員在工程現(xiàn)場(chǎng)分別設(shè)置早、中、夜3個(gè)班次對(duì)機(jī)尾安全出口的瓦斯氣體濃度進(jìn)行為期30 d的監(jiān)測(cè)，將得到的數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖6所示。

圖6 不同班次機(jī)尾安全出口瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)曲線

由圖6可知，采用KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)噴涂的22上102工作面早、中、夜班的瓦斯氣體排出量明顯低于采用普通混凝土進(jìn)行噴涂的22上103工作面，說明KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料能夠合理地維持巷道的密閉性，不會(huì)造成巷道過度漏風(fēng)、漏氣現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料能夠有效隔絕有害氣體滲入巷道內(nèi)部，這對(duì)保證煤礦井下工人的安全以及防火防災(zāi)具有重要作用。

4.2 KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)際效果

煤礦巷道采用混凝土進(jìn)行噴射時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)效果如圖7所示。由圖7可以明顯看出，采用噴射混凝土進(jìn)行堵漏風(fēng)處理時(shí)煤礦巷道出現(xiàn)了頂板下沉和巷幫開裂的現(xiàn)象，造成了錨網(wǎng)露出、巷道潮濕漏水，甚至在某些位置未達(dá)到密封的效果，顯然會(huì)為煤礦巷道滲入有毒有害氣體留下隱患，不利于井下安全作業(yè)。

煤礦巷道采用KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料進(jìn)行噴射時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)效果如圖8所示。與圖7對(duì)比后可以看出，采用KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料進(jìn)行噴射時(shí)巷道整體的堵漏風(fēng)效果明顯，并且密閉性良好，并未出現(xiàn)錨網(wǎng)露出、巷幫開裂的現(xiàn)象，采用KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料的噴涂效果整體上也較普通混凝土材料美觀、清潔。

圖7 混凝土噴射現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

圖8 KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

綜上，普通混凝土材料與KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果說明，在煤礦巷道的堵漏風(fēng)方面，KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料明顯優(yōu)于混凝土材料，KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料完全可以取代普通混凝土對(duì)煤礦巷道進(jìn)行堵漏風(fēng)處理，能夠?qū)χёo(hù)結(jié)構(gòu)起到充分保護(hù)作用，并且能夠最大程度保證巷道的密閉性能，為井下安全作業(yè)提供重要保證，另外，噴涂過程也不會(huì)出現(xiàn)大量粉塵，對(duì)工作人員的身體健康也可發(fā)揮一定的保護(hù)作用。

4.3 圍巖變形結(jié)果分析

通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和采集，繪制了巷道頂?shù)装逦灰埔平亢蛢蓭褪諗苛康淖兓€，如圖9和圖10所示。

圖9 頂?shù)装逡平壳€

圖10 兩幫收斂量曲線

由圖9和圖10可知，22上102工作面采用KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料進(jìn)行噴涂時(shí)，得到的頂?shù)装逡平壳€和兩幫收斂量曲線與采用普通混凝土進(jìn)行噴射的22上103工作面變化趨勢(shì)大致相同，即控制的圍巖變形相差不大，與數(shù)值模擬的結(jié)果可以契合。

綜上，在巷道圍巖控制方面，使用KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料進(jìn)行噴涂處理時(shí)，頂?shù)装逡平亢蛢蓭褪諗苛烤c普通混凝土噴射材料進(jìn)行處理的巷道相差不大，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明了KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料的應(yīng)用不會(huì)對(duì)巷道變形造成不利影響，不會(huì)影響到巷道的正常使用。使用KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料噴涂時(shí)，巷道變形量略大于使用普通混凝土材料噴涂的巷道變形量，進(jìn)一步說明KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料具備更好的韌性和塑性。

5 結(jié)論

(1)與傳統(tǒng)的普通混凝土材料相比，KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料具有固結(jié)時(shí)間短、氣密性好、回彈率低、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，從而能夠有效對(duì)煤礦井下巷道進(jìn)行堵漏風(fēng)處理，為煤礦井下安全作業(yè)提供了重要保障。

(2)以石圪臺(tái)煤礦22上102工作面的沿空留巷為背景，數(shù)值模擬結(jié)果顯示采用KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料不會(huì)對(duì)圍巖的變形和受力產(chǎn)生不利影響，且不會(huì)造成支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的降低，驗(yàn)證了KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料完全可以替代普通混凝土材料，對(duì)煤礦巷道進(jìn)行堵漏風(fēng)處理。

(3)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證，相較于普通混凝土材料，KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料在氣密性、韌性方面均具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)，且KA-GK加強(qiáng)型堵漏風(fēng)用聚氨酯材料不容易開裂、脫落。