掘進(jìn)大巷圍巖防護(hù)柔性薄噴技術(shù)研究

任寶勤

（山西晉煤太鋼能源有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033000）

噴漿是一種防止圍巖風(fēng)化、隔絕瓦斯有效手段，以往多采用混凝土噴漿方式，主要原材料為沙子、水泥，噴漿厚度50～200 mm，材料消耗多、運(yùn)輸工程量大、回彈率高、作業(yè)環(huán)境差，尤其是剛性噴漿層后期容易開(kāi)裂[1-3]。計(jì)劃在山西晉煤太鋼能源有限責(zé)任公司中部集中輔助運(yùn)輸大巷開(kāi)展柔性薄噴試驗(yàn)，目的是解決開(kāi)裂問(wèn)題、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、改善作業(yè)環(huán)境。

1 工程背景

山西晉煤太鋼能源有限責(zé)任公司中部集中輔助運(yùn)輸大巷目前正在掘進(jìn)當(dāng)中，北、東、南側(cè)均為實(shí)體煤巖層，西側(cè)為一采區(qū)中部集中輔助運(yùn)輸大巷。巷道施工總長(zhǎng)度為3193 m，分為三個(gè)階段掘進(jìn)。第一階段和第三階段為巖巷，總長(zhǎng)910 m；中間第二階段為煤巷，長(zhǎng)度2283 m。

（1）斷面

采用兩種斷面，巖巷采用1-1 斷面，煤巷采用2-2斷面。1-1 斷面：拱形巷道，掘進(jìn)寬度為5.9 m，高度為4.95 m，拱高為2.95 m，墻高為2 m，掘進(jìn)斷面積25.47 m2；2-2 斷面：矩形巷道，掘進(jìn)寬度5.9 m，掘進(jìn)高度4.65 m，掘進(jìn)斷面積27.44 m2。

（2）圍巖性質(zhì)

直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為5.44 m，深灰色，水平層理，節(jié)理發(fā)育，局部巖芯破碎，底部含黃鐵礦。煤巷層位在4+5 號(hào)煤層中，煤層平均厚度為4.5 m，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，夾矸多為泥巖。頂板和煤幫結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度較低。

（3）瓦斯

根據(jù)《山西晉煤太鋼能源有限責(zé)任公司三交一號(hào)井田先期開(kāi)采地段勘探地質(zhì)報(bào)告》，4#和5#煤層瓦斯相對(duì)涌出量為4.94 m3/t，為高瓦斯礦井。

（4）煤塵

4#煤層火焰長(zhǎng)度為大于280 mm，抑制煤塵爆炸最低巖粉用量65%；5#煤層火焰長(zhǎng)度為大于400 mm，抑制煤塵爆炸最低巖粉用量60%～130%。煤塵均有爆炸性。

（5）自燃等級(jí)

4#煤層自燃等級(jí)為Ⅱ類(lèi)自燃，自燃傾向性為自燃煤層；5#煤層自燃等級(jí)為Ⅱ類(lèi)自燃，自燃傾向性為自燃煤層。

綜合分析，中部集中輔助運(yùn)輸大巷頂板和煤幫結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度較低，瓦斯含量高，煤塵具備爆炸性，煤層Ⅱ類(lèi)自燃，必須對(duì)圍巖采取噴漿封閉措施，提高圍巖強(qiáng)度，有效隔絕空氣和瓦斯，保障巷道長(zhǎng)期安全使用。

2 柔性薄噴材料

2.1 性能介紹

柔性薄噴材料為近兩年來(lái)逐漸應(yīng)用于井下的一種噴涂材料，分為A 型和B 型，A 型為粉料，25千克/袋，B 型為桶裝乳液，50 千克/桶，二者按照質(zhì)量比1:1 配合使用。其主要性能如下：

（1）混合后為粘稠狀漿體，通過(guò)專(zhuān)用設(shè)備均勻噴涂在圍巖上，具備良好的掛壁性能，基本無(wú)回彈，無(wú)浪費(fèi)。

（2）噴涂厚度僅需3～5 mm，每噸材料實(shí)際上可噴涂200 m2，而每噸混凝土最多可噴10 m2，極大節(jié)約了材料使用量和運(yùn)輸量。

（3）約12 h 完全固化，固化后緊密附著在圍巖上，噴涂層具有良好的柔韌性，遇巷道圍巖變形不開(kāi)裂。

（4）成型后，具備0.5～2 MPa 粘結(jié)強(qiáng)度，4.5 MPa 抗拉強(qiáng)度。

（5）反應(yīng)溫度低。為有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料，不產(chǎn)生高溫反應(yīng)，最高反應(yīng)溫度40 ℃，無(wú)有毒有害氣體揮發(fā)。

（6）絕對(duì)阻燃、抗靜電。

2.2 與混凝土對(duì)比

（1）性能對(duì)比

柔性薄噴材料無(wú)論從材料性能、施工難易程度、施工作業(yè)環(huán)境、材料消耗及運(yùn)輸方面，均具備較大優(yōu)勢(shì)。

但由于噴涂厚度較薄，對(duì)于支護(hù)良好、變形量不大的圍巖防護(hù)效果較好，對(duì)于鼓出量特別大的巷道并不適用，而混凝土適應(yīng)性更強(qiáng)。本次巷道埋深不大，巷道變形較小，柔性薄噴材料更為適用。

（2）成本對(duì)比

以2000 m2圍巖噴涂為例，柔性薄噴厚度為5 mm，混凝土噴涂厚度100 mm，綜合考慮材料成本、運(yùn)輸成本、施工成本進(jìn)行對(duì)比。

柔性薄噴：材料噸成本14 000 元，按照5 mm噴涂厚度，每噸材料約可噴涂200 m2，共計(jì)需要10 t 材料，成本140 000 元；3 人施工，每天可噴涂1000 m2，每人每天300 元計(jì)，施工成本約1800 元；運(yùn)輸成本約1000 元；合計(jì)142 800 元。

混凝土噴漿：厚度100 mm，每1 m2用料0.1 m3，考慮回彈率25%，共計(jì)需要250 m3混凝土，井下制備混凝土材料成本按照700 元/ 立方米計(jì)算，材料成本175 000 元；4 人施工，每天可施工20 m3，每人每天300 元計(jì)，施工成本約15 000 元；運(yùn)輸成本約25 000 元；合計(jì)215 000 元。

對(duì)比可知，柔性薄噴雖然材料單價(jià)較高，但消耗量少，施工成本低，整體具備較大的成本優(yōu)勢(shì)。

3 柔性薄噴設(shè)備及實(shí)施工藝

3.1 噴涂設(shè)備

采用全風(fēng)動(dòng)噴涂設(shè)備，由攪拌系統(tǒng)、排漿系統(tǒng)組成。開(kāi)啟攪拌系統(tǒng)氣動(dòng)馬達(dá)，材料通過(guò)攪拌系統(tǒng)攪拌均勻后，開(kāi)啟排漿系統(tǒng)氣動(dòng)馬達(dá)，漿液從攪拌桶下料孔進(jìn)入排漿系統(tǒng)，通過(guò)螺桿擠壓產(chǎn)生輸出壓力，通過(guò)管路輸送至指定位置。攪拌系統(tǒng)和排漿系統(tǒng)氣動(dòng)馬達(dá)通過(guò)減速機(jī)和進(jìn)氣閥門(mén)開(kāi)關(guān)控制轉(zhuǎn)速。

噴涂設(shè)備上有出漿口，通過(guò)出料管，連接噴漿槍頭進(jìn)料口，另外專(zhuān)門(mén)接一趟壓風(fēng)連接在噴漿槍頭進(jìn)氣口。料漿進(jìn)入噴漿槍頭后，壓風(fēng)將漿體噴出霧化，均勻地噴涂在圍巖上。

3.2 二次噴涂實(shí)施工藝

柔性薄噴材料較為粘稠，要同時(shí)保障可輸送和掛壁性能。

噴漿時(shí)，為防止?jié){料四處流淌，采用二次噴涂工藝。第一次噴涂厚度2～3 mm，等待大約2 h，表面表干后可進(jìn)行二次噴涂，第二次噴涂厚度2～3 mm，最終噴涂厚度5 mm 左右，自然條件養(yǎng)護(hù)。

二次噴涂工藝也有利于覆蓋第一次噴涂因圍巖表面不平整產(chǎn)生的裂隙，加強(qiáng)封閉效果。

現(xiàn)場(chǎng)要求風(fēng)壓不得低于0.3 MPa，否則無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)備啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)和壓風(fēng)霧化要求，噴槍口距離圍巖0.5 m 左右噴涂效果最佳。設(shè)備使用完畢后，采用清水徹底清洗設(shè)備和噴漿槍頭，防止凝固堵塞。

4 實(shí)施效果考察

4.1 實(shí)施情況

在中部集中輔助運(yùn)輸大巷2283 m 煤巷區(qū)域開(kāi)展柔性薄噴工業(yè)性試驗(yàn)，目前已經(jīng)實(shí)施1000 m 長(zhǎng)度，噴涂位置為頂板、兩幫，總計(jì)噴涂面積15 200 m2，消耗柔性薄噴材料75 t，每天實(shí)施6 t，工期約13 d，而采用混凝土噴漿至少需要1520 m3，76 d 工期。薄噴實(shí)施后，12 h 左右完全固化成型，柔韌性良好，未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

4.2 效果考察

在柔性薄噴過(guò)后，開(kāi)展長(zhǎng)期跟蹤效果觀測(cè)。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，巷道掘進(jìn)后7 d 左右變形穩(wěn)定，兩幫累計(jì)移近量約60 mm，頂板下沉量約30 mm，監(jiān)測(cè)巷幫瓦斯?jié)舛乳L(zhǎng)期在0.02%以下，未出現(xiàn)煤體瓦斯泄漏超限情況。

5 結(jié)論

（1）中部集中輔助運(yùn)輸大巷頂板和煤幫結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度較低，瓦斯含量高，煤塵具備爆炸性，煤層Ⅱ類(lèi)自燃，必須對(duì)圍巖采取噴漿封閉措施，提高圍巖強(qiáng)度，有效隔絕空氣和瓦斯，保障巷道長(zhǎng)期安全使用。

（2）柔性薄噴材料噴涂厚度僅3～5 mm，每噸材料實(shí)際上可噴涂200 m2，材料消耗少，噴涂層具有良好的柔韌性，不開(kāi)裂，與混凝土噴漿相比，在技術(shù)上和成本上均具備較大的優(yōu)勢(shì)。

（3）在中部集中輔助運(yùn)輸大巷開(kāi)展1000 m 工業(yè)性試驗(yàn)，采用二次噴涂工藝，實(shí)施速度快，成型良好，有效控制了巷道變形和煤體瓦斯泄漏。