底抽巷防風化新型噴涂材料研究及應用

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）

為了達到更好的支護效果，盡快封閉巷道、防止圍巖風化、金屬網及錨桿銹蝕，噴漿已成為巷道支護必不可少的1 種手段[1-2]。傳統的噴射混凝土技術存在施工速度慢、勞動環境差、材料消耗大、輔助運輸量大、安全隱患多等諸多缺點，極大地制約了當前采用錨噴支護的礦用井巷掘進速度[3-5]。

針對此問題，眾多學者展開了大量的研究工作。文獻[6-9]針對傳統混凝土噴漿的缺點，研制出非反應型薄層噴涂材料及配套裝備和工藝，進行煤巷及水泵房噴涂支護。文獻[10-16]針對巷道瓦斯涌出、防漏風、防滅火等，研究了相應的聚氨酯和復合噴涂材料。文獻[17-19]針對巷道支護材料銹蝕和瓦斯滲漏，定型了封閉、壁面瓦斯封堵2 種功能的非反應型薄噴產品，并研制了型2 種粉體噴射機。前人研究中的噴涂材料為反應型與非反應型2 種，反應型以聚氨酯類材料為主，材料性能好但施工設備較復雜，且價格昂貴。非反應型以水泥基材料為主，成本低、實用性強，但材料黏附性、強度、耐久性不高。且前人的噴涂研究大多應用于煤巷的防瓦斯、防漏風、防風化等，缺少在底抽巖巷的應用研究。

基于此，根據長平礦底抽巖巷的圍巖為砂質泥巖，極易風化破壞的支護特性，針對性的研究1 種新型噴涂支護材料，對非反應型薄層噴涂材料進行改善，以提升材料性能，使其具備成本低、黏附性強、耐水性好等特征，并在井下進行試驗，以解決底抽巖巷易風化破壞、變形嚴重等問題。

1 新型噴涂材料

1.1 噴涂材料作用

錨網支護巷道采用的噴射混凝土封閉圍巖，一方面利用噴射混凝土起到防止風化作用，同時解決金屬網的銹蝕問題；另一方面噴射混凝土對圍巖亦起到一定的支撐作用。

但據現場大量事實表明，經理論計算后得出的錨網支護參數，其支護承載力完全能夠滿足巷道支護及穩定需要，支撐作用已經不是噴射混凝土的主要用途。因此，防風化噴涂技術研究，只要滿足封閉煤壁、防止風化作用，利用封閉作用解決金屬網的銹蝕問題即可[20-21]。

新型噴涂材料噴涂厚度達到5～10 mm 即可對巷道圍巖進行有效防風化封閉，針對傳統噴射混凝土的100～150 mm 厚度，可有效減小材料消耗和工程量。

1.2 新型噴涂材料組分

根據底抽巷圍巖易風化的現場情況，選用以水性聚合物樹脂與水硬性膠凝材料為主的雙組分模式，將水性聚合物樹脂作為噴涂材料的A 組分，水硬性膠凝材料與其他材料混合后作為噴涂材料的B組分。

1.2.1 新型噴涂材料A 組分

主要水性聚合樹脂性能參數表見表1。對比研究表1 中3 種水性聚合物樹脂對噴涂材料的抗拉強度、最大延伸變形、黏聚強度的影響，從中選擇技術經濟最合理的水性聚合物樹脂。

表1 主要水性聚合樹脂性能參數表Table 1 Parameters of several main waterborne polymeric resins

從表1 可以看出，3 種水性樹脂固含量相差不大，均在50%左右，水性樹脂ASX02 的固含量最高，達到（55±1）%，固含量越高，成膜質量越好。ASX01黏度范圍較大，配方調節比較困難，對施工質量影響較大，ASX02 和ASX03 黏度在200～1 000 mPa·s 之間，漿體黏度基本上趨于穩定，對控制工程質量有利。3 種聚合物樹脂的pH 值均在中性范圍內，對環境比較友好。3 種聚合物樹脂的玻璃化溫度差別最大，不同玻璃化溫度的度宏觀表現為：在常溫下，相同配比成膜后，ASX02 樣品軟，容易彎曲，不易出現裂紋；ASX01 樣品較軟，彎曲時用力較大，表面出現少量白線裂痕；ASX03 樣品較硬，需要用較大力才能彎曲，90°彎折后，容易出現微裂紋。

綜合考慮材料各方面特性，選擇ASX02 水性樹脂作為型噴涂材料A 組分進行研究。

1.2.2 新型噴涂材料B 組分

新型噴涂材料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、消泡劑等等組成。B 組分的各種原料均為粉體材料，粒度一般要求75 μm 以上，無結塊，無雜質。B 組分主要原料技術參數表見表2。

表2 B 組分主要原料技術參數表Table 2 Parameters of main raw materials of component B

從表2 可以看出，3 種水硬性膠凝材料粒度均達到75 μm 以上，均滿足安定性要求；凝結時間BSN01 最長，達到46 min，BSN03 最短，達到23 min，而BSN02 居中，達到35 min；28 d 抗壓強度，BSN01 大于42.5 MPa，BSN03 大于52.5 MPa，BSN02最大，大于62.5 MPa；材料28 d 抗折強度，BSN02 最大，達到7.5 MPa，BSN03 為6.9 MPa，BSN01 為4.5 MPa；抗折強度和抗壓強度的比值（折壓比）BSN03最大，達到0.131，BSN02 其次，達到0.12，BSN01 最小，達到0.106。因此，從試驗效果上選擇以BSN02作為B 組分粉體的主要原料。

B 組分中主要的增稠劑BZCJ-20 由羥丙基甲基纖維素組成，主要的減水劑BJSJ-11 由羧酸系堿水材料組成，可通過調整2 者摻量來調整A、B 組分混合后的漿體稠度值，從而滿足噴漿工藝的要求，亦使噴涂材料具有較好的黏聚性，整體均勻不成團。

B 組分中需要通過調整促凝劑BCNJ-Ⅰ和緩凝劑BHNJ-Ⅰ的配合比例來控制噴涂材料表干和固化時間，以滿足施工要求。同時，B 組分中適當添加分散劑BFSJ-32 和消泡劑BXPJ-804，可調整噴涂材料的表面結皮性、材料密實性和表面抗裂性能，使材料具有良好的表觀效果。

1.3 新型噴涂材料配比

不同的A、B 組分比例會導致新型噴涂材料各方面的性能差異較大，因此，按A、B 組分比例0.5∶1、1∶1、1.5∶1、2∶1 分別進行試驗研究，考察不同配比下噴涂材料性能變化來確定合適的配比，不同配比下材料的表干時間和硬化時間如圖1，流淌性和流掛性如圖2，最大抗拉強度如圖3，最大延伸率如圖4。

圖1 不同配比下材料的表干時間和硬化時間圖Fig.1 Diagram of surface drying time and hardening time of different proportions

圖2 不同配比下材料的流淌性和流掛性圖Fig.2 Flow and hang up diagram of materials in different proportions

圖3 不同配比下材料的最大抗拉強度圖Fig.3 Maximum tensile strength diagram of materials in different proportions

圖4 不同配比下材料的最大延伸率圖Fig.4 Maximum elongation diagram of materials in different proportions

從上述試驗結果中可以看出，當A、B 組分比例為0.5∶1 時，材料顯示為剛性，抗拉強度達到18.33 MPa，但延伸率不足3%，隨著A 組分比例的增加，材料的延伸率逐漸增大，抗拉強度逐漸減小，當A、B組分比例達到2∶1 時，材料抗拉強度減小到2.57 MPa，延伸率增大到94.61%。材料的表干時間和固化時間、流淌性和流掛性也隨著A、B 組分比例的增大而延長。當A、B 組分比例為0.5∶1 時，材料表干時間8 min，硬化時間62 min，此配比下，材料沒有流淌性和流掛性，機械攪拌比較困難，漿體非常黏稠，無法進行噴涂；當A、B 組分比例為2∶1 時，材料表干時間55 min，硬化時間327 min，此配比下，漿體很稀，噴涂時霧化效果非常好，噴涂表面平整均勻，但由于流淌性和流掛性時間太長，噴涂厚度較薄，容易墜流，此種稠度下不滿足噴涂施工工藝的需要；當A、B 組分比例達到1∶1～1.5∶1 時，材料各參數滿足施工工藝要求需要，再考慮到施工配料的便利性，最終選擇A、B 組分比例1∶1 為最優配合比。

1.4 噴涂材料覆蓋后的抗折試驗

為了考察新型噴涂材料覆蓋后對煤巖體抗折性能的增強作用，試驗設計將新型噴涂材料涂敷到水泥砂漿試塊表面，待材料養護齡期28 d 后，測試涂敷后板材的抗折強度，對比未涂敷的空白板材，以分析噴涂材料的對抗折強度的增強作用。

將涂膜均勻的板材靜置于室內4 h 后，即可放入養護箱養護，養護溫度23 ℃，濕度90%左右，養護時間14 d 后，將板材拿出，置于室內干養護14 d后即可進行測試。

測試樣品抗折強度曲線圖如圖5。從圖5 中可以看出，空白樣砂漿板材最大抗折強度達到2.22 MPa，而變形率只有約1%；涂膜樣最大抗折強度達到2.35 MPa，變形率達到約7%。相比空白樣，涂膜樣最大抗折強度增加相對較少，但是在最大變形率上提高7～8 倍。由此可知，當大斷面出現內部開裂破壞時，外層噴涂材料還能保證足夠的變形余量，使得表面噴涂層不開裂，仍具有有效的阻隔空氣、水分滲透，防止瓦斯滲漏、防止內部煤巖體風化的作用。

圖5 測試樣品抗折強度曲線圖Fig.5 Curves of flexural strength of test sample

2 井下工業試驗

2.1 工程概況

山西長平礦六盤區排矸機北巷為底抽巷道，掘進過程中，直接底K6 灰巖過于堅硬，為保證巷道高度，破頂K7 細粒砂巖掘進，易掘透暴露K7 砂巖上方的易風化砂質泥巖層，且巷道兩幫均為易風化砂質泥巖。經巖樣礦物成分分析，該砂質泥巖含有大量的高嶺石，高嶺石遇水極易發生膨脹破壞，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 噴涂方案和噴涂工藝

為了防止底抽巷圍巖風化破壞，掘進后需及時噴涂封閉巷道圍巖，采用新型噴涂材料對巷道表面圍巖進行快速封閉，A、B 組分配比為1∶1。分別選擇5、8、10、15 mm 4 種不同噴涂厚度進行對比試驗。

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，按噴涂材料質量比1∶1 倒入1 桶A 組分（液料）至泵上攪拌桶內，同時慢慢加入B 組分（粉料），攪拌3～5 min 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1～2 m，1 遍噴涂厚度為5 mm 左右，噴涂工藝示意圖如圖6。

圖6 噴涂工藝示意圖Fig.6 Painting process diagram

2.3 噴涂效果考察

2.3.1 噴涂覆蓋效果

從現場噴涂覆蓋效果上看，噴層均勻、完整、不脫落、無漏洞；噴層將裸露的錨桿、金屬網以及巖壁全封閉，有效地防止了井下潮濕空氣的侵蝕。

噴涂材料與巖壁黏結強度達到3.5 MPa，與鋼筋網黏結強度達到1.4 MPa，抗拉強度達到3 MPa、抗拉變形達到6%。噴層黏結力強，具有彈性，與錨網、圍巖黏結成1 個整體，且具有良好的抗裂和抗變形性能。

噴涂厚度8 mm 或者10 mm 為最優選擇，頂板平整區域可噴涂8 mm 厚度，頂板不平整區域以及兩幫可噴涂10 mm 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。

2.3.2 巷道變形觀測

不同噴涂厚度頂板下沉和兩幫移近量最大值如圖7。由圖7 可以看出，巷道未噴涂處頂板下沉量最大值為20 mm，兩幫移近量最大值為265 mm；巷道噴涂處頂板下沉量最大值在10 mm 以內，兩幫移近量最大值在35～45 mm 之間。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差異不大，其中噴涂厚5 mm 處的頂板下沉量略大于其他厚度。

2.3.3 快速噴涂施工效率

在現場進行500 m 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100～150 mm）用量的1/20～1/30。施工只需2～3 人操作，單班噴涂進尺在20～30 m，而傳統噴射混凝土單班進尺一般僅在3～4 m。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 結 語

1）通過分析研究，新型噴涂材料A 組分選擇ASX02 水性樹脂,B 組分選擇BSN02 作為粉體的主要原料。當A、B 組分比例達到1∶1～1.5∶1 時，材料各參數滿足施工工藝需求，其中1∶1 為最優配合比。

2）試驗測得經過新型噴涂材料涂膜后，砂漿板材最大抗折強度增加相對較少，但是在最大變形率上提高7～8 倍，能有效防止材料開裂風化。

3）井下試驗觀測，噴層外觀質量好，噴層均勻、完整、不脫落、無漏洞，噴涂最優厚度為8 mm 或者10 mm，施工速度快，作業環境好，回彈量極小，無粉塵，單班噴涂進尺可達20～30 m。噴涂覆蓋后巷道變形量顯著減小，防風化效果明顯。