長平礦底抽巷易風(fēng)化圍巖薄層噴涂快速封閉加固技術(shù)應(yīng)用

郝汝棟

（晉能控股裝備制造集團(tuán)，山西 晉城 048000）

長平礦為有效治理瓦斯問題，采用施工底抽巷穿層鉆孔抽采煤層瓦斯方式，掩護(hù)煤巷掘進(jìn)及綜采工作面回采。底抽巷掘進(jìn)區(qū)域和大部分區(qū)段的頂板及兩幫圍巖均為泥巖，極易風(fēng)化變形破碎。噴涂層能夠有效隔絕空氣[1-4]，減輕圍巖風(fēng)化，適應(yīng)圍巖變形，為頂板維護(hù)的有效手段，對(duì)巷道安全穩(wěn)定具有重要意義。

1 工程概況

底抽巷距3#煤底板方向約11 m，設(shè)計(jì)高度3.2 m，沿K7 砂巖頂板布置，K6 灰?guī)r為底板，巷道高度即為3.2 m 厚的泥巖層，掘進(jìn)區(qū)域及巷道兩幫為全泥巖層。K7 細(xì)粒砂巖發(fā)育不完全，約0～1.2 m 厚，且掘進(jìn)過程極易垮落，因此，底抽巷多數(shù)頂板以泥巖層為主。K6 灰?guī)r強(qiáng)度大，厚度約為2.8 m，均勻?qū)永怼?/p>

底抽巷頂板為K7 細(xì)粒砂巖，發(fā)育不完全，更上方為約3 m 厚砂質(zhì)泥巖，易風(fēng)化破碎。本試驗(yàn)底抽巷為新掘巷道，大部分區(qū)域頂板未能留下K7 細(xì)粒砂巖，不能對(duì)更上方的泥巖起到隔絕保護(hù)作用，兩幫為砂質(zhì)泥巖，受掘進(jìn)影響及風(fēng)化作用較為破碎，凹凸不平。

2 薄層柔性噴涂材料試驗(yàn)

2.1 薄層柔性噴涂材料支護(hù)機(jī)理

1）承載殼作用。假定薄層柔性噴涂材料的噴層為一獨(dú)立的支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過自身的抗壓、抗彎強(qiáng)度承載外部載荷。其截面受正應(yīng)力、剪力及彎矩，對(duì)圍巖起到承載殼作用。

2）膠結(jié)作用。包括兩方面，一是薄層柔性噴涂材料與圍巖的粘結(jié)作用，體現(xiàn)在TSL 噴層與巖面間的附著強(qiáng)度；二是薄層柔性噴涂材料滲入圍巖裂隙中的膠結(jié)作用，提高節(jié)理內(nèi)聚力?？傊琓SL 通過膠結(jié)作用連接巖體，形成局部復(fù)合承載拱結(jié)構(gòu)。

3）楔子作用。巷道圍巖塌落需具備兩個(gè)條件：一是施加的主動(dòng)力大于塊體間阻力，二是巖塊滑落過程中有足夠的剪漲空間。當(dāng)噴層材料滲入裂隙，猶如楔子充填了裂隙空間，巖塊在下落過程中會(huì)由于沒有足夠的剪漲空間而保持穩(wěn)定；噴涂如注漿一樣充填了節(jié)理，使得巖體整體抗壓強(qiáng)度增加。

2.2 薄層柔性噴涂材料構(gòu)成

薄層柔性噴涂材料是一種水性聚合物樹脂膠體與水硬性膠凝材料共同組成的復(fù)合材料。為改善工藝性能，配以增稠劑、調(diào)凝劑、填料等多種成分，通過水性膠體成膜固化和水硬性膠凝材料水化固化共同作用，使各種組分固化物膠結(jié)成具有一定強(qiáng)度的固結(jié)體材料。薄層柔性噴涂材料A 組分主要由水性聚合物樹脂材料構(gòu)成，B 組分主要由水硬性膠凝材料等構(gòu)成。通過AB 組分配方試驗(yàn)分析，A 組分比例為1～1.5 時(shí)，B 組分比例應(yīng)為1，材料各參數(shù)得到的性能指標(biāo)滿足工程施工工藝及應(yīng)用的需求。

1）薄層柔性噴涂材料A 組分

為使薄層柔性噴涂材料在固化后具有較高的抗拉性能、粘接性能、變形性能，本文對(duì)比研究以下三種（表1）水性聚合物樹脂材料的抗拉強(qiáng)度、最大延伸變形、粘接強(qiáng)度的情況，選擇技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的水性聚合物樹脂。

表1 薄層柔性噴涂材料A 組分主要水性聚合物樹脂

表1 顯示，水性樹脂ASX01、ASX02、ASX03的pH 值基本顯中性，對(duì)環(huán)境均偏友好；水性樹脂ASX01 的黏度最大，與其他兩種有較大差別，是其他兩種的4～5 倍，配方調(diào)節(jié)最為困難，固定比例溶液造成漿料稀稠度批次差別較大，質(zhì)量控制難度較大，故不予考慮水性樹脂ASX01；水性樹脂ASX03 的玻璃化溫度最大，是其他兩種的2～4 倍，常溫且在相同配比條件下，成膜后樣品最硬、強(qiáng)度最大，受力后極易產(chǎn)生裂紋；水性樹脂ASX02 的玻璃化溫度最小，成膜后樣品較軟，受力后具有可塑性，彎曲不易出現(xiàn)裂紋。此外，樹脂的固含量對(duì)薄層柔性噴涂材料成膜后質(zhì)量控制較高，固含量越高，成膜質(zhì)量越好，故優(yōu)先考慮黏度適中、玻璃化溫度較小、固含量更高的水性樹脂ASX02，作為薄層柔性噴涂材料A 組分進(jìn)行配合比試驗(yàn)研究。

2）薄層柔性噴涂材料B 組分

薄層柔性噴涂材料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、消泡劑等組成。B 組分的各種原料均為粉體材料，粒度一般要求200 目以上，無結(jié)塊，無雜質(zhì)。

表2 顯示，BSN01、BSN02、BSN03 三種薄層柔性噴涂材料B 組分的粒度、安定性均符合要求，材料粒度越小，水化速度越快，水化熱越大；凝結(jié)時(shí)間BSN02適中，達(dá)到35 min；28 d抗壓強(qiáng)度，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。試驗(yàn)效果綜合比較，薄層柔性噴涂材料B 組分選擇BSN02 作為主要原料。

表2 薄層柔性噴涂材料B 組分的主要技術(shù)參數(shù)

2.3 材料增強(qiáng)混凝土面抗折試驗(yàn)

通過在混凝土試塊表面涂敷配比好的薄層柔性噴涂材料，按規(guī)定養(yǎng)護(hù)28 d，與空白混凝土試塊對(duì)比抗折性能，分析增強(qiáng)的抗折性能。

圖1 顯示，空白樣抗折的破壞為脆性破壞，最大抗折強(qiáng)度達(dá)到2.22 MPa，材料完全開裂，不再具有支撐作用；涂膜樣變形率達(dá)到2%時(shí)，最大抗折強(qiáng)度達(dá)到2.35 MPa，整體變形呈現(xiàn)出階段性變化。隨著壓力增大，涂膜樣材料抗折強(qiáng)度迅速增大，變形率0%～2%階段主要由混凝土試塊抗折強(qiáng)度支撐；當(dāng)變形率達(dá)到2%時(shí)，涂膜樣混凝土試塊開裂，但在噴涂材料的支撐作用下，整個(gè)斷面并未完全斷裂，變形率逐漸增大，材料抗折強(qiáng)度逐漸減小，呈現(xiàn)塑性破壞規(guī)律；當(dāng)變形率達(dá)到6%左右時(shí)，這個(gè)試樣完全開裂。對(duì)比空白樣，涂膜樣混凝土試塊最大抗折強(qiáng)度增加0.13 MPa，變化不大；但最大變形率從1%提高至6%以上。由此，當(dāng)圍巖內(nèi)部出現(xiàn)大面積開裂破碎后，由于薄層柔性噴涂材料作用，仍可保證一定的變形余量，且表面噴涂層不開裂，能夠繼續(xù)確保圍巖封閉，最大程度維持圍巖自然穩(wěn)定性。

圖1 兩種樣品抗折強(qiáng)度曲線圖

3 工業(yè)性試驗(yàn)效果研究

3.1 工程概況

本次底抽巷噴涂實(shí)施區(qū)域總計(jì)530 m，包括5 mm 厚、7～8 mm 厚、10 mm 厚3 種噴涂厚度。噴涂區(qū)域及對(duì)應(yīng)礦壓測(cè)區(qū)分布情況見表3。

表3 不同噴涂方式及礦壓測(cè)區(qū)分布表

3.2 不同方式下巷道表面位移對(duì)比

巷道表面位移觀測(cè)為最直觀、最有效的效果考察方式，采用“十”字布點(diǎn)法，OA 的變化量反映頂板的下沉量，OB 的變化量反映底板的隆起量，OB 和OC 的變化量反映左右兩幫的幫鼓量。在4個(gè)測(cè)區(qū)分別間隔30～50 m 距離布置表面位移測(cè)點(diǎn)，1#測(cè)區(qū)布置2 個(gè)測(cè)點(diǎn)，2#測(cè)區(qū)布置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，3#測(cè)區(qū)布置4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，4#測(cè)區(qū)布置6 個(gè)測(cè)點(diǎn)。各測(cè)區(qū)內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)處表面位移平均變化值如圖2～圖5。

圖2 1#測(cè)區(qū)噴涂10 mm 厚區(qū)域兩幫及頂?shù)装迩€圖

圖3 2#測(cè)區(qū)未噴涂區(qū)域兩幫及頂?shù)装迩€圖

圖4 3#測(cè)區(qū)噴涂7～8 mm 厚區(qū)域兩幫及頂?shù)装迩€圖

圖5 4#測(cè)區(qū)噴涂5 mm 厚區(qū)域兩幫及頂?shù)装迩€圖

通過觀測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，兩幫移近量最大值265 mm，出現(xiàn)在未噴涂區(qū)域，噴涂區(qū)域最大值均不超過50 mm，頂?shù)装逡平亢苄。怀^50 mm，且主要是底鼓。

3.3 噴涂試驗(yàn)效果分析

長平礦底抽巷頂板易風(fēng)化造成冒頂事故，因此，在采用錨網(wǎng)索支護(hù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了架棚補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果看，噴涂與未噴涂區(qū)域頂板下沉量均較小，現(xiàn)有錨網(wǎng)索加架棚支護(hù)方式能夠有效維護(hù)頂板穩(wěn)定。從噴涂覆蓋情況看，7～8 mm 或者10 mm 噴涂厚度為最優(yōu)選擇，頂板平整區(qū)域可采用7～8 mm，頂板不平整區(qū)域以及兩幫可采用10 mm噴涂厚度，既可以保障覆蓋效果，又可以避免材料浪費(fèi)。

4 結(jié)語

1）通過配比試驗(yàn)研究，確定了噴涂材料粉料的基本比例為聚合物樹脂和粉體材料按重量比1:1使用，材料具有較高的拉伸強(qiáng)度和柔韌性能，且具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

2）噴涂覆蓋圍巖能大幅降低兩幫移近量，如圍巖表面不平整，已發(fā)生破碎情形時(shí)，可根據(jù)圍巖表面破壞程度選擇7～8 mm 或者10 mm 的噴涂厚度。

3）采用薄層噴涂快速封閉加固技術(shù)能夠有效防止巷道頂板及兩幫泥巖風(fēng)化、破碎，控制巷道圍巖變形，保證圍巖整體完整性，避免巷道圍巖變形破壞后進(jìn)行二次維修甚至多次巷修。該技術(shù)為類似情況下的應(yīng)用提供了借鑒案例，適合推廣應(yīng)用。