巷道易风化围岩薄层快速喷涂封闭技术研究

赵 斌，王朋卫

(山西晋煤集团技术研究院有限责任公司，山西 晋城 048000)

为了保证巷道掘进速度，晋煤集团长平矿底抽巷道选择沿底板K6灰岩、破顶板K7砂岩掘进，K7砂岩上方岩层为泥质砂岩，在不喷浆支护情况下，顶板泥质砂岩极易风化引起巷道失稳破坏，致使巷道需要多次返修，不仅影响矿井的生产衔接进度，甚至会导致巷道垮塌冒顶等安全事故[1-3]。常规的混凝土喷浆技术，虽然会对围岩表面起到一定防风化和支护作用，但是存在着粉尘大、回弹率高、质量不稳定等三大问题，且喷射过程污染大、材料用量大、运输和施工投入高，制约了巷道的施工速度[4-8]。因此，为了防止巷道风化破坏，高效快速的封闭巷道易风化围岩，研究薄层快速喷涂封闭技术，对提高巷道掘进速度和维护巷道安全稳定具有重要意义。

1 工程概况

长平矿六盘区排矸机北巷为底抽巷道，巷道尺寸为5m(宽)×3.3m(高)，巷道处于K6灰岩与K7砂岩中间，K6与K7相距约2.95m，掘进过程中，直接底K6灰岩过于坚硬，掘进困难，为保证巷道高度，破顶K7细粒砂岩掘进，由于K7细粒砂岩厚度变化、巷道过构造等因素，掘进时易掘透暴露K7砂岩上方的砂质泥岩层，该砂质泥岩层易发生风化破坏引发巷道局部垮塌冒顶，致使巷道需要多次返修，严重的会引起人身安全事故，巷道层位如图1所示。

图1 巷道掘进层位

2 顶板岩石矿物成分及强度弱化规律分析

对长平矿六盘区排矸机北巷顶板砂质泥岩取样，分析其岩石矿物成分及强度弱化规律，对底抽巷围岩表面快速喷涂防风化机理研究、参数选取、试验成功等有重要意义。

2.1 岩样矿物成分分析

把砂质泥岩样品破碎成直径不超过0.5cm的小块，分别编号为1#、2#、3#。试样在300℃下连续24h烘烤，研磨成0.045mm的粒度，再进行XRD(X射线衍射图谱)和XRF(X射线荧光光谱图谱)测试，XRD用于确定晶体的原子和分子结构，XRF用于确定元素的种类及含量[9-11]，结果见表1。

表1 砂质泥岩样品矿物成份 %

由表1可知，1#与2#样品主要成分为石英，平均占比72.5%，高岭石占比21.5%，菱铁矿占比4.5%，含少量二重高岭土；3#样品石英占比14%、赤铁矿占比33%、白云母占比51%，含少量二重高岭土。

由砂质泥岩成分分析可知，其成分大部分为石英，岩块本身强度较大，但层间含有大量的高岭石，高岭石遇水极易发生膨胀，且菱铁矿、白云母均为易风化岩石并且强度较低[12]。因此，在顶板锚索钻孔施工时冲水或者顶板裸露风化作用下，砂质泥岩发生离层变形，导致巷道顶板鼓出甚至发生冒落。

2.2 岩样耐崩解程度测试

按照试验标准，将砂质泥岩试样用砂轮打磨制成质量为50±10g的无棱角、类球状岩石块体试样，选取10块最符合标准的试样进行测试。试验步骤为：试样烘干、第一循环耐崩解试验、二次烘干称量、第二循环耐崩解试验、三次烘干称量，两次循环完成后计算耐崩解指数[13，14]，计算结果见表2，耐崩解循环指数计算：

Id2=mr/md×100%

(1)

式中，Id2为岩石(二次循环)耐崩解性指数，%；md为原试样烘干质量，g；mr为残留试样烘干质量，g。

表2 试样耐崩解试验循环质量

由表2可以看出，随着崩解循环的进行，岩样的残余质量在逐渐降低，但是降低量极少，10个砂质泥岩试样，初始平均质量544.11g，经历两个耐崩解循环后平均质量541.94g，降低了0.4%，平均耐崩解指数99.58%，属于耐崩解程度极高类岩石。

现场发现，完整干燥的砂质泥岩，遇水遇压力扰动时，非常容易破碎成5cm×5cm×5cm以上的块体，块体十分坚硬，进一步破碎成更小的块体十分困难，而耐崩解试样要求50g左右，所需块体已经远远小于坚硬的最小块度尺寸，因此，试样均为坚硬块体，显示耐崩解程度较高。但巷道现场砂质泥岩因层理间含高岭石，遇水易膨胀破碎，稳定性极差。

3 易风化围岩薄层快速喷涂封闭技术

3.1 薄层快速喷涂数值模拟分析

为分析薄层喷涂防风化对巷道稳定性的影响，采用软件ANSYS进行模拟研究。根据试算，排除边界影响，计算模型尺寸为30m(宽)×30m(高)，巷道尺寸为5m(宽)×3.3m(高)。模型底部施加竖直方向位移约束，模型左右两个面上施加水平方向位移约束，上边界以上岩体重量折算成均布荷载16MPa施加于模型上表面，计算考虑重力作用，施加重力载荷。计算分三步，第一步模拟重力场，第二步模拟巷道开挖，第三步通过激活SHELL单元来模拟喷涂支护效果[15，16]。

通过ANSYS中的SHELL63壳体单元来模拟薄层喷涂材料，模拟喷涂厚度10mm。现场取样巷道顶板已风化和未风化的砂质泥岩，测得其煤岩体力学参数见表3，通过参数代换后模拟得到薄层喷涂未风化巷道和已风化巷道的变形情况，分析未喷涂导致巷道风化所产生的影响。

表3 顶板砂质泥岩力学参数

由图2、图3可以看出，巷道采用薄层快速喷涂封闭处的顶板最大沉降值为86mm，巷道未喷涂处的顶板最大沉降值为212mm，喷涂封闭围岩处的巷道顶板沉降值减小57%。巷道未喷涂处两帮移近量为440mm，喷涂处的巷道两帮移近量为260mm，巷道喷涂封闭围岩处的两帮移近量减小41%。由此可知，易风化围岩巷道采用薄层快速喷涂封闭技术对控制巷道变形有显著效果。

图2 巷道顶板沉降量

图3 巷道两帮移近量

3.2 薄层快速喷涂材料及设备

薄层快速喷涂材料由两组分组成，A组分为水性高分子树脂液体状态(含水量45%左右)，B组分为多种无机复合粉体混合物(超细特种水泥、无机催化剂、稠度调节剂等)。传统喷射混凝土(C20)的抗拉强度不到1.5MPa、抗拉变形不到0.1%、与岩体的粘结强度也在1MPa左右，因此在围岩变形后喷射混凝土极易受拉开裂或脱落。而薄层喷涂材料完全硬化后具有非常高的抗拉强度(大于3MPa)、抗拉变形大(大于10%)、与岩体粘结强度高(大于2.5MPa)、阻燃抗静电，材料凝固成型快、固结体不收缩、受挤压破坏时具有较强的韧性和延展性，成膜表面平整、防水、防火、防侵蚀，施工简便、劳动强度低、泵送喷涂效率高。

喷涂采用专用气动式喷涂泵和专用喷枪，具有搅拌、输出和喷涂一体化功能，设备轻便，配套喷枪操作方便。

3.3 薄层快速喷涂方案及工艺

3.3.1 喷涂方案

为对比分析不同薄层喷涂厚度的防风化效果，共设计5种方案：方案1为未喷涂，方案2喷涂厚5mm、方案3喷涂厚8mm、方案4喷涂厚10mm、方案5在喷涂厚15mm的情况下用铁丝网代替钢筋网进行巷道支护，以试验通过防风化作用能否降低巷道支护强度。

3.3.2 喷涂工艺

工艺流程：设备准备→打水试泵→混料→喷涂打料→清洗设备→整理记录。

每段进行喷涂前，首先确定喷涂段位置的起始点，从起点开始，每隔10m在巷道顶板和两帮布置一排间隔1～1.5m铁钉，钉子外漏长度满足所喷涂段的厚度要求，涂层遮盖住铁钉即可达到喷涂厚度。

施工配备1台专用喷涂泵，喷涂泵采用空气做动力，压缩空气驱动泵上的螺杆马达对浆液进行充分搅拌，按喷涂材料重量比1∶1倒入1桶A组份(液料)至泵上搅拌桶内，同时慢慢加入B组份(粉料)，搅拌3～5min混合均匀后，通过泵体工作缸增压后经出浆管排出混合料至三通喷枪处，三通喷枪同时连接出浆管和高压风管，混合粉料在风压作用下被打散雾化喷涂出细雾状小液滴，均匀覆盖到煤岩体表面，喷涂距离为1～2m，一遍喷涂厚度为5mm左右。

3.4 薄层快速喷涂效果考察

3.4.1 薄层快速喷涂施工效率

在长平矿六盘区排矸机北巷进行500m喷涂试验，统计得出每延米材料用量是传统喷射混凝土(喷浆层厚度为100～150mm)用量的1/20～1/30。施工只需2～3人操作，单班喷涂进尺在8～10m，而传统喷射混凝土单班进尺一般仅在3～4m。施工速度能够紧跟掘进迎头，及时封闭巷道易风化围岩表面。喷涂作业环境好，回弹量极小，无粉尘；大幅降低工人的劳动强度，降低了粉尘对施工人员的身体危害。

3.4.2 巷道喷涂覆盖效果

通过薄层快速喷涂，巷道易风化围岩表面和支护体均得到有效覆盖封闭。从喷涂覆盖效果上看，8mm或者10mm喷涂厚度为最优选择，顶板平整区域采用8mm厚度，顶板不平整区域以及两帮采用10mm厚度，既可以保证覆盖效果，又可以避免材料浪费，采用的网片最好能够紧贴巷帮以达到锚网喷联合支护作用。

3.4.3 巷道矿压监测

建立5个测站对底抽巷不同喷涂厚度处进行矿压观测，分析不同喷涂方案对巷道变形、顶板离层和锚杆锚索受力的影响。

顶板下沉和两帮移近量最大值统计结果如图4所示，由图4可知，巷道未喷涂处顶板下沉量最大值为20mm，两帮移近量最大值为265mm；巷道喷涂处顶板下沉量最大值在10mm以内，两帮移近量最大值在35～45mm之间。巷道未喷涂处和喷涂处的变形量差异显著，不同喷涂厚度下的巷道变形量变化不大，其中喷涂厚5mm处的顶板下沉量略大于其他厚度。

图4 顶板下沉和两帮移近量最大值

顶板离层最大值如图5所示，由图5可知，巷道未喷涂处顶板离层最大值为30mm，巷道喷涂处的顶板离层最大值不超过12cm，通过薄层快速喷涂使顶板离层值下降60%。不同喷涂厚度下巷道顶板离层值变化不大。

图5 顶板离层最大值

锚杆和锚索受力最大值统计结果如图6所示，由图6可以看出，巷道未喷涂处锚杆受力最大值为180kN、锚索受力最大值为380kN；巷道喷涂处的锚杆受力最大值不超过150kN、锚索受力最大值不超过340kN。巷道不同喷涂厚度下的锚杆、锚索受力情况变化不大。

图6 锚杆和锚索受力最大值

3.4.4 薄层快速喷涂最优厚度

对比不同喷涂方案下的围岩覆盖效果和矿压监测结果可知：通过薄层快速喷涂封闭技术有效的控制了巷道围岩的风化破坏，巷道顶板下沉和两帮移近量、顶板离层量、锚杆和锚索受力情况均得到不同程度改善。不同喷涂厚度下的巷道顶板下沉和两帮移近量、顶板离层量、锚杆和锚索受力情况等变化不大。在喷涂厚15mm的情况下，用铁丝网取代钢筋网进行支护，巷道稳定性良好。结合现场薄层快速喷涂材料覆盖情况，喷涂最优厚度为8mm或者10mm，巷道表面平整区域采用8mm厚度，不平整区域采用10mm厚度。

4 结 论

1)长平矿底抽巷顶板砂质泥岩成分大部分为石英，耐崩解程度极高，但岩体层间含有大量的高岭石，遇水极易发生膨胀，岩体内含的菱铁矿、白云母均为易风化岩石并且强度较低。

2)薄层快速喷涂用料量为传统喷射混凝土的1/20～1/30，喷涂进尺可达单班8～10m，作业环境好，回弹量极小，无粉尘。喷涂封闭围岩后，巷道顶板下沉和两帮移近量、顶板离层量、锚杆和锚索受力情况均得到不同程度改善。不同喷涂厚度下的巷道变形量、顶板离层量、锚杆和锚索受力等均变化不大。

3)从喷涂覆盖效果上看，喷涂最优厚度为8mm或者10mm，巷道表面平整区域采用8mm厚度，不平整区域采用10mm厚度。在喷涂厚15mm的情况下，底抽巷可用铁丝网取代钢筋网进行支护，支护效果良好。