張 農(nóng)，魏 群，吳建生

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.江蘇師范大學(xué)開放實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；4.江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001；5.南京科工煤炭科學(xué)技術(shù)研究有限公司，江蘇 南京 210018)

0 引 言

我國煤礦巷道支護(hù)主要采用錨桿支護(hù)，網(wǎng)的作用是與托板、鋼帶等構(gòu)件將錨桿的預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散到距離錨桿更遠(yuǎn)的圍巖中，防止錨桿之間的小尺寸松脫巖石塊體脫離原位，進(jìn)而維持支護(hù)體-圍巖系統(tǒng)的穩(wěn)定。錨桿支護(hù)體系下對(duì)圍巖初期松動(dòng)變形的有效控制十分重要[1]，然而普通金屬網(wǎng)必須在圍巖發(fā)生相當(dāng)?shù)淖冃瘟?可能數(shù)十厘米)之后才能起到承載和支護(hù)作用；煤礦巷道圍巖表面難以保證良好的平整度，網(wǎng)與巖面之間無法實(shí)現(xiàn)良好的貼合，難以及時(shí)承載。錨桿的施工基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，然而網(wǎng)的安裝作業(yè)機(jī)械化程度低，給巷道支護(hù)效率、安全性帶來挑戰(zhàn)。噴射混凝土是另外一種表面支護(hù)方式，主要作用是封閉圍巖防止風(fēng)化，同時(shí)發(fā)揮改善圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)、防止破碎圍巖中巖石掉落等力學(xué)作用。然而，煤礦巷道一般變形量大，深井軟巖巷道掘進(jìn)期間圍巖變形甚至達(dá)數(shù)百毫米，而噴射混凝土屬于脆性材料，巷道來壓后噴層因不能承受大的拉應(yīng)力會(huì)發(fā)生拉伸破壞，無法對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定起到支護(hù)作用[2]；同時(shí)破壞、脫落的噴層自身也易成為安全隱患。此外，噴射混凝土的施工還存在一些問題，如施工粉塵大、施工速度慢、回彈率高、用工量大、物料運(yùn)輸量巨大等問題。針對(duì)錨桿支護(hù)體系，對(duì)新型護(hù)表方法、材料開展研究具有重要意義。

1 噴涂柔膜技術(shù)特征

近年來，在加拿大、土耳其、南非、澳大利亞等國家對(duì)一種成膜厚度小、凝固速度快、噴涂方式施工的襯層材料(Thin Spray-on Liner，TSL)進(jìn)行了研究和應(yīng)用[3]，國內(nèi)一般稱其為“薄噴襯層”。薄噴襯層的“薄”通常指的是其厚度與噴射混凝土相比成數(shù)量級(jí)的降低，一般只有數(shù)毫米。與網(wǎng)相比，薄噴襯層的突出特點(diǎn)是與巖面之間的良好黏結(jié)性，以及對(duì)不平整巖面的適應(yīng)性。與噴射混凝土相比，薄噴襯層的明顯優(yōu)勢(shì)首先在于其很小的施工厚度以及由此帶來的物料運(yùn)輸、施工量的降低；其次是良好的變形能力。此外，薄噴襯層的施工可以實(shí)現(xiàn)較高程度的機(jī)械化和自動(dòng)化，這對(duì)將來采礦自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)是有幫助的。

基于材料的上述性能和施工特點(diǎn)，從工程特性的角度認(rèn)為“噴涂柔膜”包含了更為完整和準(zhǔn)確的工程語義。其中，“噴涂”體現(xiàn)了該技術(shù)的施工特點(diǎn)，包含了材料與巖體的黏結(jié)性，以及能夠適應(yīng)不平整巖體表面的特性，顯示了與網(wǎng)等卷材的不同；“柔”表明材料具有變形能力，有別于脆性的噴射混凝土；“膜”體現(xiàn)了極小的施工厚度?；谏鲜龇治?，對(duì)噴涂柔膜技術(shù)的再定義如下：通過噴涂的施工方式，將高分子材料或高分子復(fù)合材料施加至圍巖表面，固化后形成與基體緊密黏結(jié)且具有變形能力薄層的技術(shù)[4]。以下以“噴膜”作為簡稱。

噴膜材料一般分為反應(yīng)型和非反應(yīng)型，反應(yīng)型產(chǎn)品的成分主要是異氰酸酯和丙烯酸酯，其反應(yīng)速度快、養(yǎng)護(hù)時(shí)間短，施工后1 h之內(nèi)可以獲得大部分的抗拉強(qiáng)度。非反應(yīng)型噴膜產(chǎn)品養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長，產(chǎn)生黏結(jié)、抗拉強(qiáng)度的速度較慢。

2 噴涂柔膜技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 國外研究進(jìn)展

2.1.1 力學(xué)性能測(cè)試

1)拉伸性能測(cè)試。國外對(duì)噴膜拉伸性能的測(cè)試一般基于ASTM D638標(biāo)準(zhǔn)。YILMAZ[5]對(duì)市面上的35個(gè)噴膜產(chǎn)品(其中除3種是聚氨酯基之外，其余均為聚合物水泥基材料)開展了不同養(yǎng)護(hù)期下抗拉強(qiáng)度的測(cè)試，抗拉強(qiáng)度為0.5～7.5 MPa。

2)黏結(jié)性能測(cè)試。OZTURK[6]發(fā)現(xiàn)基體的抗拉強(qiáng)度在2 MPa以上時(shí)噴膜與基體之間才能產(chǎn)生比較好的黏結(jié)效應(yīng)，認(rèn)為黏結(jié)性能是影響噴膜應(yīng)用的重要性能，并基于實(shí)驗(yàn)提出噴膜的參考厚度為4 mm。LI等[7]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，巖石基體的強(qiáng)度越高、黏結(jié)界面越粗糙，噴膜與巖石的黏結(jié)性能越好。YILMAZ[8]介紹了測(cè)試噴膜與基體間拉伸黏結(jié)強(qiáng)度的直接拉拔法，基于該方法測(cè)試了不同噴膜材料與基體的黏結(jié)性能。

3)抗剪切性能測(cè)試。JJUUKO等[9]認(rèn)為噴膜的剪切-黏結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)是噴膜設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。QIAO等[10]采用不同方法對(duì)噴膜材料與煤等不同基體的界面抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，使用沖壓法開展了噴膜材料的抗剪強(qiáng)度測(cè)試。

2.1.2 支護(hù)作用

噴膜的初期定位是一種密閉材料：在巖體表面形成一層連續(xù)的膜結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體的表面覆蓋；由于噴膜具備良好的氣密性，可以阻止空氣進(jìn)入裂隙防止巖體的弱化。然而在應(yīng)用的過程中，人們注意到其可能具備一定的支護(hù)能力。

國外研究人員對(duì)噴膜的支護(hù)機(jī)理進(jìn)行了探討。STACEY[11]認(rèn)為，膜結(jié)構(gòu)與巖石之間的良好黏結(jié)能夠降低由于變形導(dǎo)致的應(yīng)力和應(yīng)變，抑制巖石移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而發(fā)揮控制松脫危石的作用。DUBE[12]認(rèn)為噴膜可以促進(jìn)巖石的自鎖，這是其發(fā)揮支護(hù)作用的機(jī)理。YILMAZ[5]認(rèn)為，噴膜材料進(jìn)入松脫巖石與穩(wěn)定巖體之間的縫隙起到黏結(jié)作用，進(jìn)而發(fā)揮支護(hù)作用。

研究人員對(duì)噴膜的支護(hù)效果開展了一系列實(shí)驗(yàn)研究。SHAN等[13]通過大尺度對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與焊接網(wǎng)相比，噴膜加固的模擬巖石試樣的峰值強(qiáng)度更高；還模擬了一種噴膜材料對(duì)頂板巖體屈曲破壞的支護(hù)作用，發(fā)現(xiàn)噴膜材料能夠與巖石之間黏結(jié)形成一個(gè)復(fù)合薄層，提高試樣抵抗表面破壞的能力[14]。ARCHIBALD等[15]通過大量試驗(yàn)?zāi)M了噴膜在沖擊載荷下的支護(hù)作用，發(fā)現(xiàn)噴膜的效果不遜于網(wǎng)、噴射混凝土等其他常規(guī)護(hù)表手段。

2.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

與國外相比，國內(nèi)對(duì)于噴膜的研究較少。董山等[16]探討了薄膜的支護(hù)機(jī)理，認(rèn)為其發(fā)揮支護(hù)作用的幾種方式包括：膠水作用、隔離作用、滲透加固作用。張少波等[17]開發(fā)了適用于國內(nèi)煤礦的噴膜技術(shù)、裝備，并在東歡坨礦、王坡礦等現(xiàn)場開展了用于封閉的實(shí)踐。李學(xué)彬等[18]開發(fā)了一種新型聚合物噴層，在弱膠結(jié)軟巖巷道中取得了良好的支護(hù)效果。

雖然學(xué)者們針對(duì)噴膜的支護(hù)效果開展了一些研究工作，但是由于噴膜與混凝土相比厚度很小，且其表現(xiàn)出明顯的柔性，因此其支護(hù)效果仍受到懷疑；將噴膜用于礦山支護(hù)時(shí)，也缺乏廣泛接受的測(cè)試、設(shè)計(jì)、施工依據(jù)[19]。在煤礦條件下，尤其是作為支護(hù)方法的應(yīng)用案例和原理研究還比較少。

3 礦用噴膜材料的選擇

煤礦井下空間狹小，對(duì)材料的安全性要求高，非反應(yīng)型噴膜材料是優(yōu)先選擇。在非反應(yīng)型噴膜中，聚合物水泥基材料最具代表性，因此選擇一種聚合物水泥基的噴膜材料進(jìn)行力學(xué)性能的測(cè)試研究。該材料為粉體，根據(jù)一定的配比與水混合后噴至巖體表面，固化成膜后形成噴層。

3.1 拉伸性能

噴膜材料的力學(xué)性能對(duì)其應(yīng)用具有重要影響，相關(guān)力學(xué)參數(shù)對(duì)數(shù)值模擬分析等具有基礎(chǔ)性作用?；贏STM D638標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試了所選材料的拉伸力學(xué)性能，試樣為啞鈴型，如圖1所示。

養(yǎng)護(hù)期對(duì)聚合物水泥基材料的強(qiáng)度建立有重要影響。分別對(duì)養(yǎng)護(hù)期為1、7、14、28 d的試樣開展拉伸性能測(cè)試，抗拉強(qiáng)度如圖2所示。

圖2 不同養(yǎng)護(hù)期下的抗拉強(qiáng)度

抗拉強(qiáng)度由養(yǎng)護(hù)期1 d時(shí)的0.24 MPa提高至28 d時(shí)的2.04 MPa。抗拉強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)期的增加而提高，但速度有所變化。養(yǎng)護(hù)初期(1～7 d)提高速度最快，7 d時(shí)達(dá)到最大值的65%，中期(7～14 d)上升速度減慢，后期(14～28 d)增長很小。養(yǎng)護(hù)期為1、7、14、28 d時(shí)破斷延伸率分別為51.3%、79.1%、54.19%、52.62%。

測(cè)試周期內(nèi)材料的破斷延伸率均不低于50%，表明該材料具有良好的變形能力，這對(duì)于煤礦圍巖的大變形特性是有利的。破斷延伸率在7 d時(shí)最大，達(dá)到79.10%。不同養(yǎng)護(hù)期下的平均應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)期下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同養(yǎng)護(hù)期下試樣的拉伸強(qiáng)度建立速度不同。對(duì)于養(yǎng)護(hù)期1 d的試樣，應(yīng)力隨變形的增加緩慢建立，所能達(dá)到的峰值也較低，峰后變形很小。隨著養(yǎng)護(hù)期增加，試樣的強(qiáng)度建立速度快且維持較大載荷至較大變形才發(fā)生破壞，曲線呈“n”形。不同養(yǎng)護(hù)期下的試樣破壞前均發(fā)生大的變形，表現(xiàn)出明顯的塑性。強(qiáng)度建立越快，表明噴膜在巖體發(fā)生很小的變形時(shí)能夠更早發(fā)揮抑制作用，這是噴層類護(hù)表區(qū)別于網(wǎng)的重要優(yōu)勢(shì)；試樣維持較大的拉伸應(yīng)力的同時(shí)繼續(xù)發(fā)生變形，表明噴膜具備大變形且強(qiáng)承載的潛力。上述性能特點(diǎn)有利于圍巖控制，尤其是大變形煤礦巷道的圍巖控制。

養(yǎng)護(hù)期14 d時(shí)的曲線可以分為3個(gè)階段。初始階段即OA段內(nèi)試樣發(fā)生近似彈性變形，曲線近似線性。該階段內(nèi)應(yīng)變幅度極小，應(yīng)力伴隨著微小的變形快速上升，曲線斜率即彈性模量，經(jīng)計(jì)算約為42 MPa。與巖石相比，噴膜在彈性變形階段所表現(xiàn)出來的彈性模量還是非常微小的。屈服階段即AB段，應(yīng)力上升速度逐漸減緩，至B點(diǎn)時(shí)達(dá)到應(yīng)力峰值。BC段，試樣內(nèi)部逐漸發(fā)生微小破壞，應(yīng)力下降，C點(diǎn)時(shí)發(fā)生斷裂。

3.2 法向黏結(jié)性能

噴膜發(fā)揮支護(hù)作用的前提是其與巖體之間的黏結(jié)性能良好。選擇一種紅砂巖基體，測(cè)試噴膜與其法向黏結(jié)強(qiáng)度，如圖4所示。通過高強(qiáng)膠水將鋁錠(直徑20 mm)與固化后的噴膜黏結(jié)，通過數(shù)顯拉拔儀拉拔鋁錠，拉拔儀自動(dòng)記錄載荷數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算法向黏結(jié)強(qiáng)度。

圖4 法向黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)試

噴膜養(yǎng)護(hù)21 d后開展測(cè)試，有效測(cè)試結(jié)果：鋁錠編號(hào)為1、2、4時(shí)法向黏結(jié)強(qiáng)度為分別1.47、2.35、2.50 MPa(試樣3的加載過程受到干擾，因此數(shù)據(jù)舍棄)。

拉拔破壞后的鋁錠底部如圖5所示?？梢姡瑖娔ひ约皣娔づc巖石基體的黏結(jié)保持完好，拉伸破壞發(fā)生于巖石基體內(nèi)部，表明被測(cè)噴膜與基體之間具有良好的法向黏結(jié)效應(yīng)。

圖5 拉拔破壞后的鋁錠底部

3.3 塊體承載特性

歐洲噴射混凝土組織的ENC 250TSL標(biāo)準(zhǔn)[20]給出了噴膜的塊體承載能力(即線性承載能力指標(biāo))測(cè)試規(guī)范，原理如圖6所示。2個(gè)邊塊體A、B(固定塊體)和一個(gè)中間塊體(活動(dòng)塊體)組成測(cè)試基體，中間塊體與兩側(cè)固定塊體之間的距離為3 mm。螺釘-壓板結(jié)構(gòu)將邊塊體A、B的部分區(qū)域(A1—A2間和B1—B2間)夾緊、固定，試驗(yàn)機(jī)壓頭對(duì)中間塊體加載，記錄壓頭的位移和載荷，以此計(jì)算噴膜的承載能力。

圖6 塊體承載能力測(cè)試

標(biāo)準(zhǔn)所給出的噴膜“線性承載能力(N/cm)”指標(biāo)計(jì)算方法為

其中：Fmax為峰值載荷，N；e為試樣寬度，cm。更高的線性承載能力值，意味著噴膜在抑制巖石塊體脫落時(shí)具備更大的承載能力。以養(yǎng)護(hù)期1 d的1號(hào)試樣為例，圖7為其載荷-位移關(guān)系曲線，圖8為測(cè)試過程。

圖7 養(yǎng)護(hù)1 d時(shí)試樣的位移-載荷曲線

圖8 塊體承載測(cè)試的4個(gè)階段

整個(gè)過程可分為靜態(tài)承載、脫黏、拉伸承載、拉伸破壞4個(gè)階段。靜態(tài)承載階段曲線近似直線上升，表明噴膜發(fā)生彈性變形，說明在承載的初期噴膜快速產(chǎn)生支護(hù)載荷；脫黏階段動(dòng)態(tài)過程，期間載荷明顯下降。拉伸承載階段載荷再次大幅上升，然而，拉伸承載及拉伸破壞階段是在實(shí)驗(yàn)工裝的夾持限制下發(fā)生的，實(shí)際應(yīng)用時(shí)難以具備類似條件。應(yīng)選擇靜態(tài)承載階段研究噴膜的承載性能，其峰值(即圖7中的A點(diǎn)處)表征了噴膜的靜態(tài)承載能力。在養(yǎng)護(hù)期1、7、14、28 d下測(cè)得的靜態(tài)承載能力平均值分別為16.01、39.23、48.64、37.74 N/cm，以養(yǎng)護(hù)期為14 d時(shí)最高。

假定錨桿之間的松脫巖體為球心位于巖面、半徑為r的倒半球體，半球體的周圍為穩(wěn)定巖體，如圖9所示(圖中g(shù)為重力加速度)。假定噴膜與周圍的穩(wěn)定巖體可靠黏結(jié)，進(jìn)而限制半球形松脫巖體由于自重導(dǎo)致的垮落。

圖9 模擬松脫巖體的半球體

巖體密度取常見巖石中的較大值3 000 kg/m3；考慮沿邊緣承載的不均衡性，取不均衡系數(shù)為2，以所測(cè)得的線性承載能力最大值48.64 N/cm為計(jì)算依據(jù)，被測(cè)噴膜可以承受半徑r=0.493 m的半球體內(nèi)約752 kg的松脫巖體質(zhì)量。煤礦巷道的圍巖破壞通常是一個(gè)漸進(jìn)過程，圍巖表面的小塊松脫巖石是護(hù)表的對(duì)象。上述承受質(zhì)量遠(yuǎn)超小塊松脫巖石的范疇，表明所測(cè)噴膜材料具有良好的塊體承載能力。

3.4 潛在密閉作用

噴膜的潛在密閉作用首先體現(xiàn)在對(duì)開挖后的圍巖進(jìn)行密閉防止風(fēng)化。地下巖體開挖后與空氣接觸，巖石顆粒之間的膠結(jié)容易因風(fēng)化而削弱，進(jìn)而形成和加劇巖體裂隙，降低巖體的物理力學(xué)指標(biāo)。開挖后的圍巖表面施工噴膜形成屏障，可以阻止巷道空氣中水分的侵入，防止圍巖的弱化。

當(dāng)與錨桿支護(hù)配套使用時(shí)，噴膜對(duì)金屬支護(hù)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)包裹，可以阻止空氣中水汽對(duì)構(gòu)件的侵蝕，防止構(gòu)件銹蝕、弱化，進(jìn)而提高錨桿支護(hù)系統(tǒng)的可靠性。此外，注漿時(shí)對(duì)圍巖表面封閉防止跑漿也是噴膜的潛在密閉作用之一。

4 噴膜與常見護(hù)表性能對(duì)比

與網(wǎng)、噴射混凝土相比，噴膜的力學(xué)性能及施工工藝明顯不同，決定了其不同的技術(shù)特征。以上述被測(cè)的聚合物水泥基噴膜材料為例，對(duì)比其與網(wǎng)、噴射混凝土的護(hù)表性能。

4.1 承載及時(shí)性

TANNANT[3]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)焊接鐵絲網(wǎng)在變形量達(dá)到150 mm時(shí)才能發(fā)揮明顯的承載作用。將護(hù)表簡化為原長為1個(gè)長度單位的二維結(jié)構(gòu)，如圖10所示。假定護(hù)表的下沉輪廓為圓弧，下沉幅度為0.15個(gè)單位時(shí)弧長為1.06，變形量為0.06。以前文所測(cè)聚合物水泥基噴膜材料為例，應(yīng)變?yōu)?.06時(shí)材料的拉伸應(yīng)力約為1.76 MPa，處于AB段有效承載狀態(tài)。以常見的錨桿間距1 m為例，錨桿間巖體由平整狀態(tài)至下沉0.15 m過程中金屬網(wǎng)尚未有效承載，而噴膜已經(jīng)發(fā)揮抑制作用，表明噴膜承載及時(shí)。噴射混凝土與噴膜類似，也能在巖體變形初期發(fā)揮抑制作用，且脆性的混凝土噴層的承載性能明顯優(yōu)于噴膜?；谏鲜龇治?，噴膜的承載及時(shí)性明顯優(yōu)于金屬網(wǎng)，次于噴射混凝土。

圖10 護(hù)表下沉0.15個(gè)單位時(shí)的狀態(tài)

4.2 承載能力

在二維空間內(nèi)對(duì)金屬網(wǎng)和噴膜的承載能力進(jìn)行對(duì)比，如圖11所示。金屬網(wǎng)的絲徑取6 mm，網(wǎng)眼為邊長為100 mm的正方形，噴膜厚度取5 mm，金屬絲、噴膜的抗拉強(qiáng)度以235 MPa和3 MPa計(jì)算。在一個(gè)網(wǎng)眼內(nèi)焊接網(wǎng)和噴膜的拉伸承載的理論屈服值分別為6.64 kN和1.5 kN，金屬網(wǎng)的承載能力是噴膜的4.43倍，噴膜的承載能力明顯弱于金屬網(wǎng)。厚層噴射混凝土固化后能夠形成承載殼體結(jié)構(gòu)，這是柔性的噴膜所不具備的，因此噴膜的承載能力不及噴射混凝土。

圖11 網(wǎng)與噴涂柔膜承載能力示意

4.3 變形能力

混凝土噴層性脆變形能力差，隨巖體變形時(shí)容易發(fā)生破壞，如圖12a所示。網(wǎng)能夠隨擠出的巖體發(fā)生變形而不破壞，變形能力好，然而即使是小尺寸的巖體垮落也會(huì)導(dǎo)致錨桿間的全部網(wǎng)參與承載，如圖12b所示。噴膜覆蓋的巖體破碎擠出時(shí)，噴膜隨巖體協(xié)同變形的同時(shí)能夠抑制變形，如圖12c所示。在適應(yīng)巖體變形并保持承載方面，噴膜的性能優(yōu)于噴射混凝土和金屬網(wǎng)。

圖12 不同護(hù)表方式的承載和變形情況

4.4 與圍巖表面的貼合性

很多煤礦巷道為臨時(shí)性工程，開挖面可能存在明顯的超挖、欠挖，如圖13所示。錨桿之間的巖體表面有凹坑時(shí)，網(wǎng)難以良好貼合內(nèi)凹的表面。厚層噴射混凝土能夠填平內(nèi)凹部位形成平整的外表面，與圍巖表面的貼合性好。噴膜能夠在不平整的圍巖表面形成一層薄膜結(jié)構(gòu)，對(duì)圍巖表面的貼合性好，然而噴膜施工厚度小，無法像噴射混凝土一樣填平大尺寸的凹坑，難以滿足煤礦巷道質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化要求。

圖13 不同護(hù)表方式對(duì)圍巖表面的貼合

4.5 施 工

煤礦井下噴射混凝土的施工厚度一般為數(shù)十毫米，甚至達(dá)150 mm，而噴膜的厚度僅為數(shù)毫米。單位面積上噴層厚度的降低，大幅減少施工量，施工效率得到極大提高。噴射混凝土勞動(dòng)強(qiáng)度高，典型條件下所需的作業(yè)人數(shù)達(dá)7～8人，表現(xiàn)出粗放性特征；而噴膜作業(yè)最低僅需2人，勞動(dòng)強(qiáng)度明顯降低。成膜厚度小意味著所需的物料運(yùn)輸量小，輔助運(yùn)輸壓力小。噴膜表現(xiàn)出明顯的集約化、精細(xì)化特征。在施工成本方面，噴膜明顯優(yōu)于噴射混凝土。

受到井下條件制約，濕式混凝土噴射仍然未能取代潮式，而潮式噴射作業(yè)的粉塵難以根除，影響安全。噴涂柔膜一般采用漿體噴涂，無粉塵產(chǎn)生，有利于勞動(dòng)保護(hù)。因此，在施工環(huán)境保護(hù)方面噴膜具備明顯優(yōu)勢(shì)。

混凝土噴射和噴膜漿體噴涂作業(yè)時(shí)，噴槍能夠離開受噴巖體表面一定距離，機(jī)械化程度、安全性更高。網(wǎng)的施工工序復(fù)雜，在當(dāng)前工藝和技術(shù)條件下不易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，很大程度上依賴人工完成，效率較低；金屬網(wǎng)安裝作業(yè)時(shí)，施工人員要靠近未支護(hù)的巖面，安全性差。金屬網(wǎng)的上述弊端從一定程度上也阻礙了掘進(jìn)自動(dòng)化、智能化的發(fā)展。因此，在施工的機(jī)械化和安全性方面，噴膜和噴射混凝土優(yōu)于金屬網(wǎng)。

4.6 結(jié)構(gòu)性作用

厚層噴射混凝土所形成的殼結(jié)構(gòu)能夠?qū)鷰r起到結(jié)構(gòu)性作用。噴膜和金屬網(wǎng)為柔性材料，單獨(dú)使用時(shí)無法直接發(fā)揮結(jié)構(gòu)性作用。

4.7 密閉作用

噴射混凝土和噴膜能夠在巖體表面形成屏障，具有良好的密閉作用，而金屬網(wǎng)不能發(fā)揮巖體封閉作用。分別使用“優(yōu)、一般、差”評(píng)價(jià)上述性能指標(biāo)，對(duì)噴涂柔膜、噴射混凝土和金屬網(wǎng)進(jìn)行對(duì)比見表1。

表1 不同護(hù)表方式的性能對(duì)比

可見，噴膜在大部分指標(biāo)中優(yōu)于噴射混凝土和網(wǎng)，尤其在施工(施工量、機(jī)械化程度、安全性)方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。噴膜的抗拉強(qiáng)度低于金屬網(wǎng)，施工厚度遠(yuǎn)小于噴射混凝土，導(dǎo)致其承載能力處于明顯劣勢(shì)。

5 噴膜的適用性評(píng)價(jià)

5.1 應(yīng)用原則

煤礦巷道錨桿支護(hù)是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的技術(shù)體系，噴膜在錨桿支護(hù)中的應(yīng)用并非為了取代已有的某項(xiàng)技術(shù)，而是給錨桿支護(hù)體系增加了一項(xiàng)新的手段。煤礦巷道條件復(fù)雜多樣，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況選擇某種護(hù)表方式，或采用多種方式的組合應(yīng)用，以達(dá)到所需的圍巖控制目標(biāo)。煤礦現(xiàn)場對(duì)噴膜作為一種支護(hù)方式的主觀接受需要一個(gè)過程，噴膜在錨桿支護(hù)中的應(yīng)用應(yīng)該循序漸進(jìn)：先在簡單的工程條件下試用，繼而進(jìn)行總結(jié)、改進(jìn)并擴(kuò)展至其他條件。

5.2 潛在應(yīng)用

除施工工藝外，噴膜的主要優(yōu)勢(shì)在于具有一定的變形能力而不會(huì)發(fā)生脆性破壞，且能夠與圍巖良好黏結(jié)，這對(duì)于經(jīng)常會(huì)發(fā)生大變形的煤礦巷道圍巖控制是有利的。對(duì)噴膜在煤礦巷道錨桿支護(hù)中的初期應(yīng)用建議如下：

1)在特定的條件下取代厚層噴射混凝土。當(dāng)僅需要噴射混凝土實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖、金屬支護(hù)構(gòu)件的封閉而不要求其發(fā)揮結(jié)構(gòu)性作用時(shí)，或噴射混凝土所能發(fā)揮的結(jié)構(gòu)性作用客觀上非常微小時(shí)，可以充分發(fā)揮噴膜的高效、清潔等優(yōu)勢(shì)，替代噴射混凝土。

2)在特定條件下取代金屬網(wǎng)。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件穩(wěn)定，巷道圍巖相對(duì)完整且變形較小時(shí)，可以用噴膜替代金屬網(wǎng)，此時(shí)依靠噴膜發(fā)揮密閉作用，在防止巖體發(fā)生風(fēng)化的同時(shí)還能控制小尺度巖塊的掉落，實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖破壞、變形的早期、及時(shí)干預(yù)。

5.3 施工的受限條件

受材料等方面的制約，在一些條件下噴膜材料的施工或預(yù)期支護(hù)性能難以保證因此無法應(yīng)用，如：

1)巷道圍巖已經(jīng)嚴(yán)重破碎時(shí)。噴膜的厚度很小，因此無法在有較大裂隙的巖石塊體間實(shí)現(xiàn)橋接，無法在巖體表面形成完整、連續(xù)的膜結(jié)構(gòu)。

2)巖體有淋水時(shí)。淋水會(huì)沖刷噴膜漿體導(dǎo)致其流失；當(dāng)采用反應(yīng)型噴膜材料時(shí)，水可能優(yōu)先與其中的特定組份發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致噴膜材料失效。

3)表面已經(jīng)弱化或有大量粉塵堆積的軟弱巖體。巖體表面由于吸濕出現(xiàn)弱化、崩解，或表面有大量粉塵堆積時(shí)，噴膜無法與巖石基體良好黏結(jié)，因此無法應(yīng)用。

6 結(jié) 論

1)典型的噴涂柔膜在拉伸測(cè)試中表現(xiàn)出及時(shí)承載、大變形特性，與巖石基體可良好地黏結(jié)，這對(duì)于及時(shí)發(fā)揮承載作用、適應(yīng)煤礦巖體的大變形特性是有利的。

2)塊體承載時(shí)，噴膜能夠在塊體移動(dòng)初期快速建立強(qiáng)度，承載能力指標(biāo)表明，噴膜具有良好的塊體承載潛力。

3)噴膜能夠及時(shí)承載，但是承載能力弱于噴射混凝土和網(wǎng)，且無法發(fā)揮結(jié)構(gòu)性作用；在施工方面明顯優(yōu)于現(xiàn)有的護(hù)表方式；與網(wǎng)相比，其優(yōu)越性還體現(xiàn)在能夠適應(yīng)煤礦巷道的不平整巖面。

4)噴膜在煤礦井下的應(yīng)用應(yīng)遵循循序漸進(jìn)的原則，可以首先在不需要發(fā)揮結(jié)構(gòu)性作用時(shí)代替噴射混凝土，或者在地質(zhì)條件良好時(shí)部分取代網(wǎng)。此外，噴膜可以與現(xiàn)有護(hù)表方式組合使用。

致謝：本研究得到了巴斯夫浩珂礦業(yè)化學(xué)(中國)有限公司在測(cè)試材料方面的幫助，在此表示衷心的感謝。