礦用高分子塑性封閉材料密閉性能研究

喬金林，馬鳳林，秦 乾，李亞輝，李 強

(1.國能神東煤炭集團有限責任公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017000；2.中國礦業大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京市海淀區，100083；3.內蒙古京潤礦安科技有限公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017000)

0 引言

煤炭在未來相當一段時期內作為我國主體能源的地位不可替代，仍在國家能源安全中發揮“壓艙石”的作用[1]。煤炭開采過程中，通風及巷道密閉性對于煤炭安全開采具有重要意義，煤礦井下采空區的遺煤自然發火問題是威脅煤礦安全生產的重大隱患[2]。據統計，我國有50%左右的煤礦存在自然發火危險，而這些自然發火多數是由采空區遺煤自燃所致，采空區遺煤自燃的主要原因是采空區漏風，同時由于漏風引起煤自燃火災又是誘發瓦斯爆炸的重要因素之一[3-6]。隨著煤炭開采朝著大型化和深部化發展，采空區及沿空巷道的堵漏風面積不斷增大，在高地應力、高溫等復雜地質環境條件下，堵漏風難度大大提高，由于漏風引起的煤層自燃的概率急劇增大，井下人員、設備的安全威脅陡增[7]。

堵漏風技術是通過破壞煤自燃的供氧條件達到防滅火目的的重要技術方法，主要有構筑密閉墻、噴涂堵漏風等方法[7-8]。噴涂堵漏風技術因施工靈活、用量小而受到廣泛關注。目前，噴涂材料主要有混凝土和聚氨酯類材料兩大類。眾多學者對以噴射混凝土為代表的無機噴涂材料開展了大量研究。白金超等[9]對干、濕噴混凝土進行了研究，明確了其受載力學特性及破壞機制；葉飛等[10]開展了噴射混凝土配合比優化試驗研究，明確了影響混凝土滲流結晶的主要因素；曾魯平等[11]對不同噴射工藝下的硬化噴射混凝土進行研究，明確了其氣泡結構特性、抗水滲透等性能；周剛等[12]對煤礦錨噴作業區噴漿粉塵運移規律進行了研究，研發了新型濕噴一體機，降低了混凝土物料的回彈率及粉塵濃度。然而，隨著煤礦開采難度的不斷增加，圍巖應力越來越大，噴涂在圍巖表面的水泥基材料在礦壓作用下不可避免地會產生大量裂隙，如果不能及時發現并修復這些裂隙，將形成漏風通道。同時混凝土噴層存在固結時間較長，施工回彈率高，水泥、砂子等材料運輸量大，噴涂作業步驟程序繁瑣等問題[7]。

目前，以聚氨酯類材料為代表的有機噴涂材料越來越受到研究人員的關注，聚氨酯類噴涂材料具有膨脹倍數高、固結時間短、粘結性好、韌性高、密閉良好的特點，可在短時間內迅速隔絕危險區域，形成密閉的環境[13-14]。另外，聚氨酯泡沫材料快速發泡成型，固化后具有較大的韌性，不發脆、不開裂，具有優異的密封性能，是充填、密閉的最佳選擇[15]。越來越多的新型聚氨酯材料應用在礦山建設中，馮志強等[16]通過硅酸鹽對傳統聚氨酯注漿材料進行了改性研究，研發出既能保留聚氨酯材料本身優異的力學性能又可避免其可燃等安全性能的缺點、適合礦山井下使用的改性聚氨酯注漿材料。隨著對煤礦安全高效生產的需求提升，要使聚氨酯材料更廣泛地應用于煤礦生產中，需要對聚氨酯材料的合成原料、合成工藝和施工條件進行改進，降低其生產成本，提高堵漏風效果，同時研發配套施工設備，形成快速噴涂工法。

基于筆者團隊研發的KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料，配套研發了塑性密閉材料施工設備，形成了快速噴涂施工方法；開展了噴射混凝土與新型堵漏風用聚氨酯材料數值對比試驗，明確了不同噴涂材料作用下的圍巖控制效果。在工程現場成功應用新型堵漏風用聚氨酯材料，取得了良好的密閉堵漏風效果。

1 工程概況

1.1 工作面概況

石圪臺煤礦位于陜西省榆林市神木縣北部，礦井設計生產能力1 000萬t/a。該礦22上102綜采工作面位于井田22上號煤層一盤區，工作面布置1條主運巷、1條回風巷，其中主運巷兼做進風巷，回風巷兼做輔運巷，回采過程中對主運巷沿空留巷。工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 工作面巷道布置

1.2 原支護方案

22上102綜采工作面煤層平均厚度2.0 m，平均埋深89 m，直接頂為砂質泥巖，平均厚度1.2 m，基本頂為細粒砂巖，平均厚度約9.2 m，直接底為中粒砂巖，平均厚度約6.7 m。

巷道斷面尺寸2.5 m×5.5 m(高×寬)。頂板采用錨索+錨桿+錨網支護，錨索型號為Φ21.6 mm×6 500 mm，間排距2 000 mm×4 000 mm；錨桿型號為Φ18 mm×1 800 mm，間排距1 000 mm×1 000 mm；錨網型號為Φ6.5 mm鋼筋網。兩幫采用錨桿+錨網支護，錨桿型號為Φ18 mm×1600 mm，間排距900 mm×1 500 mm；錨網型號為2 500 mm×2 000 mm塑料網。

巷旁采用柔模混凝土連續墻體支護，柔模砼墻沿22上102工作面正幫澆筑，正常回采推進澆筑墻體厚度1 m，沿空留巷段混凝土強度為C40。具體支護參數如圖2所示。

圖2 巷道支護參數

巷道原支護方案以C30混凝土噴層為主要密閉措施，由于礦壓顯現及周期來壓影響，22上102主運巷沿空留巷混凝土噴層開裂嚴重。兩幫及頂板混凝土噴層開裂、剝落，形成漏風通道，巷道密閉性受到嚴重破壞，易引發采空區遺煤自燃以及瓦斯涌出。同時，由于混凝土層剝落導致支護構件裸露，加快了支護構件的腐蝕速度，使支護強度下降，威脅巷道圍巖穩定性，影響煤礦安全生產。

2 KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料

2.1 聚氨酯材料制備原理

聚氨酯材料是指由A組分(氫基化合物)和B組分(異氰酸酯)混合反應生成的產物。可在常溫、常壓下經過混合攪拌，迅速反應而形成。

在普通聚氨酯材料的基礎上，研究發現A組分、B組分按體積比1∶1混合固化后生成的固結體具有較高黏結強度和密閉性，經過合理增添阻燃劑、抗靜電劑、表面活性劑、增塑劑等多種組分，研發了KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料。

2.2 KA-GK加強型聚氨酯材料參數

研發得到的KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料與普通噴射混凝土材料性能參數見表1，其特性主要體現在：反應時間短、固結速度快；反應產物膨脹倍數高；氣密性好、閉孔率高；韌性高、粘結性高、不易開裂或脫落；噴射回彈率低、施工速度快、效率高。

表1 KA-GK聚氨酯材料和普通噴射混凝土性能參數

基于KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料優點，能夠對煤礦井下密閉墻封閉及巷道堵漏風等防滅火關鍵措施發揮重要作用。

2.3 噴涂堵漏風聚氨酯材料施工技術

在煤礦巷道的錨噴支護作業中，混凝土噴射技術和設備對支護作業的效率和質量有顯著影響。目前，混凝土噴射設備主要由空壓機、噴射機、速凝劑添加裝置及機械手等構成，噴射采用的技術工藝主要有干式噴射、濕式噴射和潮式噴射3種，干式噴射存在粉塵大、回彈率高、水灰比難以準確控制的缺點，而濕式噴射和潮式噴射雖然克服了粉塵大的缺點，但是會造成噴涂設備難以清理。

因此，為有效避免噴射混凝土施工過程中的各種問題，使用自主研發的煤礦專用高壓噴涂設備，按照A、B組分進行1∶1比例進料，通過靜態混合器自動混合，即可實現施工。將注液泵固定好，接好氣源，分別將2根吸液管連好插入A、B料桶(或配備的箱)內，2根輸排管連在噴槍上，從噴槍接輸液管至噴涂地點即可。

3 礦用密閉材料數值對比試驗

3.1 模型建立

應用FLAC3D軟件對石圪臺煤礦22上102工作面分別采用KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料和4種混凝土材料(C30、C40、C50、C60)噴涂方式進行噴涂并建立模型。其中數值模擬建立的模型尺寸為250 m×100 m×120 m，如圖3所示，模擬巷道尺寸為6.0 m×2.5 m，監測點布置于沿空留巷的頂板中部，距前后出口斷面50 m，距左右巷幫3 m。

圖3 數值模型

3.2 方案設計

為進一步驗證采用KA-GK聚氨酯材料進行噴涂對于支護結構受力和圍巖的變形影響，分別采用C30、C40、C50、C60和KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料5種材料對巷道進行噴涂，根據《混凝土結構設計規范》(GB500010-2002)選取不同等級混凝土噴層參數，根據室內實驗實測值對KA-GK材料賦值，材料參數見表2。各方案巷道分10次開挖，每次開挖深度為10 m，共開挖100 m。

表2 噴層材料參數表

3.3 結果分析

3.3.1 圍巖沉降變形對比分析

圍巖沉降變形通過測點的豎向位移值來衡量，不同噴射材料測點的豎向位移曲線如圖4所示。由圖4分析可知，采用C30、C40、C50、C60和KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料進行噴涂數值模擬時，巷道掘進100 m時監測點處的豎向位移值分別為26、25、24、24、39 mm，而且C30、C40、C50、C60和KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料時的豎向位移差異率穩定在0.1%～2.0%之間。由此可以得出，使用KA-GK聚氨酯材料對煤礦巷道進行噴涂時，造成的頂板豎向位移，即圍巖沉降變形量與普通混凝土材料相差不大，驗證了KA-GK聚氨酯材料在控制圍巖變形方面與普通混凝土噴射材料等效。

圖4 不同噴射材料測點的豎向位移曲線

3.3.2 支護結構應力對比分析

不同噴射材料的應力曲線如圖5所示。由圖5分析可知，采用C30、C40、C50、C60和KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料進行巷道噴涂數值模擬時，巷道掘進100 m時監測點處的主應力值分別為0.018、0.016、0.016、0.014、0.080 MPa，產生的支護結構最大主應力與4種普通混凝土噴涂材料差異率控制在0.1%～6.0%之間。由此可以得出，使用KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料對煤礦巷道進行噴涂時不會造成煤礦巷道支護結構強度的下降，能夠保障煤礦井下作業人員的生命安全。

圖5 不同噴射材料的應力曲線

綜上所述，數值模擬實驗驗證了KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料能夠替代普通混凝土噴涂材料對煤礦巷道進行噴涂堵漏風處理，并且不會對圍巖變形和支護結構強度造成不利影響。

4 現場試驗

4.1 巷道密閉性破壞分析

22上103工作面巷道采用傳統的混凝土噴涂材料密閉，22上102工作面巷道采用KA-GK聚氨酯材料進行對比，在22上102工作面和22上103工作面布置瓦斯泄露量監測儀器，對工作面機尾安全出口處的瓦斯氣體濃度進行監測。

相關人員在工程現場分別設置早、中、夜3個班次對機尾安全出口的瓦斯氣體濃度進行為期30 d的監測，將得到的數據繪制成曲線，如圖6所示。

圖6 不同班次機尾安全出口瓦斯濃度監測曲線

由圖6可知，采用KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料進行現場噴涂的22上102工作面早、中、夜班的瓦斯氣體排出量明顯低于采用普通混凝土進行噴涂的22上103工作面，說明KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料能夠合理地維持巷道的密閉性，不會造成巷道過度漏風、漏氣現象的發生。同時，KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料能夠有效隔絕有害氣體滲入巷道內部，這對保證煤礦井下工人的安全以及防火防災具有重要作用。

4.2 KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料在現場應用的實際效果

煤礦巷道采用混凝土進行噴射時的現場效果如圖7所示。由圖7可以明顯看出，采用噴射混凝土進行堵漏風處理時煤礦巷道出現了頂板下沉和巷幫開裂的現象，造成了錨網露出、巷道潮濕漏水，甚至在某些位置未達到密封的效果，顯然會為煤礦巷道滲入有毒有害氣體留下隱患，不利于井下安全作業。

煤礦巷道采用KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料進行噴射時的現場效果如圖8所示。與圖7對比后可以看出，采用KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料進行噴射時巷道整體的堵漏風效果明顯，并且密閉性良好，并未出現錨網露出、巷幫開裂的現象，采用KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料的噴涂效果整體上也較普通混凝土材料美觀、清潔。

圖7 混凝土噴射現場應用效果

圖8 KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料現場應用效果

綜上，普通混凝土材料與KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料的現場應用效果對比試驗結果說明，在煤礦巷道的堵漏風方面，KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料明顯優于混凝土材料，KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料完全可以取代普通混凝土對煤礦巷道進行堵漏風處理，能夠對支護結構起到充分保護作用，并且能夠最大程度保證巷道的密閉性能，為井下安全作業提供重要保證，另外，噴涂過程也不會出現大量粉塵，對工作人員的身體健康也可發揮一定的保護作用。

4.3 圍巖變形結果分析

通過現場數據監測和采集，繪制了巷道頂底板位移移近量和兩幫收斂量的變化曲線，如圖9和圖10所示。

圖9 頂底板移近量曲線

圖10 兩幫收斂量曲線

由圖9和圖10可知，22上102工作面采用KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料進行噴涂時，得到的頂底板移近量曲線和兩幫收斂量曲線與采用普通混凝土進行噴射的22上103工作面變化趨勢大致相同，即控制的圍巖變形相差不大，與數值模擬的結果可以契合。

綜上，在巷道圍巖控制方面，使用KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料進行噴涂處理時，頂底板移近量和兩幫收斂量均與普通混凝土噴射材料進行處理的巷道相差不大，現場試驗表明了KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料的應用不會對巷道變形造成不利影響，不會影響到巷道的正常使用。使用KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料噴涂時，巷道變形量略大于使用普通混凝土材料噴涂的巷道變形量，進一步說明KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料具備更好的韌性和塑性。

5 結論

(1)與傳統的普通混凝土材料相比，KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料具有固結時間短、氣密性好、回彈率低、施工效率高等優點，從而能夠有效對煤礦井下巷道進行堵漏風處理，為煤礦井下安全作業提供了重要保障。

(2)以石圪臺煤礦22上102工作面的沿空留巷為背景，數值模擬結果顯示采用KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料不會對圍巖的變形和受力產生不利影響，且不會造成支護結構強度的降低，驗證了KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料完全可以替代普通混凝土材料，對煤礦巷道進行堵漏風處理。

(3)現場試驗結果進一步驗證，相較于普通混凝土材料，KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料在氣密性、韌性方面均具有更加明顯的優勢，且KA-GK加強型堵漏風用聚氨酯材料不容易開裂、脫落。