李洪先，徐書榮，盧安陳，王 凱，楊 華

(1.貴州安晟能源有限公司，貴州 貴陽 550000；2.貴州黔西能源開發(fā)有限公司，貴州 畢節(jié) 551700)

目前，國內煤礦普遍采用噴射混凝土或砂漿來封閉巷道表面，但隨著煤礦工程技術向集約化的方向發(fā)展，該技術措施的缺陷也越來越明顯[1-2]：一是施工工藝復雜，工人勞動強度大，噴射速度慢，尤其是對機掘錨網(wǎng)巷道采取噴射混凝土封閉時，在噴射施工速度上遠遠匹配不上機械化掘進的施工進度；二是噴射混凝土回彈率高，成本高；三是施工現(xiàn)場粉塵濃度高，環(huán)境差；四是噴射混凝土噴層受動壓影響，巷道噴層容易掉皮、脫落[3-5]。在傳統(tǒng)錨網(wǎng)噴支護體系中，起到主要支護作用的是錨網(wǎng)支護，因此，在穩(wěn)定性較好的巷道中，只要錨桿的支護作用長期有效，巷道的混凝土涂層就能保證持續(xù)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)對巷道表面的有效封閉[6]。然而在變形量大的巷道(如沿空留巷、沿空掘巷)中，巷道的混凝土涂層則損壞嚴重，需要經(jīng)常復噴，涂層封閉效果差、巷道維護成本高、工作環(huán)境污染大。因此，研究新的噴涂材料及工藝勢在必行，采用薄層噴涂技術對巷道進行防護封閉具有一定的創(chuàng)新和現(xiàn)實意義[7]。

工作面終采線是最容易引發(fā)煤自然發(fā)火的地點，一般在工作面停采后應立即進行封閉。青龍煤礦為緩解采掘接續(xù)緊張，解決11808運輸巷的掘進煤運輸問題，不得已在21802工作面停采后實行終采線留巷，導致終采線全部暴露在通風巷道中，自然發(fā)火的危險性進一步增大。如果不采取有效的封堵漏風措施，極易引發(fā)自然發(fā)火事故。筆者針對終采線留巷變形量大、漏風條件復雜的問題，研發(fā)了新型礦用薄噴材料及工藝，以有效降低21802終采線的漏風量，杜絕自然發(fā)火事故，為沿空巷道的噴涂堵漏提供有效的技術手段。

1 礦用薄層噴涂技術原理及優(yōu)勢

1.1 礦用薄層噴涂技術原理

礦用薄層噴涂，是一種新的支護理念，噴涂材料通常由水泥、聚合物及反應或非反應多組分材料組成[8]。其多應用于圍巖表面，噴涂幾毫米厚度的涂層，起到封閉巷道表面、保護錨網(wǎng)支護體系的作用[9-10]。綜合噴層在應力控制和結構控制地質條件下的支護作用，薄層噴層的支護機理可以簡單表示為承載層作用、膠結作用、楔子作用[11]。

承載層作用主要體現(xiàn)在噴層作為一種獨立的支護結構而受力，其通過自身的抗壓抗彎強度承載外部的力。膠結作用包括兩個方面：一是噴層與基底巖面間的黏結作用；二是噴層材料滲入圍巖裂隙中的膠結作用。當噴層材料滲入裂隙，即塊體周圍空洞、裂隙被充填后，巖塊在下落過程中會由于沒有足夠的剪漲空間而保持穩(wěn)定不掉落，類似于注漿，噴層材料滲入裂隙中的楔子作用主要體現(xiàn)在充填節(jié)理的抗壓剛度的增大，即圍巖剛度的增大[12-13]。

1.2 礦用薄層噴涂技術優(yōu)勢

相比傳統(tǒng)噴射混凝土噴層，薄層噴涂技術具有以下優(yōu)點[14-15]：

1)施工速度快。礦用薄層噴涂技術涂層薄，施工工藝簡單，施工速度是普通噴射混凝土施工速度的5倍以上，對巷道掘進作業(yè)影響小，可以節(jié)省巷道施工中噴漿作業(yè)所用工時。

2)粘結力強，密閉性好。可以快速牢固粘結巖石、煤體等不同材料，能夠有效隔水，噴層有較好的柔韌性、抗彎折性、成膜性。

3)成本低。傳統(tǒng)噴射混凝土施工強度大，對噴涂機械要求較高，而使用礦用薄層噴涂技術的材料和設備投資成本遠低于傳統(tǒng)噴射混凝土的成本。

4)節(jié)能環(huán)保，產(chǎn)塵少。薄層噴涂采用濕噴工藝，材料無毒無味，現(xiàn)場施工無粉塵，作業(yè)環(huán)境好，安全環(huán)保。

2 礦用薄層噴涂材料

2.1 材料配比與制備

礦用薄層噴涂材料是一種聚合物改性水泥基材料，主要分為反應型和非反應型兩種類型。反應型主要為聚氨酯/聚脲雙組分體系，優(yōu)點是成膜固化性能好、抗壓強度高，缺點是固化過程中存在放熱現(xiàn)象，且對噴涂配套設備要求較高，操作系統(tǒng)復雜，經(jīng)濟成本較高[16-17]。非反應型以水泥基材料為主，一般通過在水泥凈漿中添加聚合物助劑改性而成，優(yōu)點是價格低廉，缺點是支護強度較低，粘結能力較差，服務年限較短[18]。青龍煤礦現(xiàn)場試驗所應用的薄層噴涂材料主要有：水灰比固定50%，聚灰比15%的VAE乳液，輕質碳酸鈣、纖維素、速凝劑、減水劑、消泡劑、成膜劑的添加量根據(jù)文獻研究情況，選擇常用的推薦添加量[19-21]。

在礦用薄層噴涂材料確定之后，按照以下步驟進行制備：

1)液相材料制備。將纖維素與聚合物乳液溶于水中，為了減少混合過程中氣泡的產(chǎn)生，需在此時加入消泡劑，低速攪拌2～3 min，待攪拌均勻后加入成膜劑及其他液體助劑，繼續(xù)低速攪拌1 min，使聚合物乳液與各助劑在水中充分混合。

2)固相材料制備。將水泥與碳酸鈣2種粉體及其他固體助劑混合攪拌，直至充分打散。

3)固相材料與液相材料混合。將固相材料按比例分批倒入液相材料中，每倒一次低速攪拌1 min，最后加入速凝劑與減水劑，繼續(xù)低速攪拌3 min。

按照以上步驟混合完成后，相關材料即可應用于礦用薄層噴涂材料的現(xiàn)場施工。

2.2 材料性能

通過旋轉式黏度計和噴射實驗，對薄層噴涂材料的漿體黏度及黏附性能進行分析。在風壓為0.4 MPa、噴距為40 cm時，漿體在壁面的黏附性較好，材料在壁面分布均勻，測得黏度為5 800 MPa·s；按照設計的噴涂試驗參數(shù)制備薄層噴涂材料試件，進行拉拔實驗和抗壓、抗折實驗，分別測得薄層噴涂材料的抗拉強度為1.94 MPa、抗折強度為4.33 MPa、抗壓強度為10.56 MPa；彈性模量可以直觀地反映出材料的力學性能，使用微機控制電液伺服萬能試驗機測得材料的彈性模量為4.23 GPa。

2.3 噴涂效果分析

利用“有效面積比”作為薄噴效果的評價指標?！坝行娣e比”是指有效漿體面積與大理石受噴面面積的比值。有效漿體面積是指在利用噴槍完成薄層噴涂材料噴射之后，在大理石受噴面上形成連續(xù)的、噴層厚度在3～5 mm的區(qū)域面積。有效面積比數(shù)值越大，表明噴射工藝參數(shù)實現(xiàn)的薄層噴涂材料應用效果越好，其計算公式如下：

(1)

式中：r有效為受噴面漿體面積與大理石受噴面面積的比值；S漿體為受噴面上形成連續(xù)的、噴層厚度在3～5 mm的區(qū)域面積，m2；S受噴面為大理石受噴面面積，m2。

通過噴射平臺進行實驗得到最佳的噴射參數(shù)：在噴嘴與受噴面的距離為40 cm、風壓為0.4 MPa時，薄層噴涂材料能夠到達并形成有效的噴射面積，有效相對面積為36.9%，噴射效果良好。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 試驗地點概況

青龍煤礦位于貴州省畢節(jié)市黔西縣，礦井設計生產(chǎn)能力120萬t/a。青龍煤礦可采煤層有16、17、18、22、24、27、30煤層，共7層，目前開采16、17、18煤層。當前采用留設煤柱的傳統(tǒng)“121”工法走向長壁后退式采煤工藝進行回采，綜合機械化采煤。為了緩解采掘接續(xù)緊張的局面，在21802 工作面終采線回撤通道進行切頂卸壓而形成21802措施巷，即終采線留巷，其主要功能是作為11808工作面運輸巷掘進時的出煤巷道，巷道位置如圖1所示。為減輕采動影響，減小巷道變形量及變形速度，撤架后采用“單體+鉸接頂梁”進行主動臨時支護。21802措施巷寬度均為4.5 m，長度為235 m，平均傾角為9°。為減少21802措施巷向終采線及其采空區(qū)的漏風，防止自然發(fā)火事故，對21802措施巷采取了全斷面噴漿堵漏的薄層噴涂技術措施。

圖1 21802措施巷(終采線留巷)位置示意圖

3.2 現(xiàn)場試驗過程

由于21802措施巷成巷初期，本巷道及采空區(qū)上覆巖層受采動影響，處于非穩(wěn)定狀態(tài)，巷道頂?shù)装寮跋飵妥冃未螅绻捎脗鹘y(tǒng)的水泥砂漿噴漿堵漏，隨著采動壓力的逐步顯現(xiàn)，漿皮極易出現(xiàn)脫落、開裂等現(xiàn)象，嚴重影響封堵的效果。而終采線附近留有大量的破碎煤體，如果等巷道礦壓穩(wěn)定后再進行噴漿則會導致終采線長時間處于裸露狀態(tài)，極易引發(fā)自然發(fā)火事故。

選用抗變形效果好的薄噴材料作為噴漿材料，對21802措施巷的全斷面進行噴漿堵漏。同時，考慮21802措施巷為煤巷，其一側巷幫為采空區(qū)，巷道的壁面不平整，如果噴涂厚度太薄，會影響封閉效果。因此，采用多次噴涂的方式進行噴涂施工，即首先在巷道裸幫上噴涂1層礦用薄層噴涂材料，其厚度為5 mm，待噴層固化穩(wěn)定后立即進行復噴，厚度為10 mm，二次噴涂完成后，根據(jù)巷道實際情況，對部分未完全覆蓋區(qū)域進行補噴，補噴厚度為5 mm。噴涂試驗參數(shù)如表1所示。

表1 21802措施巷全斷面噴涂試驗參數(shù)

4 現(xiàn)場效果考察

為考察噴涂效果，通過監(jiān)測巷道變形量，對比薄噴層的破壞情況來對噴涂效果進行定性分析。同時，通過在21802措施巷設置測點對采空區(qū)的氣體參數(shù)進行測定，監(jiān)測采空區(qū)漏風情況。

4.1 巷道表面位移監(jiān)測

通過巷道表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)可較好地判定巷道圍巖的運動情況，分析圍巖是否進入穩(wěn)定狀態(tài)，與此同時，可以分析噴漿涂層的破壞程度與巷道變化量之間的關系[22]。巷道表面位移監(jiān)測包括兩幫相對移近量、頂?shù)装逑鄬σ平?、頂板下沉量、底鼓量[23]。測量方法如下：用收斂儀(十字測點位移儀)分別測量各測點到基準點的距離，兩測點相鄰2次測試數(shù)據(jù)的差值即為兩點相對移近量，以此累加相鄰2次測試數(shù)據(jù)的差值即可得兩點相對總移近量。在21802措施巷共布置3個測點，分別位于距巷道上、下口10 m及巷道中間位置。21802措施巷距巷道上口10 m處的巷道變形監(jiān)測情況如圖2所示。

(a)巷道頂?shù)装鍘r層移動變形

由圖2可以看出，在切頂留巷后約90 d，頂?shù)装逄幱诜€(wěn)定狀態(tài)，此時頂板下沉量為48 mm，底板鼓起量為102 mm，頂?shù)装逡平繛?50 mm，巷道變形較為輕微。21802措施巷上口監(jiān)測點全斷面巷道及矸石幫現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 21802措施巷上口監(jiān)測點全斷面巷道及矸石幫現(xiàn)場圖

從圖3中可以看出，巷道頂板非常平整，變形量較小。沿空側的巷幫噴漿涂層非常完整，沒有開裂變形等現(xiàn)象，尤其是在U型鋼梁結合處，由于薄噴涂層的作用，沒有出現(xiàn)結合處漿皮脫落或開裂的現(xiàn)象。

21802措施巷中部測點的巷道變形監(jiān)測情況如圖4所示。切頂留巷90 d時的巷道變形：頂板下沉量為90 mm，底板鼓起量為175 mm，頂?shù)装逡平繛?65 mm；實體煤幫移近量為54 mm，矸石幫移近量為17 mm，兩幫移近量為71 mm，巷道變形相對措施巷上口的監(jiān)測點變形較大。

(a)巷道頂?shù)装鍘r層移動變形

21802措施巷中部監(jiān)測點全斷面巷道及矸石幫現(xiàn)場如圖5所示。可以看出，巷道頂板相對平整，巷道兩幫變形量不大，沿空側的巷幫噴漿涂層相對完整，沒有出現(xiàn)大的開裂、脫落等現(xiàn)象；但在局部出現(xiàn)了漿皮脫落的現(xiàn)象，脫落處主要發(fā)生在單體支柱附近，這是由于巷道的底鼓量較大，液壓單體支柱受力加大但其變形量較?。欢鴿{皮的變形隨著矸石幫的變形而變化，其變形量與單體支柱的變形量不一致，造成了噴涂層與單體支柱的結合部出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。

圖5 21802措施巷中部監(jiān)測點全斷面巷道及矸石幫現(xiàn)場圖

21802措施巷距巷道下口10 m測點的巷道變形監(jiān)測情況如圖6所示。切頂留巷90 d時的巷道變形：頂板下沉量為160 mm，底板鼓起量為220 mm，頂?shù)装逡平繛?80 mm；實體煤幫移近量為71 mm，矸石幫移近量為20 mm，兩幫移近量為91 mm，巷道變形相對21802措施巷上口和中部的監(jiān)測點變形量要大。這是由于21802措施巷為傾斜巷道，巷道平均傾角約為9°，上下口的高差約為42 m，加上處于采空區(qū)的終采線處，在下部形成應力增高區(qū)，因此，措施巷下段的巷道變形量較大。

(a)巷道頂?shù)装鍘r層移動變形

21802措施巷下口監(jiān)測點全斷面巷道及矸石幫現(xiàn)場如圖7所示?？梢钥闯?，頂板的變形量很大，局部地點出現(xiàn)了彎曲變形，但是薄噴涂層基本保持完好，說明噴涂材料具有良好的抗拉伸特性；同時，還可以觀察到在矸石幫的液壓支柱支撐處，涂層出現(xiàn)了較大范圍的脫落，破壞嚴重，說明薄噴涂層在雙向受力時，其彈塑性變形遭到破壞，抗壓能力不強，這也充分證明了薄層噴涂材料更適用于柔性支護，而不適用于剛性支護，其主要功能還是對巷道起到的封閉作用，支護只是其輔助作用。

圖7 21802措施巷下口監(jiān)測點全斷面巷道及矸石幫現(xiàn)場圖

4.2 采空區(qū)漏風及CO監(jiān)測

在沿空巷道和采空區(qū)布置CO及漏風的監(jiān)測點，通過對CO濃度和漏風量的監(jiān)測，掌握留巷過程中采空區(qū)CO濃度變化及沿空巷道的漏風情況，對薄噴涂層的封閉效果進行考察。

測定地點分別在措施巷的上口和下口斷面穩(wěn)定處，每10 d測定1次，下口的進風量減去上口的回風量即為漏入采空區(qū)的風量。測定工作連續(xù)進行了近3個月，測定結果如表2所示。

表2 21802措施巷風量測定數(shù)據(jù)統(tǒng)計

分析表2中數(shù)據(jù)可知：在未噴漿前，巷道漏風量達39 m3/min，隨著噴漿范圍的擴大漏風量逐步減少，最終穩(wěn)定在10 m3/min左右，漏風率為4%左右，漏風率較小。

為監(jiān)測采空區(qū)的CO濃度變化情況，沿21802措施巷自原21802運輸巷密閉向上每30 m布置1個測點，每個測點在措施巷切頂成巷前預先埋入采空區(qū)一根2 m長的鋼管，鋼管外口用螺帽封堵，監(jiān)測時打開螺帽抽取采空區(qū)的氣樣進行色譜分析，采樣頻率為每周1次。選取措施巷下口的21802軌道巷密閉作為1#測點，措施巷中部的測點為2#測點，措施巷上口的測點為3#測點，對CO體積分數(shù)隨時間變化的情況進行考察。巷道進行噴涂前、后的CO體積分數(shù)變化情況如圖8所示。

圖8 21802終采線采空區(qū)CO體積分數(shù)變化曲線

從圖8中可以看出：在巷道噴涂前及噴涂過程中，整個終采線附近的采空區(qū)都出現(xiàn)了較高體積分數(shù)的CO，在21802措施巷上口的監(jiān)測點最高達1.1×10-4，21802軌道巷的密閉內CO體積分數(shù)也在4.5×10-5，在21802措施巷全部噴涂完畢后，終采線的漏風得到了控制，漏風供氧量逐步減少，各測點的CO體積分數(shù)逐步下降并維持在較低的水平，消除了終采線遺煤的自然發(fā)火威脅，薄噴涂層的封閉效果得到了驗證。與煤礦其他工作面采用傳統(tǒng)噴射混凝土材料相比，新型薄層噴涂材料取得了更好的堵漏風效果。

5 結論

1)與傳統(tǒng)噴射混凝土噴層相比，薄層噴涂技術涂層薄，施工工藝簡單，施工速度快；噴層粘結力強，密閉性好，有較好的柔韌性、抗彎折性、成膜性，抗剪切強度高，更適用于巷道變形量大的巷道噴涂堵漏。

2)薄層噴涂后，巷道漏風量由噴涂前的39 m3/min降低到10 m3/min左右，漏風率由13%下降到4%左右，漏風率大大降低。

3)隨著噴漿范圍的不斷擴大，終采線附近的采空區(qū)CO體積分數(shù)逐步降低，并最終維持在較低的水平，消除了終采線遺煤的自然發(fā)火威脅。