掘進大巷圍巖防護柔性薄噴技術研究

任寶勤

（山西晉煤太鋼能源有限責任公司，山西 呂梁 033000）

噴漿是一種防止圍巖風化、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、運輸工程量大、回彈率高、作業環境差，尤其是剛性噴漿層后期容易開裂[1-3]。計劃在山西晉煤太鋼能源有限責任公司中部集中輔助運輸大巷開展柔性薄噴試驗，目的是解決開裂問題、降低勞動強度、改善作業環境。

1 工程背景

山西晉煤太鋼能源有限責任公司中部集中輔助運輸大巷目前正在掘進當中，北、東、南側均為實體煤巖層，西側為一采區中部集中輔助運輸大巷。巷道施工總長度為3193 m，分為三個階段掘進。第一階段和第三階段為巖巷，總長910 m；中間第二階段為煤巷，長度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，掘進斷面積25.47 m2；2-2 斷面：矩形巷道，掘進寬度5.9 m，掘進高度4.65 m，掘進斷面積27.44 m2。

（2）圍巖性質

直接頂為砂質泥巖，厚度為5.44 m，深灰色，水平層理，節理發育，局部巖芯破碎，底部含黃鐵礦。煤巷層位在4+5 號煤層中，煤層平均厚度為4.5 m，結構較簡單，夾矸多為泥巖。頂板和煤幫結構疏松，強度較低。

（3）瓦斯

根據《山西晉煤太鋼能源有限責任公司三交一號井田先期開采地段勘探地質報告》，4#和5#煤層瓦斯相對涌出量為4.94 m3/t，為高瓦斯礦井。

（4）煤塵

4#煤層火焰長度為大于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

4#煤層自燃等級為Ⅱ類自燃，自燃傾向性為自燃煤層；5#煤層自燃等級為Ⅱ類自燃，自燃傾向性為自燃煤層。

綜合分析，中部集中輔助運輸大巷頂板和煤幫結構疏松，強度較低，瓦斯含量高，煤塵具備爆炸性，煤層Ⅱ類自燃，必須對圍巖采取噴漿封閉措施，提高圍巖強度，有效隔絕空氣和瓦斯，保障巷道長期安全使用。

2 柔性薄噴材料

2.1 性能介紹

柔性薄噴材料為近兩年來逐漸應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，通過專用設備均勻噴涂在圍巖上，具備良好的掛壁性能，基本無回彈，無浪費。

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

（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裂。

（4）成型后，具備0.5～2 MPa 粘結強度，4.5 MPa 抗拉強度。

（5）反應溫度低。為有機無機復合材料，不產生高溫反應，最高反應溫度40 ℃，無有毒有害氣體揮發。

（6）絕對阻燃、抗靜電。

2.2 與混凝土對比

（1）性能對比

柔性薄噴材料無論從材料性能、施工難易程度、施工作業環境、材料消耗及運輸方面，均具備較大優勢。

但由于噴涂厚度較薄，對于支護良好、變形量不大的圍巖防護效果較好，對于鼓出量特別大的巷道并不適用，而混凝土適應性更強。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、運輸成本、施工成本進行對比。

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，施工成本約1800 元；運輸成本約1000 元；合計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，施工成本約15 000 元；運輸成本約25 000 元；合計215 000 元。

對比可知，柔性薄噴雖然材料單價較高，但消耗量少，施工成本低，整體具備較大的成本優勢。

3 柔性薄噴設備及實施工藝

3.1 噴涂設備

采用全風動噴涂設備，由攪拌系統、排漿系統組成。開啟攪拌系統氣動馬達，材料通過攪拌系統攪拌均勻后，開啟排漿系統氣動馬達，漿液從攪拌桶下料孔進入排漿系統，通過螺桿擠壓產生輸出壓力，通過管路輸送至指定位置。攪拌系統和排漿系統氣動馬達通過減速機和進氣閥門開關控制轉速。

噴涂設備上有出漿口，通過出料管，連接噴漿槍頭進料口，另外專門接一趟壓風連接在噴漿槍頭進氣口。料漿進入噴漿槍頭后，壓風將漿體噴出霧化，均勻地噴涂在圍巖上。

3.2 二次噴涂實施工藝

柔性薄噴材料較為粘稠，要同時保障可輸送和掛壁性能。

噴漿時，為防止漿料四處流淌，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，自然條件養護。

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生的裂隙，加強封閉效果。

現場要求風壓不得低于0.3 MPa，否則無法滿足設備啟動運轉和壓風霧化要求，噴槍口距離圍巖0.5 m 左右噴涂效果最佳。設備使用完畢后，采用清水徹底清洗設備和噴漿槍頭，防止凝固堵塞。

4 實施效果考察

4.1 實施情況

在中部集中輔助運輸大巷2283 m 煤巷區域開展柔性薄噴工業性試驗，目前已經實施1000 m 長度，噴涂位置為頂板、兩幫，總計噴涂面積15 200 m2，消耗柔性薄噴材料75 t，每天實施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。薄噴實施后，12 h 左右完全固化成型，柔韌性良好，未出現開裂現象。

4.2 效果考察

在柔性薄噴過后，開展長期跟蹤效果觀測。觀測發現，巷道掘進后7 d 左右變形穩定，兩幫累計移近量約60 mm，頂板下沉量約30 mm，監測巷幫瓦斯濃度長期在0.02%以下，未出現煤體瓦斯泄漏超限情況。

5 結論

（1）中部集中輔助運輸大巷頂板和煤幫結構疏松，強度較低，瓦斯含量高，煤塵具備爆炸性，煤層Ⅱ類自燃，必須對圍巖采取噴漿封閉措施，提高圍巖強度，有效隔絕空氣和瓦斯，保障巷道長期安全使用。

（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，不開裂，與混凝土噴漿相比，在技術上和成本上均具備較大的優勢。

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