長平礦底抽巷易風化圍巖薄層噴涂快速封閉加固技術應用

郝汝棟

（晉能控股裝備制造集團，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，掩護煤巷掘進及綜采工作面回采。底抽巷掘進區域和大部分區段的頂板及兩幫圍巖均為泥巖，極易風化變形破碎。噴涂層能夠有效隔絕空氣[1-4]，減輕圍巖風化，適應圍巖變形，為頂板維護的有效手段，對巷道安全穩定具有重要意義。

1 工程概況

底抽巷距3#煤底板方向約11 m，設計高度3.2 m，沿K7 砂巖頂板布置，K6 灰巖為底板，巷道高度即為3.2 m 厚的泥巖層，掘進區域及巷道兩幫為全泥巖層。K7 細粒砂巖發育不完全，約0～1.2 m 厚，且掘進過程極易垮落，因此，底抽巷多數頂板以泥巖層為主。K6 灰巖強度大，厚度約為2.8 m，均勻層理。

底抽巷頂板為K7 細粒砂巖，發育不完全，更上方為約3 m 厚砂質泥巖，易風化破碎。本試驗底抽巷為新掘巷道，大部分區域頂板未能留下K7 細粒砂巖，不能對更上方的泥巖起到隔絕保護作用，兩幫為砂質泥巖，受掘進影響及風化作用較為破碎，凹凸不平。

2 薄層柔性噴涂材料試驗

2.1 薄層柔性噴涂材料支護機理

1）承載殼作用。假定薄層柔性噴涂材料的噴層為一獨立的支護結構，通過自身的抗壓、抗彎強度承載外部載荷。其截面受正應力、剪力及彎矩，對圍巖起到承載殼作用。

2）膠結作用。包括兩方面，一是薄層柔性噴涂材料與圍巖的粘結作用，體現在TSL 噴層與巖面間的附著強度；二是薄層柔性噴涂材料滲入圍巖裂隙中的膠結作用，提高節理內聚力。總之，TSL 通過膠結作用連接巖體，形成局部復合承載拱結構。

3）楔子作用。巷道圍巖塌落需具備兩個條件：一是施加的主動力大于塊體間阻力，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由于沒有足夠的剪漲空間而保持穩定；噴涂如注漿一樣充填了節理，使得巖體整體抗壓強度增加。

2.2 薄層柔性噴涂材料構成

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合材料。為改善工藝性能，配以增稠劑、調凝劑、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成具有一定強度的固結體材料。薄層柔性噴涂材料A 組分主要由水性聚合物樹脂材料構成，B 組分主要由水硬性膠凝材料等構成。通過AB 組分配方試驗分析，A 組分比例為1～1.5 時，B 組分比例應為1，材料各參數得到的性能指標滿足工程施工工藝及應用的需求。

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，本文對比研究以下三種（表1）水性聚合物樹脂材料的抗拉強度、最大延伸變形、粘接強度的情況，選擇技術經濟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，對環境均偏友好；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，配方調節最為困難，固定比例溶液造成漿料稀稠度批次差別較大，質量控制難度較大，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、強度最大，受力后極易產生裂紋；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，彎曲不易出現裂紋。此外，樹脂的固含量對薄層柔性噴涂材料成膜后質量控制較高，固含量越高，成膜質量越好，故優先考慮黏度適中、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 組分進行配合比試驗研究。

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，無結塊，無雜質。

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；凝結時間BSN02適中，達到35 min；28 d抗壓強度，BSN02最大，大于62.5 MPa；材料28 d 抗折強度，BSN02 最大，達到7.5 MPa。試驗效果綜合比較，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 組分的主要技術參數

2.3 材料增強混凝土面抗折試驗

通過在混凝土試塊表面涂敷配比好的薄層柔性噴涂材料，按規定養護28 d，與空白混凝土試塊對比抗折性能，分析增強的抗折性能。

圖1 顯示，空白樣抗折的破壞為脆性破壞，最大抗折強度達到2.22 MPa，材料完全開裂，不再具有支撐作用；涂膜樣變形率達到2%時，最大抗折強度達到2.35 MPa，整體變形呈現出階段性變化。隨著壓力增大，涂膜樣材料抗折強度迅速增大，變形率0%～2%階段主要由混凝土試塊抗折強度支撐；當變形率達到2%時，涂膜樣混凝土試塊開裂，但在噴涂材料的支撐作用下，整個斷面并未完全斷裂，變形率逐漸增大，材料抗折強度逐漸減小，呈現塑性破壞規律；當變形率達到6%左右時，這個試樣完全開裂。對比空白樣，涂膜樣混凝土試塊最大抗折強度增加0.13 MPa，變化不大；但最大變形率從1%提高至6%以上。由此，當圍巖內部出現大面積開裂破碎后，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，能夠繼續確保圍巖封閉，最大程度維持圍巖自然穩定性。

圖1 兩種樣品抗折強度曲線圖

3 工業性試驗效果研究

3.1 工程概況

本次底抽巷噴涂實施區域總計530 m，包括5 mm 厚、7～8 mm 厚、10 mm 厚3 種噴涂厚度。噴涂區域及對應礦壓測區分布情況見表3。

表3 不同噴涂方式及礦壓測區分布表

3.2 不同方式下巷道表面位移對比

巷道表面位移觀測為最直觀、最有效的效果考察方式，采用“十”字布點法，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個測區分別間隔30～50 m 距離布置表面位移測點，1#測區布置2 個測點，2#測區布置1 個測點，3#測區布置4 個測點，4#測區布置6 個測點。各測區內不同測點處表面位移平均變化值如圖2～圖5。

圖2 1#測區噴涂10 mm 厚區域兩幫及頂底板曲線圖

圖3 2#測區未噴涂區域兩幫及頂底板曲線圖

圖4 3#測區噴涂7～8 mm 厚區域兩幫及頂底板曲線圖

圖5 4#測區噴涂5 mm 厚區域兩幫及頂底板曲線圖

通過觀測可以發現，兩幫移近量最大值265 mm，出現在未噴涂區域，噴涂區域最大值均不超過50 mm，頂底板移近量很小，均不超過50 mm，且主要是底鼓。

3.3 噴涂試驗效果分析

長平礦底抽巷頂板易風化造成冒頂事故，因此，在采用錨網索支護基礎上，進行了架棚補強支護。從現場試驗效果看，噴涂與未噴涂區域頂板下沉量均較小，現有錨網索加架棚支護方式能夠有效維護頂板穩定。從噴涂覆蓋情況看，7～8 mm 或者10 mm 噴涂厚度為最優選擇，頂板平整區域可采用7～8 mm，頂板不平整區域以及兩幫可采用10 mm噴涂厚度，既可以保障覆蓋效果，又可以避免材料浪費。

4 結語

1）通過配比試驗研究，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度和柔韌性能，且具有較好的技術經濟效益。

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，已發生破碎情形時，可根據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能夠有效防止巷道頂板及兩幫泥巖風化、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行二次維修甚至多次巷修。該技術為類似情況下的應用提供了借鑒案例，適合推廣應用。