巷道易風化圍巖薄層快速噴涂封閉技術研究

趙 斌，王朋衛

(山西晉煤集團技術研究院有限責任公司，山西 晉城 048000)

為了保證巷道掘進速度，晉煤集團長平礦底抽巷道選擇沿底板K6灰巖、破頂板K7砂巖掘進，K7砂巖上方巖層為泥質砂巖，在不噴漿支護情況下，頂板泥質砂巖極易風化引起巷道失穩破壞，致使巷道需要多次返修，不僅影響礦井的生產銜接進度，甚至會導致巷道垮塌冒頂等安全事故[1-3]。常規的混凝土噴漿技術，雖然會對圍巖表面起到一定防風化和支護作用，但是存在著粉塵大、回彈率高、質量不穩定等三大問題，且噴射過程污染大、材料用量大、運輸和施工投入高，制約了巷道的施工速度[4-8]。因此，為了防止巷道風化破壞，高效快速的封閉巷道易風化圍巖，研究薄層快速噴涂封閉技術，對提高巷道掘進速度和維護巷道安全穩定具有重要意義。

1 工程概況

長平礦六盤區排矸機北巷為底抽巷道，巷道尺寸為5m(寬)×3.3m(高)，巷道處于K6灰巖與K7砂巖中間，K6與K7相距約2.95m，掘進過程中，直接底K6灰巖過于堅硬，掘進困難，為保證巷道高度，破頂K7細粒砂巖掘進，由于K7細粒砂巖厚度變化、巷道過構造等因素，掘進時易掘透暴露K7砂巖上方的砂質泥巖層，該砂質泥巖層易發生風化破壞引發巷道局部垮塌冒頂，致使巷道需要多次返修，嚴重的會引起人身安全事故，巷道層位如圖1所示。

圖1 巷道掘進層位

2 頂板巖石礦物成分及強度弱化規律分析

對長平礦六盤區排矸機北巷頂板砂質泥巖取樣，分析其巖石礦物成分及強度弱化規律，對底抽巷圍巖表面快速噴涂防風化機理研究、參數選取、試驗成功等有重要意義。

2.1 巖樣礦物成分分析

把砂質泥巖樣品破碎成直徑不超過0.5cm的小塊，分別編號為1#、2#、3#。試樣在300℃下連續24h烘烤，研磨成0.045mm的粒度，再進行XRD(X射線衍射圖譜)和XRF(X射線熒光光譜圖譜)測試，XRD用于確定晶體的原子和分子結構，XRF用于確定元素的種類及含量[9-11]，結果見表1。

表1 砂質泥巖樣品礦物成份 %

由表1可知，1#與2#樣品主要成分為石英，平均占比72.5%，高嶺石占比21.5%，菱鐵礦占比4.5%，含少量二重高嶺土；3#樣品石英占比14%、赤鐵礦占比33%、白云母占比51%，含少量二重高嶺土。

由砂質泥巖成分分析可知，其成分大部分為石英，巖塊本身強度較大，但層間含有大量的高嶺石，高嶺石遇水極易發生膨脹，且菱鐵礦、白云母均為易風化巖石并且強度較低[12]。因此，在頂板錨索鉆孔施工時沖水或者頂板裸露風化作用下，砂質泥巖發生離層變形，導致巷道頂板鼓出甚至發生冒落。

2.2 巖樣耐崩解程度測試

按照試驗標準，將砂質泥巖試樣用砂輪打磨制成質量為50±10g的無棱角、類球狀巖石塊體試樣，選取10塊最符合標準的試樣進行測試。試驗步驟為：試樣烘干、第一循環耐崩解試驗、二次烘干稱量、第二循環耐崩解試驗、三次烘干稱量，兩次循環完成后計算耐崩解指數[13，14]，計算結果見表2，耐崩解循環指數計算：

Id2=mr/md×100%

(1)

式中，Id2為巖石(二次循環)耐崩解性指數，%；md為原試樣烘干質量，g；mr為殘留試樣烘干質量，g。

表2 試樣耐崩解試驗循環質量

由表2可以看出，隨著崩解循環的進行，巖樣的殘余質量在逐漸降低，但是降低量極少，10個砂質泥巖試樣，初始平均質量544.11g，經歷兩個耐崩解循環后平均質量541.94g，降低了0.4%，平均耐崩解指數99.58%，屬于耐崩解程度極高類巖石。

現場發現，完整干燥的砂質泥巖，遇水遇壓力擾動時，非常容易破碎成5cm×5cm×5cm以上的塊體，塊體十分堅硬，進一步破碎成更小的塊體十分困難，而耐崩解試樣要求50g左右，所需塊體已經遠遠小于堅硬的最小塊度尺寸，因此，試樣均為堅硬塊體，顯示耐崩解程度較高。但巷道現場砂質泥巖因層理間含高嶺石，遇水易膨脹破碎，穩定性極差。

3 易風化圍巖薄層快速噴涂封閉技術

3.1 薄層快速噴涂數值模擬分析

為分析薄層噴涂防風化對巷道穩定性的影響，采用軟件ANSYS進行模擬研究。根據試算，排除邊界影響，計算模型尺寸為30m(寬)×30m(高)，巷道尺寸為5m(寬)×3.3m(高)。模型底部施加豎直方向位移約束，模型左右兩個面上施加水平方向位移約束，上邊界以上巖體重量折算成均布荷載16MPa施加于模型上表面，計算考慮重力作用，施加重力載荷。計算分三步，第一步模擬重力場，第二步模擬巷道開挖，第三步通過激活SHELL單元來模擬噴涂支護效果[15，16]。

通過ANSYS中的SHELL63殼體單元來模擬薄層噴涂材料，模擬噴涂厚度10mm。現場取樣巷道頂板已風化和未風化的砂質泥巖，測得其煤巖體力學參數見表3，通過參數代換后模擬得到薄層噴涂未風化巷道和已風化巷道的變形情況，分析未噴涂導致巷道風化所產生的影響。

表3 頂板砂質泥巖力學參數

由圖2、圖3可以看出，巷道采用薄層快速噴涂封閉處的頂板最大沉降值為86mm，巷道未噴涂處的頂板最大沉降值為212mm，噴涂封閉圍巖處的巷道頂板沉降值減小57%。巷道未噴涂處兩幫移近量為440mm，噴涂處的巷道兩幫移近量為260mm，巷道噴涂封閉圍巖處的兩幫移近量減小41%。由此可知，易風化圍巖巷道采用薄層快速噴涂封閉技術對控制巷道變形有顯著效果。

圖2 巷道頂板沉降量

圖3 巷道兩幫移近量

3.2 薄層快速噴涂材料及設備

薄層快速噴涂材料由兩組分組成，A組分為水性高分子樹脂液體狀態(含水量45%左右)，B組分為多種無機復合粉體混合物(超細特種水泥、無機催化劑、稠度調節劑等)。傳統噴射混凝土(C20)的抗拉強度不到1.5MPa、抗拉變形不到0.1%、與巖體的粘結強度也在1MPa左右，因此在圍巖變形后噴射混凝土極易受拉開裂或脫落。而薄層噴涂材料完全硬化后具有非常高的抗拉強度(大于3MPa)、抗拉變形大(大于10%)、與巖體粘結強度高(大于2.5MPa)、阻燃抗靜電，材料凝固成型快、固結體不收縮、受擠壓破壞時具有較強的韌性和延展性，成膜表面平整、防水、防火、防侵蝕，施工簡便、勞動強度低、泵送噴涂效率高。

噴涂采用專用氣動式噴涂泵和專用噴槍，具有攪拌、輸出和噴涂一體化功能，設備輕便，配套噴槍操作方便。

3.3 薄層快速噴涂方案及工藝

3.3.1 噴涂方案

為對比分析不同薄層噴涂厚度的防風化效果，共設計5種方案：方案1為未噴涂，方案2噴涂厚5mm、方案3噴涂厚8mm、方案4噴涂厚10mm、方案5在噴涂厚15mm的情況下用鐵絲網代替鋼筋網進行巷道支護，以試驗通過防風化作用能否降低巷道支護強度。

3.3.2 噴涂工藝

工藝流程：設備準備→打水試泵→混料→噴涂打料→清洗設備→整理記錄。

每段進行噴涂前，首先確定噴涂段位置的起始點，從起點開始，每隔10m在巷道頂板和兩幫布置一排間隔1～1.5m鐵釘，釘子外漏長度滿足所噴涂段的厚度要求，涂層遮蓋住鐵釘即可達到噴涂厚度。

施工配備1臺專用噴涂泵，噴涂泵采用空氣做動力，壓縮空氣驅動泵上的螺桿馬達對漿液進行充分攪拌，按噴涂材料重量比1∶1倒入1桶A組份(液料)至泵上攪拌桶內，同時慢慢加入B組份(粉料)，攪拌3～5min混合均勻后，通過泵體工作缸增壓后經出漿管排出混合料至三通噴槍處，三通噴槍同時連接出漿管和高壓風管，混合粉料在風壓作用下被打散霧化噴涂出細霧狀小液滴，均勻覆蓋到煤巖體表面，噴涂距離為1～2m，一遍噴涂厚度為5mm左右。

3.4 薄層快速噴涂效果考察

3.4.1 薄層快速噴涂施工效率

在長平礦六盤區排矸機北巷進行500m噴涂試驗，統計得出每延米材料用量是傳統噴射混凝土(噴漿層厚度為100～150mm)用量的1/20～1/30。施工只需2～3人操作，單班噴涂進尺在8～10m，而傳統噴射混凝土單班進尺一般僅在3～4m。施工速度能夠緊跟掘進迎頭，及時封閉巷道易風化圍巖表面。噴涂作業環境好，回彈量極小，無粉塵；大幅降低工人的勞動強度，降低了粉塵對施工人員的身體危害。

3.4.2 巷道噴涂覆蓋效果

通過薄層快速噴涂，巷道易風化圍巖表面和支護體均得到有效覆蓋封閉。從噴涂覆蓋效果上看，8mm或者10mm噴涂厚度為最優選擇，頂板平整區域采用8mm厚度，頂板不平整區域以及兩幫采用10mm厚度，既可以保證覆蓋效果，又可以避免材料浪費，采用的網片最好能夠緊貼巷幫以達到錨網噴聯合支護作用。

3.4.3 巷道礦壓監測

建立5個測站對底抽巷不同噴涂厚度處進行礦壓觀測，分析不同噴涂方案對巷道變形、頂板離層和錨桿錨索受力的影響。

頂板下沉和兩幫移近量最大值統計結果如圖4所示，由圖4可知，巷道未噴涂處頂板下沉量最大值為20mm，兩幫移近量最大值為265mm；巷道噴涂處頂板下沉量最大值在10mm以內，兩幫移近量最大值在35～45mm之間。巷道未噴涂處和噴涂處的變形量差異顯著，不同噴涂厚度下的巷道變形量變化不大，其中噴涂厚5mm處的頂板下沉量略大于其他厚度。

圖4 頂板下沉和兩幫移近量最大值

頂板離層最大值如圖5所示，由圖5可知，巷道未噴涂處頂板離層最大值為30mm，巷道噴涂處的頂板離層最大值不超過12cm，通過薄層快速噴涂使頂板離層值下降60%。不同噴涂厚度下巷道頂板離層值變化不大。

圖5 頂板離層最大值

錨桿和錨索受力最大值統計結果如圖6所示，由圖6可以看出，巷道未噴涂處錨桿受力最大值為180kN、錨索受力最大值為380kN；巷道噴涂處的錨桿受力最大值不超過150kN、錨索受力最大值不超過340kN。巷道不同噴涂厚度下的錨桿、錨索受力情況變化不大。

圖6 錨桿和錨索受力最大值

3.4.4 薄層快速噴涂最優厚度

對比不同噴涂方案下的圍巖覆蓋效果和礦壓監測結果可知：通過薄層快速噴涂封閉技術有效的控制了巷道圍巖的風化破壞，巷道頂板下沉和兩幫移近量、頂板離層量、錨桿和錨索受力情況均得到不同程度改善。不同噴涂厚度下的巷道頂板下沉和兩幫移近量、頂板離層量、錨桿和錨索受力情況等變化不大。在噴涂厚15mm的情況下，用鐵絲網取代鋼筋網進行支護，巷道穩定性良好。結合現場薄層快速噴涂材料覆蓋情況，噴涂最優厚度為8mm或者10mm，巷道表面平整區域采用8mm厚度，不平整區域采用10mm厚度。

4 結 論

1)長平礦底抽巷頂板砂質泥巖成分大部分為石英，耐崩解程度極高，但巖體層間含有大量的高嶺石，遇水極易發生膨脹，巖體內含的菱鐵礦、白云母均為易風化巖石并且強度較低。

2)薄層快速噴涂用料量為傳統噴射混凝土的1/20～1/30，噴涂進尺可達單班8～10m，作業環境好，回彈量極小，無粉塵。噴涂封閉圍巖后，巷道頂板下沉和兩幫移近量、頂板離層量、錨桿和錨索受力情況均得到不同程度改善。不同噴涂厚度下的巷道變形量、頂板離層量、錨桿和錨索受力等均變化不大。

3)從噴涂覆蓋效果上看，噴涂最優厚度為8mm或者10mm，巷道表面平整區域采用8mm厚度，不平整區域采用10mm厚度。在噴涂厚15mm的情況下，底抽巷可用鐵絲網取代鋼筋網進行支護，支護效果良好。