新型薄层喷涂材料在终采线留巷喷浆防火中的应用

2022-09-26李洪先徐书荣卢安陈

矿业安全与环保 2022年4期

李洪先，徐书荣，卢安陈，王凯，杨华

(1.贵州安晟能源有限公司，贵州贵阳 550000；2.贵州黔西能源开发有限公司，贵州毕节 551700)

目前，国内煤矿普遍采用喷射混凝土或砂浆来封闭巷道表面，但随着煤矿工程技术向集约化的方向发展，该技术措施的缺陷也越来越明显[1-2]：一是施工工艺复杂，工人劳动强度大，喷射速度慢，尤其是对机掘锚网巷道采取喷射混凝土封闭时，在喷射施工速度上远远匹配不上机械化掘进的施工进度；二是喷射混凝土回弹率高，成本高；三是施工现场粉尘浓度高，环境差；四是喷射混凝土喷层受动压影响，巷道喷层容易掉皮、脱落[3-5]。在传统锚网喷支护体系中，起到主要支护作用的是锚网支护，因此，在稳定性较好的巷道中，只要锚杆的支护作用长期有效，巷道的混凝土涂层就能保证持续的稳定性，实现对巷道表面的有效封闭[6]。然而在变形量大的巷道(如沿空留巷、沿空掘巷)中，巷道的混凝土涂层则损坏严重，需要经常复喷，涂层封闭效果差、巷道维护成本高、工作环境污染大。因此，研究新的喷涂材料及工艺势在必行，采用薄层喷涂技术对巷道进行防护封闭具有一定的创新和现实意义[7]。

工作面终采线是最容易引发煤自然发火的地点，一般在工作面停采后应立即进行封闭。青龙煤矿为缓解采掘接续紧张，解决11808运输巷的掘进煤运输问题，不得已在21802工作面停采后实行终采线留巷，导致终采线全部暴露在通风巷道中，自然发火的危险性进一步增大。如果不采取有效的封堵漏风措施，极易引发自然发火事故。笔者针对终采线留巷变形量大、漏风条件复杂的问题，研发了新型矿用薄喷材料及工艺，以有效降低21802终采线的漏风量，杜绝自然发火事故，为沿空巷道的喷涂堵漏提供有效的技术手段。

1 矿用薄层喷涂技术原理及优势

1.1 矿用薄层喷涂技术原理

矿用薄层喷涂，是一种新的支护理念，喷涂材料通常由水泥、聚合物及反应或非反应多组分材料组成[8]。其多应用于围岩表面，喷涂几毫米厚度的涂层，起到封闭巷道表面、保护锚网支护体系的作用[9-10]。综合喷层在应力控制和结构控制地质条件下的支护作用，薄层喷层的支护机理可以简单表示为承载层作用、胶结作用、楔子作用[11]。

承载层作用主要体现在喷层作为一种独立的支护结构而受力，其通过自身的抗压抗弯强度承载外部的力。胶结作用包括两个方面：一是喷层与基底岩面间的黏结作用；二是喷层材料渗入围岩裂隙中的胶结作用。当喷层材料渗入裂隙，即块体周围空洞、裂隙被充填后，岩块在下落过程中会由于没有足够的剪涨空间而保持稳定不掉落，类似于注浆，喷层材料渗入裂隙中的楔子作用主要体现在充填节理的抗压刚度的增大，即围岩刚度的增大[12-13]。

1.2 矿用薄层喷涂技术优势

相比传统喷射混凝土喷层，薄层喷涂技术具有以下优点[14-15]：

1)施工速度快。矿用薄层喷涂技术涂层薄，施工工艺简单，施工速度是普通喷射混凝土施工速度的5倍以上，对巷道掘进作业影响小，可以节省巷道施工中喷浆作业所用工时。

2)粘结力强，密闭性好。可以快速牢固粘结岩石、煤体等不同材料，能够有效隔水，喷层有较好的柔韧性、抗弯折性、成膜性。

3)成本低。传统喷射混凝土施工强度大，对喷涂机械要求较高，而使用矿用薄层喷涂技术的材料和设备投资成本远低于传统喷射混凝土的成本。

4)节能环保，产尘少。薄层喷涂采用湿喷工艺，材料无毒无味，现场施工无粉尘，作业环境好，安全环保。

2 矿用薄层喷涂材料

2.1 材料配比与制备

矿用薄层喷涂材料是一种聚合物改性水泥基材料，主要分为反应型和非反应型两种类型。反应型主要为聚氨酯/聚脲双组分体系，优点是成膜固化性能好、抗压强度高，缺点是固化过程中存在放热现象，且对喷涂配套设备要求较高，操作系统复杂，经济成本较高[16-17]。非反应型以水泥基材料为主，一般通过在水泥净浆中添加聚合物助剂改性而成，优点是价格低廉，缺点是支护强度较低，粘结能力较差，服务年限较短[18]。青龙煤矿现场试验所应用的薄层喷涂材料主要有：水灰比固定50%，聚灰比15%的VAE乳液，轻质碳酸钙、纤维素、速凝剂、减水剂、消泡剂、成膜剂的添加量根据文献研究情况，选择常用的推荐添加量[19-21]。

在矿用薄层喷涂材料确定之后，按照以下步骤进行制备：

1)液相材料制备。将纤维素与聚合物乳液溶于水中，为了减少混合过程中气泡的产生，需在此时加入消泡剂，低速搅拌2～3 min，待搅拌均匀后加入成膜剂及其他液体助剂，继续低速搅拌1 min，使聚合物乳液与各助剂在水中充分混合。

2)固相材料制备。将水泥与碳酸钙2种粉体及其他固体助剂混合搅拌，直至充分打散。

3)固相材料与液相材料混合。将固相材料按比例分批倒入液相材料中，每倒一次低速搅拌1 min，最后加入速凝剂与减水剂，继续低速搅拌3 min。

按照以上步骤混合完成后，相关材料即可应用于矿用薄层喷涂材料的现场施工。

2.2 材料性能

通过旋转式黏度计和喷射实验，对薄层喷涂材料的浆体黏度及黏附性能进行分析。在风压为0.4 MPa、喷距为40 cm时，浆体在壁面的黏附性较好，材料在壁面分布均匀，测得黏度为5 800 MPa·s；按照设计的喷涂试验参数制备薄层喷涂材料试件，进行拉拔实验和抗压、抗折实验，分别测得薄层喷涂材料的抗拉强度为1.94 MPa、抗折强度为4.33 MPa、抗压强度为10.56 MPa；弹性模量可以直观地反映出材料的力学性能，使用微机控制电液伺服万能试验机测得材料的弹性模量为4.23 GPa。

2.3 喷涂效果分析

利用“有效面积比”作为薄喷效果的评价指标。“有效面积比”是指有效浆体面积与大理石受喷面面积的比值。有效浆体面积是指在利用喷枪完成薄层喷涂材料喷射之后，在大理石受喷面上形成连续的、喷层厚度在3～5 mm的区域面积。有效面积比数值越大，表明喷射工艺参数实现的薄层喷涂材料应用效果越好，其计算公式如下：

(1)

式中：r有效为受喷面浆体面积与大理石受喷面面积的比值；S浆体为受喷面上形成连续的、喷层厚度在3～5 mm的区域面积，m2；S受喷面为大理石受喷面面积，m2。

通过喷射平台进行实验得到最佳的喷射参数：在喷嘴与受喷面的距离为40 cm、风压为0.4 MPa时，薄层喷涂材料能够到达并形成有效的喷射面积，有效相对面积为36.9%，喷射效果良好。

3 现场试验

3.1 试验地点概况

青龙煤矿位于贵州省毕节市黔西县，矿井设计生产能力120万t/a。青龙煤矿可采煤层有16、17、18、22、24、27、30煤层，共7层，目前开采16、17、18煤层。当前采用留设煤柱的传统“121”工法走向长壁后退式采煤工艺进行回采，综合机械化采煤。为了缓解采掘接续紧张的局面，在21802 工作面终采线回撤通道进行切顶卸压而形成21802措施巷，即终采线留巷，其主要功能是作为11808工作面运输巷掘进时的出煤巷道，巷道位置如图1所示。为减轻采动影响，减小巷道变形量及变形速度，撤架后采用“单体+铰接顶梁”进行主动临时支护。21802措施巷宽度均为4.5 m，长度为235 m，平均倾角为9°。为减少21802措施巷向终采线及其采空区的漏风，防止自然发火事故，对21802措施巷采取了全断面喷浆堵漏的薄层喷涂技术措施。

图1 21802措施巷(终采线留巷)位置示意图

3.2 现场试验过程

由于21802措施巷成巷初期，本巷道及采空区上覆岩层受采动影响，处于非稳定状态，巷道顶底板及巷帮变形大，如果采用传统的水泥砂浆喷浆堵漏，随着采动压力的逐步显现，浆皮极易出现脱落、开裂等现象，严重影响封堵的效果。而终采线附近留有大量的破碎煤体，如果等巷道矿压稳定后再进行喷浆则会导致终采线长时间处于裸露状态，极易引发自然发火事故。

选用抗变形效果好的薄喷材料作为喷浆材料，对21802措施巷的全断面进行喷浆堵漏。同时，考虑21802措施巷为煤巷，其一侧巷帮为采空区，巷道的壁面不平整，如果喷涂厚度太薄，会影响封闭效果。因此，采用多次喷涂的方式进行喷涂施工，即首先在巷道裸帮上喷涂1层矿用薄层喷涂材料，其厚度为5 mm，待喷层固化稳定后立即进行复喷，厚度为10 mm，二次喷涂完成后，根据巷道实际情况，对部分未完全覆盖区域进行补喷，补喷厚度为5 mm。喷涂试验参数如表1所示。

表1 21802措施巷全断面喷涂试验参数

4 现场效果考察

为考察喷涂效果，通过监测巷道变形量，对比薄喷层的破坏情况来对喷涂效果进行定性分析。同时，通过在21802措施巷设置测点对采空区的气体参数进行测定，监测采空区漏风情况。

4.1 巷道表面位移监测

通过巷道表面位移监测数据可较好地判定巷道围岩的运动情况，分析围岩是否进入稳定状态，与此同时，可以分析喷浆涂层的破坏程度与巷道变化量之间的关系[22]。巷道表面位移监测包括两帮相对移近量、顶底板相对移近量、顶板下沉量、底鼓量[23]。测量方法如下：用收敛仪(十字测点位移仪)分别测量各测点到基准点的距离，两测点相邻2次测试数据的差值即为两点相对移近量，以此累加相邻2次测试数据的差值即可得两点相对总移近量。在21802措施巷共布置3个测点，分别位于距巷道上、下口10 m及巷道中间位置。21802措施巷距巷道上口10 m处的巷道变形监测情况如图2所示。

(a)巷道顶底板岩层移动变形

由图2可以看出，在切顶留巷后约90 d，顶底板处于稳定状态，此时顶板下沉量为48 mm，底板鼓起量为102 mm，顶底板移近量为150 mm，巷道变形较为轻微。21802措施巷上口监测点全断面巷道及矸石帮现场如图3所示。

图3 21802措施巷上口监测点全断面巷道及矸石帮现场图

从图3中可以看出，巷道顶板非常平整，变形量较小。沿空侧的巷帮喷浆涂层非常完整，没有开裂变形等现象，尤其是在U型钢梁结合处，由于薄喷涂层的作用，没有出现结合处浆皮脱落或开裂的现象。

21802措施巷中部测点的巷道变形监测情况如图4所示。切顶留巷90 d时的巷道变形：顶板下沉量为90 mm，底板鼓起量为175 mm，顶底板移近量为265 mm；实体煤帮移近量为54 mm，矸石帮移近量为17 mm，两帮移近量为71 mm，巷道变形相对措施巷上口的监测点变形较大。

(a)巷道顶底板岩层移动变形

21802措施巷中部监测点全断面巷道及矸石帮现场如图5所示。可以看出，巷道顶板相对平整，巷道两帮变形量不大，沿空侧的巷帮喷浆涂层相对完整，没有出现大的开裂、脱落等现象；但在局部出现了浆皮脱落的现象，脱落处主要发生在单体支柱附近，这是由于巷道的底鼓量较大，液压单体支柱受力加大但其变形量较小；而浆皮的变形随着矸石帮的变形而变化，其变形量与单体支柱的变形量不一致，造成了喷涂层与单体支柱的结合部出现脱落现象。

图5 21802措施巷中部监测点全断面巷道及矸石帮现场图

21802措施巷距巷道下口10 m测点的巷道变形监测情况如图6所示。切顶留巷90 d时的巷道变形：顶板下沉量为160 mm，底板鼓起量为220 mm，顶底板移近量为380 mm；实体煤帮移近量为71 mm，矸石帮移近量为20 mm，两帮移近量为91 mm，巷道变形相对21802措施巷上口和中部的监测点变形量要大。这是由于21802措施巷为倾斜巷道，巷道平均倾角约为9°，上下口的高差约为42 m，加上处于采空区的终采线处，在下部形成应力增高区，因此，措施巷下段的巷道变形量较大。

(a)巷道顶底板岩层移动变形

21802措施巷下口监测点全断面巷道及矸石帮现场如图7所示。可以看出，顶板的变形量很大，局部地点出现了弯曲变形，但是薄喷涂层基本保持完好，说明喷涂材料具有良好的抗拉伸特性；同时，还可以观察到在矸石帮的液压支柱支撑处，涂层出现了较大范围的脱落，破坏严重，说明薄喷涂层在双向受力时，其弹塑性变形遭到破坏，抗压能力不强，这也充分证明了薄层喷涂材料更适用于柔性支护，而不适用于刚性支护，其主要功能还是对巷道起到的封闭作用，支护只是其辅助作用。

图7 21802措施巷下口监测点全断面巷道及矸石帮现场图

4.2 采空区漏风及CO监测

在沿空巷道和采空区布置CO及漏风的监测点，通过对CO浓度和漏风量的监测，掌握留巷过程中采空区CO浓度变化及沿空巷道的漏风情况，对薄喷涂层的封闭效果进行考察。

测定地点分别在措施巷的上口和下口断面稳定处，每10 d测定1次，下口的进风量减去上口的回风量即为漏入采空区的风量。测定工作连续进行了近3个月，测定结果如表2所示。

表2 21802措施巷风量测定数据统计

分析表2中数据可知：在未喷浆前，巷道漏风量达39 m3/min，随着喷浆范围的扩大漏风量逐步减少，最终稳定在10 m3/min左右，漏风率为4%左右，漏风率较小。

为监测采空区的CO浓度变化情况，沿21802措施巷自原21802运输巷密闭向上每30 m布置1个测点，每个测点在措施巷切顶成巷前预先埋入采空区一根2 m长的钢管，钢管外口用螺帽封堵，监测时打开螺帽抽取采空区的气样进行色谱分析，采样频率为每周1次。选取措施巷下口的21802轨道巷密闭作为1#测点，措施巷中部的测点为2#测点，措施巷上口的测点为3#测点，对CO体积分数随时间变化的情况进行考察。巷道进行喷涂前、后的CO体积分数变化情况如图8所示。

图8 21802终采线采空区CO体积分数变化曲线

从图8中可以看出：在巷道喷涂前及喷涂过程中，整个终采线附近的采空区都出现了较高体积分数的CO，在21802措施巷上口的监测点最高达1.1×10-4，21802轨道巷的密闭内CO体积分数也在4.5×10-5，在21802措施巷全部喷涂完毕后，终采线的漏风得到了控制，漏风供氧量逐步减少，各测点的CO体积分数逐步下降并维持在较低的水平，消除了终采线遗煤的自然发火威胁，薄喷涂层的封闭效果得到了验证。与煤矿其他工作面采用传统喷射混凝土材料相比，新型薄层喷涂材料取得了更好的堵漏风效果。