開拓巷道新型柔性密閉噴涂支護技術實踐

康 萌,馮建志,曹東升

(陜西陜煤韓城礦業公司,陜西 渭南 715400)

0 引言

目前,我國煤礦生產面臨更為復雜的地質與環境條件,需解決困難條件下的圍巖控制技術,也要解決圍巖風化、器件銹蝕、瓦斯滲漏等新問題。因此,改進低效、高耗及污染的傳統支護體系,發展更快速、更安全、更清潔的新型掘支體系,具有重大意義。傳統錨網噴支護體系中,噴射混凝土在發揮封閉、支護等作用的同時,也是該體系中低效、高耗及污染的主要原因,而掛網進一步降低了效率并大幅增加了勞動強度。實踐表明,噴射混凝土在各類巷道中擔負的角色并不相同,但均可歸結為力學作用和非力學作用2類[1-3]。但在實際支護作業中,其相當部分的力學和非力學作用并非唯一選項。因此,可以根據情況減少或取消噴射混凝土支護,采用更合理的技術予以取代,煤礦薄噴封閉及支護技術的研發與應用是這方面的有益探索[4-6]。

為此,研制出適應于我國煤礦巷道使用的非反應型薄噴材料、裝備和配套工藝,并進行薄噴技術防風化、防銹蝕、防靜電圍巖面噴涂封閉技術的現場應用,以期促進新型薄噴技術在我國煤礦及其他礦山的應用發展。

1 項目概況

韓城礦業下峪口煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井,2-2采區邊界泄水巷位于采區西北部,與采區邊界回風巷相鄰,采區邊界泄水巷圍巖賦存比較穩定,但巷道局部壓力大,容易出現頂板和兩幫破碎鼓包現象,對礦井安全造成重大隱患,對煤礦通風管理和支護造成一定的影響。巷道大部分鋼筋網片和錨索(桿)在水和有毒有害氣體的作用下,銹蝕會很嚴重,鋼筋網片焊點在銹蝕作用下,容易出現開焊、失效、銹蝕嚴重等問題,造成圍巖風化現象嚴重、巷道漏風及有毒有害氣體泄露。為了確定全巖開拓巷道合理薄噴厚度、保證大巷防風化、防銹效果,揭示薄噴對開拓巷道的密閉支護作用機制,使用渭南陜煤啟辰科技有限公司研發的新型噴涂密閉材料在2-2采區邊界泄水巷開展500 m薄噴涂密閉支護工業性試驗。

2 混凝土噴射破壞機理

根據彈性理論,混凝土噴層失水變干后會極大程度地減小其變形,同時會產生抑制周圍巖體持續形變的支護反作用力,從而抵抗圍巖中不連續面繼續向周圍的延續,即減弱巷道圍巖不連續面端部的應力強度影響因子,有效的維持巷道的整體性,對巷道穩定起到積極作用[7-9]。在采用錨噴支護方式的巷道,混凝土層承載著巷道圍巖等荷載,噴層會發生一些其他形式的破壞,例如鼓起、剪切等。由于錨桿間距及圍巖下沉等因素的作用,使桿間出現大的形變,混凝土固化后彈性較弱,極易出現噴層剝離巖體發生脫落[10-13]?；炷羾妼佑不?其在周角點錨桿的方形格子內形成塊狀水泥板,在拉應力的作用下裂隙首先從水泥板的薄弱處形成,且不斷地向外延伸拓展并與圍巖分離出現脫落。因此,在錨噴支護損壞現象中,混凝土噴層斷裂和脫落是常見的情形,影響了煤礦井下的掘進效率和巷道安全,亟需尋找一種新型的噴涂材料及相關工藝。

3 薄噴封閉技術理論

3.1 薄噴封閉工藝

薄噴是一種新的支護理念,具有噴層薄,質地致密,彈性、延展性好,抗拉強度高,能夠與受噴面良好黏結等優點。施工過程中速度較快,材料運輸量和勞動強度低,粉塵濃度和回彈率小,機械化使用程度高等諸多方面的優勢。

3.2 新型薄噴材料及其配套設備

雙采(SCPPT-2型)復合噴涂材料為煤巖體表面柔性噴涂材料,它由A、B這2組份組成,使用比例為重量比1∶1。該復合噴涂材料屬于有機無機復合材料,具有與煤巖體表面粘附力強、固化物本體抗拉強度高、拉伸變形大、耐久性好、頂立面噴涂不流掛、表干和硬化時間快、阻燃和抗靜電等優異的特點,配套的施工技術簡便、快捷,適用于煤礦、隧道等地下工程巷道表面快速防護、巖巷表面支護防護以及煤巖體表面防開裂、防漏風等應用。在氣溫(25±3)℃、相對濕度大于50%、水溫(20±2)℃條件下測定該材料的性能參數,見表1。

表1 雙采(SCPPT-2型)復合噴涂材料性能參數

該產品技術配套專用設備為LZBQ型專用氣動噴涂泵,LZBQ型設備以井下壓風為動力源。工作時,壓風通過氣動馬達,馬達轉動帶動螺桿泵運行,物料在攪拌倉內預先攪拌成漿料,漿料通過螺桿擠壓,從輸料管路輸送至出口位置,再與高壓氣體經噴涂槍噴涂至工作位置,完成噴涂施工。噴涂泵的主要結構包括：體支架、氣動馬達(減速)、攪拌裝置、耐壓膠管、噴涂槍頭及其他附屬配套設備,如圖1所示。氣動噴涂泵性能參數見表2。

表2 氣動噴涂泵技術參數

圖1 PBQ型煤礦用氣動噴涂泵結構示意Fig.1 Structure of PBQ air-powered spraying pump for coal mine

4 現場試驗

4.1 薄噴技術方案

此次噴涂所使用材料的應用地點示意如圖2所示。在巷道圍巖表面較為平整區域內采用雙采(SCPPT-2型)新型復合柔性薄噴材料進行巷道表面噴涂,材料凝固后柔性強,能適應后期圍巖風化變形,形成穩定的柔性保護層,避免形成裂隙瓦斯通道,同時該材料具有較高的粘結性和強度,能兜裹離層煤矸,避免碎石掉落。該材料不發熱、不膨脹,但噴涂初期呈現流體狀,初凝時間約1 h,完全凝固需要2～3 d,為了更好地使用該材料,通過初噴和復噴2次噴涂形成約5 mm厚的薄噴層。雙采(SCPPT-2型)復合噴涂材料噴涂厚度約5 mm,新型柔性薄噴材料使用量約6 kg/m2,根據本次施工斷面計算所需雙采(SCPPT-2型)復合噴涂材料為100 kg/m。

圖2 噴涂應用地點示意Fig.2 Applying locations for spraying

4.2 試驗效果評價

根據觀測的內容將觀測站分為2大類。一是頂板位移及幫部位移觀測,二是密閉性觀測。在2-2采區邊界泄水巷每隔150 m設一個測站,共設置3個測站。3個測站頂板各布置一組巷道深部多點位移計,孔內基點布置深部位移計各基點分別為2.5 m、4.5 m共2個基點。多點位移計孔測站基點布置如圖3所示,孔徑為28 mm,孔深4.5 m,與水平面之間的夾角均為0°。

圖3 位移監測斷面測點布置示意Fig.3 Measuring point layout of displacement monitoring section

監測結果如圖4所示?？梢?復合噴涂區域頂板淺部最大位移值為77 mm;未噴涂區域頂板淺部最大位移值為91 mm;未噴涂區域深部位移變化速率略大于其他2個噴涂區域,可見煤體表面噴涂材料有利于抑制深部基點移動。

圖4 巷道頂板離層變化量曲線Fig.4 Variation curve of roadway roof abscission layer

頂底板移近量監測如圖5所示。自7月6日至9月28日,巷道頂底板移近量變化較小,基本在110 mm以內,可見該巷道頂板變形量基本穩定,噴涂點頂板下沉量略小于未噴涂點下沉量,底板變形量基本無變化,總體在30 mm之內,同時底板底鼓量噴涂點和未噴涂點測點變化量基本一致?？梢姳姴牧峡梢杂行У淖柚瓜锏辣砻姘l生較小的形變,保護巷道的頂板平整性。幫部移近量監測結果和頂板類似,監測時間為7月6日至9月28日,幫部變形量基本在100 mm以內,未噴涂點形變量略大于噴涂點巷道兩幫形變量,由此見薄噴材料可以有效的阻止巷道表面發生較小的形變,保護巷道的兩幫完整性,對減小幫部移近也有一定效果。

噴涂前后的瓦斯濃度如圖6所示。根據數據顯示,噴涂后巷道內采煤側瓦斯濃度明顯降低,降幅在20%～42%,煤柱側降幅在20%～52%。因此,噴涂材料可用于填堵裂隙,防止瓦斯溢出,且效果較好。

在監測巷道變形的測點處設立防銹檢測點,在井下潮濕的環境下,每隔30 d對檢測點位置處的噴漿表面進行觀測并拍照,觀測其表面是否銹蝕、是否出現裂隙。由于薄噴的厚度小、銹跡滲透強,一般通過對觀測點薄噴材料表面的顏色變化,即可初步判斷是否有銹跡產生,觀測其表面是否有裂隙。在薄噴2～3個月之后,可取部分樣,送至實驗室檢測其中是否含有鐵銹,從而得出薄噴材料的防銹能力。噴涂現場效果圖如圖7所示。

圖7 噴涂現場效果Fig.7 On-site effect of spraying

噴涂區域內架棚巷道未噴涂情況如圖7(a)、(b)、(c)所示。通過井下實際情況查看,未噴涂區域網片銹跡明顯,所使用的架棚等金屬構件銹跡明顯,因架棚區域巷道受原巖應力影響較為嚴重,金屬架棚上部頂板裂縫發育,巖石破碎嚴重,金屬網變形較大。

通過噴涂作業,現場監測結果如圖7(d)、(e)、(f)所示。在架棚巷道區域即使因為長時間風化水霧影響,導致金屬棚頂出現銹跡因施工噴涂料一周以后完全凝固,仍可完整的包裹金屬架棚和金屬網片。由于架棚巷道之前使用混凝土進行噴射處理,受風化作業出現粉化現象,使用薄噴材料后能有效隔絕外界空氣、水等侵蝕,漿液包裹巷道內的架棚區域,保證巷道內原有支護作用完整。如圖7(g)、(h)、(i)所示,使用的發泡材料漿液與金屬架棚及鐵絲網更好地保證圍巖的穩定性,使用的此種材料施工時采用罐裝進場較噴射混凝土運輸量大大降低,防止瓦斯溢出,同時具有較好的柔韌性、抗彎折、成膜性,抗剪切強度高等特點。

5 結論

(1)薄噴封閉材料為非反應型漿液材料,A、B這2種材料可以快速攪拌化成漿液,并能附著(混凝土、巖石和煤炭)成膜,干后固結,持續保持韌性,不開裂,不受風化影響,隨巖體變形有一定拉伸性能保證巖體與外界空氣、水等介質接觸,漿液包裹金屬網片,防止金屬腐蝕斷裂,有效地保護了錨網支護的效果。

(2)薄噴封閉材料具有良好的施工性能,施工時采用即拆即用桶和袋裝的形式進入施工現場和噴射設備,配比準確,較混凝土噴射運輸量大大降低,且無塵。

(3)薄噴封閉材料具有良好的環保性能,由于材料的非反應特性,施工時無熱量和有害氣體釋放,可以達到無毒環保的要求。