矿用薄层封闭材料性能的研究

高铭远 李志深

(1.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013；2.煤矿深井建设技术国家工程试验室，北京 100013； 3.山东新巨龙能源有限责任公司，山东 菏泽 274918)



矿用薄层封闭材料性能的研究

高铭远1，2李志深3

(1.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013；2.煤矿深井建设技术国家工程试验室，北京 100013； 3.山东新巨龙能源有限责任公司，山东 菏泽 274918)

在传统的喷涂材料中引入聚合物胶粉和抗裂短纤维等成分，并进行试验，使材料具有一定的韧性和抗裂性能，能够适应围岩开裂变形，起到防止围岩变形和风化的作用。

薄层，封闭，抗变形，防风化

1 概述

近年来，煤炭工业的技术进步，促进了我国煤炭企业对安全、清洁、高效锚喷支护新技术的积极探索与巨大需求[1,2]。喷射混凝土作为锚喷支护技术体系中的一项重要组成部分，应用极为广泛，由此催生的薄喷封闭为核心的联合支护技术研究是其中的重要内容。煤矿巷道薄喷封闭为核心的联合支护技术是煤矿支护领域极有潜力的一种新型封闭支护技术，具有十分重要的理论意义和现实意义[3，4]。

薄喷封闭使用的大变形薄层浆体材料则是研发中的难点，薄层封闭材料不同于以往使用的混凝土封闭材料，其强度、成模性、致密性、渗透性、粘结性、材料用量、喷层承载速度和力学性能、安全性以及环保性等均有较高的要求，同时应对其贮存稳定性和经济性予以考核。

目前，以加拿大为代表的美国、澳大利亚、南非等先进采煤国家主要采用双组分反应型聚合物喷涂材料，用于隧道和冶金矿山地下工程封闭支护，材料弹性好，固化快，粘结性好，能渗入缝隙，取得了很好的封闭、支护效果。但反应时有热量和气味放出，不适于煤矿使用[5]。德国巴斯夫公司以聚合物粉体为喷涂材料，用于煤矿井下薄喷封闭，但材料价格昂贵(5万元/t～6万元/t)，且无专用喷涂装备，亦处于试验阶段[6]，在国内的实际运用效果尚需实践检验。国内采用水泥基聚合物改性材料为薄喷材料，但其中的聚合物材料未进行有针对性的改性，且现场操作复杂。因此，难以完全借鉴该项经验。

在材料研发方面，我们拟在传统的喷涂材料中引入聚合物胶粉和抗裂短纤维等成分，使材料具有一定的韧性和抗裂性能，能够适应围岩开裂变形，起到防止围岩变形和风化的作用。

2 材料研发

2.1 薄层封闭材料灰砂比的选择

灰砂比是水泥砂浆中水泥C与砂子S的重量比，是喷涂材料的技术经济性的重要指标。不同的灰砂比，对喷涂材料的力学性能会产生较大的影响。配制喷涂密闭材料，首先要保证其具有良好的和易性与施工性。

试验原材料为：42.5普通硅酸盐水泥、石英砂、增稠保水剂、U-5高效减水剂、瓦克5044可再分散乳胶胶粉。

试验设备主要有：水泥胶砂搅拌机，恒温恒湿养护箱，电动抗折试验机，万能试验机等。

试验过程为：将试验原材料按照试验配比在水泥胶砂搅拌机中搅拌均匀。之后，对材料成型40×40×160的水泥试块，对试块在标准水泥恒温恒湿养护箱中，在温度20 ℃±3 ℃，相对湿度不小于90%的条件下养护到相应的龄期。抗压抗折强度检测按标准GB 17671—1999水泥胶砂强度检验方法进行。

试验中，考虑所配制的喷涂密闭材料中拟掺入纤维素醚与聚合物胶粉，故在选择灰砂比的试验配方中加入0.2%的HMPC，其中聚合物掺量一致，控制流动度相同，变化灰砂比。表1为具体配方。从表1中可知，流动度相同条件下，灰砂比越大，需水量就越大。

表1 不同灰砂比对喷涂密闭材料性能影响试验配合比

不同灰砂比的喷涂材料强度试验结果如表2所示，由表2可知，灰砂比增大，材料7 d和21 d抗压强度、抗折强度、粘结强度均变低，需水量增大、折压比增大。固定1∶1灰砂比的砂浆的各强度为100个单位，改变灰砂比后，各强度的相对值如表2所示。

表2 不同灰砂比的喷涂密闭材料强度试验结果

由表2可知，1∶2的砂浆折压比较之1∶3的砂浆明显增加，而且虽然灰砂比1∶1的砂浆抗折强度、抗压强度、粘结强度均比灰砂比1∶2的砂浆高，但是水泥用量大，不经济。灰砂比1∶3的砂浆比灰砂比1∶2的砂浆粘结强度大幅度降低，虽然折压比比1∶2的略高，但是效果不明显。故综合考虑，选择灰砂比为1∶2最为适宜。以下的试验研究均采用1∶2的灰砂比。

2.2 聚丙烯纤维对喷涂密闭材料性能的影响

在水泥基材中加入少量纤维，利用纤维具有较大的抗拉强度和断裂韧性的特点，从而有效地控制由砂浆、混凝土内应力所产生的裂缝，从而显著地提高水泥基材料的抗渗性及耐久性；随着聚丙烯纤维的加入，喷涂材料的脆性降低，韧性增加，抗裂性能显著提高。

试验采用固定水灰比的方式来达到同样的工作度，分析不同掺量的聚丙烯纤维对砂浆的力学性能的影响。

从表3可以看出，用水量相同时，随着聚丙烯纤维掺量的增加，砂浆的流动度下降，湿密度相差不大。且纤维掺量越多，砂浆的和易性变差，因此，聚丙烯纤维对喷涂材料的和易性有不利的影响。

表3 聚丙烯纤维掺量对砂浆物理力学性能的影响

随着纤维掺量的增加，7 d,28 d抗压强度出现下降的趋势，7 d,28 d抗折强度出现先增大后减小的趋势。在掺量不大于1.5‰时，抗折强度呈增大的趋势；当掺量大于1.5‰时，抗折强度降低，7 d,28 d折压比出现先减小后增大的趋势。当纤维掺量为1.5‰时，砂浆的28 d折压比达到最大值0.258。在此，确定了聚丙烯纤维的掺量为1.5‰。在此掺量，喷涂材料的抗折强度高，折压比大，材料的韧性好，喷涂材料的施工和易性好，抗压强度降低不明显。

2.3 聚合物胶粉对喷涂密闭材料性能的影响

可再分散性乳胶粉5044n乳胶粉为进口乳胶粉，其主要成分为乙烯醋酸乙烯共聚物。该乳胶粉能显著影响水泥砂浆的各种性能，最明显的是改善水泥浆体与不同基体的粘结强度，具有极突出的粘结强度，提高砂浆的柔性，赋予砂浆优良的耐碱性，改善砂浆的粘附性、粘合性、抗折强度、防水性、可塑性、耐磨性能和施工性，在柔性抗裂砂浆中更具有较强的柔韧性。

通过在喷涂密闭材料中添加减水剂，可再分散乳胶粉，增稠剂，短纤维等成分，达到改善喷涂材料的性能的目的，使材料力学性能提高。

试验过程中灰砂比取1∶2，根据减水剂的减水效果，U-5高效减水剂用量占水泥质量的0.75%，水灰比为2.8。研究聚合物胶粉对喷涂材料力学性能的研究。可再分散乳胶粉对砂浆性能影响的试验结果见表4。

表4 可再分散乳胶粉对砂浆性能影响的试验结果

试验发现，随着可再分散胶粉掺量的增加，喷涂材料的抗压强度降低、抗折强度提高。代表砂浆柔性指标的折压比提高，柔韧性提高。同时，可再分散乳胶粉的加入使得材料的粘结力有了大幅的提高，能够更好地粘结到围岩巷道表面，起到封闭围岩巷道，防止巷道风化破坏。随着可再分散乳胶粉的加入，喷涂密闭材料的正拉粘结强度不断的提高，当掺加量达到2%时，正拉粘结强度可以达到1.5 MPa。继续增加胶粉掺量，粘结强度会继续提高，但是材料的成本会增加，抗压强度会继续降低。在此，确定可再分散乳胶粉的材料为1.5%。

2.4 密闭材料配比的确定

通过材料配方试验，最终确定试验喷涂材料的配比如表5所示。材料性能、力学性能如表6所示，能够达到喷涂密闭的要求，起到防止围岩风化破坏的作用。

表5 薄层封闭材料配比

表6 薄层封闭材料性能

3 结语

1)在薄层喷涂密闭材料灰砂比选择上的砂浆折压比1∶2比1∶3的砂浆明显增加，虽然灰砂比1∶1的砂浆抗压、抗折、粘结强度均比灰砂比1∶2的砂浆高，但是水泥用量太大、不经济。灰砂比1∶3的砂浆比灰砂比1∶2的砂浆粘结强度大幅降低，虽然折压比较之1∶2的砂浆略高，但是效果不明显。故综合考虑，选择灰砂比为1∶2最为适宜。

2)胶粉对于薄层喷涂材料性能影响较大，随着可再分散胶粉掺量的增加，喷涂材料的抗折强度提高、柔韧性提高、抗压强度降低，当掺加量达到2%时，正拉粘结强度可以达到1.5 MPa。

3)当纤维掺量为1.5‰时，砂浆的28 d折压比达到最大值0.258。确定了聚丙烯纤维的掺量为1.5‰。在此掺量，喷涂材料的抗折强度高，折压比大，材料的韧性好，喷涂材料的施工和易性好，抗压强度降低不明显。

4)通过材料配方试验，最终确定喷涂材料的配比。材料力学性能能够达到喷涂密闭的要求，起到防止围岩风化破坏及变形的作用。

[1] 朱守勇.浅谈岩巷支护破坏形态分析与对策[J].科技信息，2007(27)：276-292.

[2] 易恭猷,李明远.锚喷支护巷道取消喷射混凝土层的研究[J].煤炭学报，2002(27)：139-143.

[3] 王 磊,王建平,洪伯潜.冻结井壁安全监测评价方法探究[J].煤矿安全,2016(9):42-45.

[4] 初明祥.岩石巷道中锚杆支护系统代替锚喷支护系统的研究[J].煤炭工程，2004(9)：27-28.

[5] J.F.阿奇博尔德，D.O.德加内.加拿大地下矿山聚合物喷层支护方法的研究概况(一)[J].国外金属矿山，2002(5)：32-35.

[6] J.F.阿奇博尔德，D.O.德加内.加拿大地下矿山聚合物喷层支护方法的研究概况(二)[J].国外金属矿山，2002(6)：31-37.

[7] 杨云山,秦新胜,张增兵,等.锚、网、喷支护工艺的改进[J].煤，2002，11(5)：37-38.

Research on the property of mine thin layer sealing materials

Gao Mingyuan1,2Li Zhishen3

(1.BeijingChinaCoalMineEngineeringCo.,Ltd,Beijing100013,China; 2.NationalEngineeringLaboratoryforDeepShaftConstructionTechnologyinCoalMine,Beijing100013,China; 3.ShandongXinjulongEnergyCompanyLtd.,Heze274918,China)

Introduction of polymer powder and crack resistance short fiber and other components in traditional spraying material, and made test, made the material has certain toughness and crack resistance, able to adapt to surrounding rock deformation and cracking, had the effect to prevent the surrounding rock deformation and weathering.

thin layer, sealing, anti deformation, anti weathering

1009-6825(2017)18-0095-02

2017-04-18

高铭远(1988- )，男，硕士，助理工程师

TU502

A