煤礦用柔性薄噴材料的性能及應(yīng)用

胡國和 梁 前 孫 帆

（1.渭南陜煤啟辰科技有限公司，陜西 西安 710100；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710100；3.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯(lián)合工程中心，陜西 西安 710100）

煤礦井下巷道的地層主要為煤巖、砂巖、頁巖、泥巖等，巖石不僅力學(xué)性能較差，而且節(jié)理裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性不好。其中，巷道中的砂巖、頁巖、泥巖極易風(fēng)化，軟化，甚至泥化、崩解和膨脹[1]。此外，煤礦井下環(huán)境十分惡劣，滲漏水普遍，巷道掘進(jìn)過程中，會(huì)有瓦斯等有毒有害氣體涌出或溢出。因此，煤礦巷道的封閉處理對保持巷道長期穩(wěn)定至關(guān)重要。

目前，我國煤礦巷道的支護(hù)方式主要為錨噴支護(hù)。然而，一方面，錨桿、托盤及金屬網(wǎng)在井下潮濕的環(huán)境下極易銹蝕，導(dǎo)致錨桿發(fā)生松弛、拉壞、預(yù)應(yīng)力損失，嚴(yán)重影響了支護(hù)效果；另一方面，噴射混凝土由于其屬于脆性材料[2]，承受拉應(yīng)力小、回彈率高、施工環(huán)境差、粉塵污染高、噴層脫落多的缺點(diǎn)限制了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展[3]。

因此，開發(fā)一種性能優(yōu)良、施工簡便、安全環(huán)保的噴涂密閉材料起到噴涂保護(hù)作用顯得比較重要。薄噴是一種20 世紀(jì)90 年代起源于歐美的工程加固、封閉新理念。其含義是采用具有特殊力學(xué)性能的新噴涂材料，以極薄噴層，快速噴涂成膜，在巷道工程中發(fā)揮支護(hù)、封閉等作用[4]。

本文制備了一種新型的煤礦巷道的柔性薄噴材料，通過噴涂的方式，將材料施工至圍巖表面，干燥凝結(jié)后形成厚度數(shù)毫米的柔性噴層。與噴射混凝土相比，薄噴材料具有很小的施工量、材料運(yùn)輸量[5]，優(yōu)良的適應(yīng)變形的能力；施工時(shí)無熱量和VOC釋放，達(dá)到無毒環(huán)保的要求，且噴涂無塵。同時(shí)，柔性襯層與巖體緊密黏結(jié)在圍巖發(fā)生變形的早期即可起到承載作用。

1 材料研發(fā)

1.1 配方確定

可用于薄噴材料一般有反應(yīng)型和非反應(yīng)型兩類。反應(yīng)型以聚氨酯噴涂材料為主，由異氰酸酯或多異氰酸酯、聚醚、擴(kuò)鏈劑、阻燃劑等主要成分通過混合快速反應(yīng)達(dá)到密閉防護(hù)作用，具有黏結(jié)強(qiáng)度大、反應(yīng)速度快、密閉性能高等優(yōu)點(diǎn)，但是價(jià)格昂貴、耐老化性能差，尤其是反應(yīng)溫度高，容易引燃煤體或其他易燃物的缺點(diǎn)，對煤礦的安全生產(chǎn)埋下了較大的隱患；非反應(yīng)型一般以聚合物水泥基復(fù)合材料為主，綜合了聚合物和水泥的優(yōu)勢，把聚合物的柔性、彈性及對基層的黏結(jié)力與水泥的耐水性及耐老化性結(jié)合起來，同時(shí)具有水化溫度低、材料用量少、無毒無害、黏結(jié)強(qiáng)、成本低的優(yōu)勢，更加適合煤礦巷道的應(yīng)用。

本文以丙烯酸酯乳液作為薄噴材料的成膜組分，通過摻入水泥、骨料、功能助劑，對聚合物的性能予以補(bǔ)強(qiáng)，包括：強(qiáng)度、剛度、成膜性、密封性、耐水性等。材料無機(jī)組分的基礎(chǔ)原料為普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、重鈣粉、PP 纖維、增稠劑。

1.2 反應(yīng)機(jī)理

材料主要在水泥水化和聚合物自交聯(lián)的協(xié)同作用下，由分散著的聚合物顆粒和水泥及填料顆粒相互聚結(jié)成為整體。初期過程是在混合后，一方面水泥中的礦物質(zhì)與水接觸放出熱量開始水化反應(yīng)，材料中的活性組分與水化產(chǎn)物反應(yīng)，生成大量的C-S-H和具有一定微膨脹性能鈣礬石，又加速了水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行；另一方面隨著水分的消耗，原先以靜電斥力和空間位阻穩(wěn)定作用而保持分散狀態(tài)的聚合物顆粒、水泥顆粒、水化產(chǎn)物及填料顆粒逐漸靠攏，但仍可自由運(yùn)動(dòng)。中期過程是隨著水分進(jìn)一步揮發(fā)，表面吸附層被破壞的聚合物顆粒和水泥組分逐漸成為不可逆的相互接觸，達(dá)到緊密堆積。后期在縮水表面產(chǎn)生的力作用下，也有認(rèn)為在毛細(xì)管力或表面張力等的作用下，乳液聚合物顆粒變形，聚結(jié)成膜，同時(shí)聚合物界面分子鏈逐漸擴(kuò)散、纏繞，包裹最終水化完成形成的無機(jī)組分骨架，從而形成具有一定性能的連續(xù)膜。

在該體系的成膜過程中，對于聚合物來說，水泥和聚合物中的水分發(fā)生水化反應(yīng)，形成一定量的凝膠體；聚合物中的顆粒通過分散，吸附在水泥和水泥的水化產(chǎn)物表面。其中聚合物形成的網(wǎng)絡(luò)是連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，而水泥的硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已經(jīng)不連續(xù)，因此材料呈現(xiàn)優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度和柔韌性，體現(xiàn)出復(fù)合材料的優(yōu)異特性。

1.3 主要設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：攪拌器，電子溫度計(jì)，萬能拉力試驗(yàn)機(jī)，酒精燈，酒精噴燈，燃燒試驗(yàn)箱，氧指數(shù)測定儀，超高阻微電流測試儀。

1.4 材料制備

按表1 所示比例配制柔性薄噴材料的液料和粉料，再稱取一定量的液料和粉料用攪拌器以800 r/min 的轉(zhuǎn)速攪拌5 min，即為噴涂材料。

表1 柔性薄噴材料液料、粉料基礎(chǔ)配方

1.5 性能測試

按照《煤礦噴涂堵漏風(fēng)用高分子材料技術(shù)條件》（AQ 1088-2011）、《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》（GB/T 16777-2008）[6]、《煤礦井下用聚合物制品阻燃抗靜電性通用試驗(yàn)方法和判定規(guī)則》（MT 113-1995）、《室內(nèi)裝飾裝修材料 膠粘劑中有害物質(zhì)限量》（GB 18583-2008）的要求對材料進(jìn)行樣品制備及性能測試。

2 材料性能測試

2.1 最高反應(yīng)溫度

根據(jù)《煤礦噴涂堵漏風(fēng)用高分子材料技術(shù)條件》（AQ 1088-2011）中最高反應(yīng)溫度的測試要求，對材料最高反應(yīng)溫度進(jìn)行測試，重復(fù)3 組。

由表2 可以看出，制備的薄噴材料的平均最高反應(yīng)溫度為28.3 ℃，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)所要求的反應(yīng)溫度≤140 ℃。

表2 最高反應(yīng)溫度能測試結(jié)果

2.2 固化時(shí)間

根據(jù)《煤礦噴涂堵漏風(fēng)用高分子材料技術(shù)條件》（AQ 1088-2011）中固化時(shí)間要求，對材料表干時(shí)間及實(shí)干時(shí)間進(jìn)行測試。

由表3 可以看出，制備的三組樣品平均表干時(shí)間為0.6 h，平均實(shí)干時(shí)間為1.6 h，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，表明材料具有較快的固化速度，有利于提升施工效率。

表3 材料固化時(shí)間測試結(jié)果 h

2.3 拉伸性能測試

由于薄噴材料主要是在煤礦井下進(jìn)行使用，與實(shí)驗(yàn)室室溫25 ℃環(huán)境相比，礦井下溫度一般低10～15 ℃，結(jié)合實(shí)際使用環(huán)境與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度的差異，因此需要模擬低溫環(huán)境對薄噴材料拉伸性能的影響。按照GB/T 16777-2008 方法，將液料和粉料混合干燥后制備啞鈴狀樣品，拉伸速率200 mm/min 進(jìn)行測試，結(jié)果見表4。

表4 拉伸力學(xué)性能測試結(jié)果

由表4 可以看出，制備的樣品在常溫下（25 ℃）斷裂伸長率明顯大于低溫下（5 ℃）的斷裂伸長率。顯然，環(huán)境溫度的不斷降低，提供給材料柔性的有機(jī)組分逐漸從高彈態(tài)轉(zhuǎn)化為玻璃化，從而導(dǎo)致材料柔性的降低。

常溫下材料的拉伸強(qiáng)度平均值為3.17 MPa，斷裂伸長率平均值為72.2%，低溫下（5 ℃）拉伸強(qiáng)度平均值為3.02 MPa，斷裂伸長率平均值為46%，均滿足煤礦噴涂堵漏風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)所要求的斷裂伸長率＞30%、拉伸強(qiáng)度＞2 MPa 的性能指標(biāo)。

2.4 黏結(jié)性能測試

薄噴材料與基層材料的黏結(jié)強(qiáng)度是反映薄噴材料與基層材料相互作用的一個(gè)重要性能指標(biāo)，以GB/T 16777-2008 方法制備樣品，拉伸速率5 mm/min 進(jìn)行測試，重復(fù)5 組試件。

由表5 可以看出，制備的薄噴材料的平均黏結(jié)強(qiáng)度為2.25 MPa，滿足標(biāo)準(zhǔn)所要求的黏結(jié)強(qiáng)度≥1.5 MPa，可以保證和煤巖體優(yōu)異的黏結(jié)能力。

表5 黏結(jié)性能測試結(jié)果 MPa

2.5 阻燃和抗靜電性能測試

根據(jù)《煤礦噴涂堵漏風(fēng)用高分子材料技術(shù)條件》（AQ 1088-2011）中對材料理化性能的要求，按照MT 113-1995 方法，對材料進(jìn)行阻燃性測試和表面電阻測試。

1）阻燃性能測試

① 酒精噴燈燃燒試驗(yàn)

使用酒精噴燈、燃燒試驗(yàn)箱對材料的阻燃性能進(jìn)行測試，重復(fù)6 組試件。

測試結(jié)果如表6 所示，測試過程中樣品未發(fā)生有焰燃燒，且平均無焰燃燒時(shí)間為5.11 s，火焰擴(kuò)展長度為30.5 mm，均滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表6 阻燃性能測試結(jié)果

② 酒精燈燃燒試驗(yàn)

同樣，使用酒精燈、燃燒試驗(yàn)箱測試材料的阻燃性能。

測試結(jié)果如表7 所示，測試過程中未發(fā)生有焰燃燒，平均無焰燃燒時(shí)間為3.62 s，火焰擴(kuò)展長度為18 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表7 阻燃性能測試結(jié)果

③ 氧指數(shù)

使用氧指數(shù)測定儀對材料的阻燃性能進(jìn)行測試，重復(fù)10 組試件。

測試結(jié)果如表8 所示，10 組樣品測定的氧指數(shù)均＞28%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表8 氧指數(shù)測試結(jié)果 %

由上述三種測試結(jié)果可得，薄噴材料具有優(yōu)良的阻燃性能。

2）抗靜電性能測試

使用超高阻微電流測試儀對薄噴材料進(jìn)行抗靜電性能測試，重復(fù)3 組試件。

測試結(jié)果如表9 所示，可以得出，三個(gè)樣品的平均表面電阻均符合標(biāo)準(zhǔn)中要求的表面電阻＜3×108Ω 的要求。

表9 材料表面電阻測試數(shù)據(jù) Ω

2.6 有害物質(zhì)含量測試

根據(jù)《室內(nèi)裝飾裝修材料 膠粘劑中有害物質(zhì)限量》（GB 18583-2008）方法，對薄噴材料進(jìn)行有害物質(zhì)限量檢測，如表10 所示為材料的檢測結(jié)果。由表10 可以看出，制備的薄噴材料的各項(xiàng)檢測明顯小于標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)，證明了該材料是一種無毒無害的環(huán)保型材料。

表10 薄噴材料有害物質(zhì)含量檢測

3 應(yīng)用情況

陜煤集團(tuán)韓城某礦3#和5#煤層為易自燃煤層，南一回風(fēng)下山出現(xiàn)頂板和兩幫破碎底鼓現(xiàn)象，大部分鋼筋網(wǎng)片和錨桿索在水和有毒有害氣體的作用下，銹蝕很嚴(yán)重，容易出現(xiàn)開焊、失效等問題。大部分圍巖裸露，風(fēng)化現(xiàn)象嚴(yán)重，容易導(dǎo)致巷道漏風(fēng)及有毒有害氣體泄漏，對煤礦通風(fēng)管理和支護(hù)造成重大隱患。為解決上述問題，使用柔性薄噴材料進(jìn)行噴涂施工。

試驗(yàn)地點(diǎn)為3308 工作面煤壁，未噴涂前北邊界巷道風(fēng)流瓦斯?jié)舛葹?%左右，溢出嚴(yán)重。本次試驗(yàn)采用薄噴材料2 t，噴涂范圍為巷道一幫（3 m）及鄰近頂板1.5 m 范圍，噴涂施工長度70 m，噴涂厚度3～4 mm，噴涂面積約為315 m2。噴涂試驗(yàn)用時(shí)1 個(gè)班，施工人員3 人。施工后對巷道風(fēng)流瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行了監(jiān)測，降至0.30%～0.34%，起到了良好的封堵效果。

此外，從現(xiàn)場觀察對比看，1 d 后噴層黏附在巷道表面基本無法整體破壞，完全不同于傳統(tǒng)的噴漿層在外力作用下呈碎裂性脫落，整個(gè)噴層沒有發(fā)現(xiàn)任何開裂、脫空或局部金屬網(wǎng)兜網(wǎng)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了對金屬網(wǎng)、錨桿、錨索、鋼件等支護(hù)構(gòu)件的全面封閉，阻止了在高濕環(huán)境下金屬構(gòu)件的持續(xù)銹蝕。噴涂后的薄噴材料與巖石表面緊密貼合，形成一層致密的防護(hù)層，防止了圍巖體的風(fēng)化，保障了煤礦的安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

1）本文采用丙烯酸乳液及無機(jī)組分復(fù)配，制備了一種非反應(yīng)型的柔性薄噴材料產(chǎn)品，具有反應(yīng)溫度低（＜30 ℃）、抗拉變形大（常溫＞70%，低溫＞45%）、黏結(jié)強(qiáng)（＞2 MPa）、阻燃、抗靜電、無毒無害、施工簡便的優(yōu)點(diǎn)，可適用于煤礦巷道的噴涂施工。

2）薄噴材料在煤礦現(xiàn)場施工后，形成了致密的保護(hù)層，有效防止了金屬構(gòu)件的銹蝕、圍巖體的風(fēng)化、有毒有害氣體的泄漏導(dǎo)致的安全隱患。