矿用高分子塑性封闭材料密闭性能研究

2022-12-06乔金林马凤林李亚辉

中国煤炭 2022年11期

乔金林，马凤林，秦乾，李亚辉，李强

(1.国能神东煤炭集团有限责任公司，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017000；2.中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京市海淀区，100083；3.内蒙古京润矿安科技有限公司，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017000)

0 引言

煤炭在未来相当一段时期内作为我国主体能源的地位不可替代，仍在国家能源安全中发挥“压舱石”的作用[1]。煤炭开采过程中，通风及巷道密闭性对于煤炭安全开采具有重要意义，煤矿井下采空区的遗煤自然发火问题是威胁煤矿安全生产的重大隐患[2]。据统计，我国有50%左右的煤矿存在自然发火危险，而这些自然发火多数是由采空区遗煤自燃所致，采空区遗煤自燃的主要原因是采空区漏风，同时由于漏风引起煤自燃火灾又是诱发瓦斯爆炸的重要因素之一[3-6]。随着煤炭开采朝着大型化和深部化发展，采空区及沿空巷道的堵漏风面积不断增大，在高地应力、高温等复杂地质环境条件下，堵漏风难度大大提高，由于漏风引起的煤层自燃的概率急剧增大，井下人员、设备的安全威胁陡增[7]。

堵漏风技术是通过破坏煤自燃的供氧条件达到防灭火目的的重要技术方法，主要有构筑密闭墙、喷涂堵漏风等方法[7-8]。喷涂堵漏风技术因施工灵活、用量小而受到广泛关注。目前，喷涂材料主要有混凝土和聚氨酯类材料两大类。众多学者对以喷射混凝土为代表的无机喷涂材料开展了大量研究。白金超等[9]对干、湿喷混凝土进行了研究，明确了其受载力学特性及破坏机制；叶飞等[10]开展了喷射混凝土配合比优化试验研究，明确了影响混凝土渗流结晶的主要因素；曾鲁平等[11]对不同喷射工艺下的硬化喷射混凝土进行研究，明确了其气泡结构特性、抗水渗透等性能；周刚等[12]对煤矿锚喷作业区喷浆粉尘运移规律进行了研究，研发了新型湿喷一体机，降低了混凝土物料的回弹率及粉尘浓度。然而，随着煤矿开采难度的不断增加，围岩应力越来越大，喷涂在围岩表面的水泥基材料在矿压作用下不可避免地会产生大量裂隙，如果不能及时发现并修复这些裂隙，将形成漏风通道。同时混凝土喷层存在固结时间较长，施工回弹率高，水泥、砂子等材料运输量大，喷涂作业步骤程序繁琐等问题[7]。

目前，以聚氨酯类材料为代表的有机喷涂材料越来越受到研究人员的关注，聚氨酯类喷涂材料具有膨胀倍数高、固结时间短、粘结性好、韧性高、密闭良好的特点，可在短时间内迅速隔绝危险区域，形成密闭的环境[13-14]。另外，聚氨酯泡沫材料快速发泡成型，固化后具有较大的韧性，不发脆、不开裂，具有优异的密封性能，是充填、密闭的最佳选择[15]。越来越多的新型聚氨酯材料应用在矿山建设中，冯志强等[16]通过硅酸盐对传统聚氨酯注浆材料进行了改性研究，研发出既能保留聚氨酯材料本身优异的力学性能又可避免其可燃等安全性能的缺点、适合矿山井下使用的改性聚氨酯注浆材料。随着对煤矿安全高效生产的需求提升，要使聚氨酯材料更广泛地应用于煤矿生产中，需要对聚氨酯材料的合成原料、合成工艺和施工条件进行改进，降低其生产成本，提高堵漏风效果，同时研发配套施工设备，形成快速喷涂工法。

基于笔者团队研发的KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料，配套研发了塑性密闭材料施工设备，形成了快速喷涂施工方法；开展了喷射混凝土与新型堵漏风用聚氨酯材料数值对比试验，明确了不同喷涂材料作用下的围岩控制效果。在工程现场成功应用新型堵漏风用聚氨酯材料，取得了良好的密闭堵漏风效果。

1 工程概况

1.1 工作面概况

石圪台煤矿位于陕西省榆林市神木县北部，矿井设计生产能力1 000万t/a。该矿22上102综采工作面位于井田22上号煤层一盘区，工作面布置1条主运巷、1条回风巷，其中主运巷兼做进风巷，回风巷兼做辅运巷，回采过程中对主运巷沿空留巷。工作面巷道布置如图1所示。

图1 工作面巷道布置

1.2 原支护方案

22上102综采工作面煤层平均厚度2.0 m，平均埋深89 m，直接顶为砂质泥岩，平均厚度1.2 m，基本顶为细粒砂岩，平均厚度约9.2 m，直接底为中粒砂岩，平均厚度约6.7 m。

巷道断面尺寸2.5 m×5.5 m(高×宽)。顶板采用锚索+锚杆+锚网支护，锚索型号为Φ21.6 mm×6 500 mm，间排距2 000 mm×4 000 mm；锚杆型号为Φ18 mm×1 800 mm，间排距1 000 mm×1 000 mm；锚网型号为Φ6.5 mm钢筋网。两帮采用锚杆+锚网支护，锚杆型号为Φ18 mm×1600 mm，间排距900 mm×1 500 mm；锚网型号为2 500 mm×2 000 mm塑料网。

巷旁采用柔模混凝土连续墙体支护，柔模砼墙沿22上102工作面正帮浇筑，正常回采推进浇筑墙体厚度1 m，沿空留巷段混凝土强度为C40。具体支护参数如图2所示。

图2 巷道支护参数

巷道原支护方案以C30混凝土喷层为主要密闭措施，由于矿压显现及周期来压影响，22上102主运巷沿空留巷混凝土喷层开裂严重。两帮及顶板混凝土喷层开裂、剥落，形成漏风通道，巷道密闭性受到严重破坏，易引发采空区遗煤自燃以及瓦斯涌出。同时，由于混凝土层剥落导致支护构件裸露，加快了支护构件的腐蚀速度，使支护强度下降，威胁巷道围岩稳定性，影响煤矿安全生产。

2 KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料

2.1 聚氨酯材料制备原理

聚氨酯材料是指由A组分(氢基化合物)和B组分(异氰酸酯)混合反应生成的产物。可在常温、常压下经过混合搅拌，迅速反应而形成。

在普通聚氨酯材料的基础上，研究发现A组分、B组分按体积比1∶1混合固化后生成的固结体具有较高黏结强度和密闭性，经过合理增添阻燃剂、抗静电剂、表面活性剂、增塑剂等多种组分，研发了KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料。

2.2 KA-GK加强型聚氨酯材料参数

研发得到的KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料与普通喷射混凝土材料性能参数见表1，其特性主要体现在：反应时间短、固结速度快；反应产物膨胀倍数高；气密性好、闭孔率高；韧性高、粘结性高、不易开裂或脱落；喷射回弹率低、施工速度快、效率高。

表1 KA-GK聚氨酯材料和普通喷射混凝土性能参数

基于KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料优点，能够对煤矿井下密闭墙封闭及巷道堵漏风等防灭火关键措施发挥重要作用。

2.3 喷涂堵漏风聚氨酯材料施工技术

在煤矿巷道的锚喷支护作业中，混凝土喷射技术和设备对支护作业的效率和质量有显著影响。目前，混凝土喷射设备主要由空压机、喷射机、速凝剂添加装置及机械手等构成，喷射采用的技术工艺主要有干式喷射、湿式喷射和潮式喷射3种，干式喷射存在粉尘大、回弹率高、水灰比难以准确控制的缺点，而湿式喷射和潮式喷射虽然克服了粉尘大的缺点，但是会造成喷涂设备难以清理。

因此，为有效避免喷射混凝土施工过程中的各种问题，使用自主研发的煤矿专用高压喷涂设备，按照A、B组分进行1∶1比例进料，通过静态混合器自动混合，即可实现施工。将注液泵固定好，接好气源，分别将2根吸液管连好插入A、B料桶(或配备的箱)内，2根输排管连在喷枪上，从喷枪接输液管至喷涂地点即可。

3 矿用密闭材料数值对比试验

3.1 模型建立

应用FLAC3D软件对石圪台煤矿22上102工作面分别采用KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料和4种混凝土材料(C30、C40、C50、C60)喷涂方式进行喷涂并建立模型。其中数值模拟建立的模型尺寸为250 m×100 m×120 m，如图3所示，模拟巷道尺寸为6.0 m×2.5 m，监测点布置于沿空留巷的顶板中部，距前后出口断面50 m，距左右巷帮3 m。

图3 数值模型

3.2 方案设计

为进一步验证采用KA-GK聚氨酯材料进行喷涂对于支护结构受力和围岩的变形影响，分别采用C30、C40、C50、C60和KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料5种材料对巷道进行喷涂，根据《混凝土结构设计规范》(GB500010-2002)选取不同等级混凝土喷层参数，根据室内实验实测值对KA-GK材料赋值，材料参数见表2。各方案巷道分10次开挖，每次开挖深度为10 m，共开挖100 m。

表2 喷层材料参数表

3.3 结果分析

3.3.1 围岩沉降变形对比分析

围岩沉降变形通过测点的竖向位移值来衡量，不同喷射材料测点的竖向位移曲线如图4所示。由图4分析可知，采用C30、C40、C50、C60和KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料进行喷涂数值模拟时，巷道掘进100 m时监测点处的竖向位移值分别为26、25、24、24、39 mm，而且C30、C40、C50、C60和KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料时的竖向位移差异率稳定在0.1%～2.0%之间。由此可以得出，使用KA-GK聚氨酯材料对煤矿巷道进行喷涂时，造成的顶板竖向位移，即围岩沉降变形量与普通混凝土材料相差不大，验证了KA-GK聚氨酯材料在控制围岩变形方面与普通混凝土喷射材料等效。

图4 不同喷射材料测点的竖向位移曲线

3.3.2 支护结构应力对比分析

不同喷射材料的应力曲线如图5所示。由图5分析可知，采用C30、C40、C50、C60和KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料进行巷道喷涂数值模拟时，巷道掘进100 m时监测点处的主应力值分别为0.018、0.016、0.016、0.014、0.080 MPa，产生的支护结构最大主应力与4种普通混凝土喷涂材料差异率控制在0.1%～6.0%之间。由此可以得出，使用KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料对煤矿巷道进行喷涂时不会造成煤矿巷道支护结构强度的下降，能够保障煤矿井下作业人员的生命安全。

图5 不同喷射材料的应力曲线

综上所述，数值模拟实验验证了KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料能够替代普通混凝土喷涂材料对煤矿巷道进行喷涂堵漏风处理，并且不会对围岩变形和支护结构强度造成不利影响。

4 现场试验

4.1 巷道密闭性破坏分析

22上103工作面巷道采用传统的混凝土喷涂材料密闭，22上102工作面巷道采用KA-GK聚氨酯材料进行对比，在22上102工作面和22上103工作面布置瓦斯泄露量监测仪器，对工作面机尾安全出口处的瓦斯气体浓度进行监测。

相关人员在工程现场分别设置早、中、夜3个班次对机尾安全出口的瓦斯气体浓度进行为期30 d的监测，将得到的数据绘制成曲线，如图6所示。

图6 不同班次机尾安全出口瓦斯浓度监测曲线

由图6可知，采用KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料进行现场喷涂的22上102工作面早、中、夜班的瓦斯气体排出量明显低于采用普通混凝土进行喷涂的22上103工作面，说明KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料能够合理地维持巷道的密闭性，不会造成巷道过度漏风、漏气现象的发生。同时，KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料能够有效隔绝有害气体渗入巷道内部，这对保证煤矿井下工人的安全以及防火防灾具有重要作用。

4.2 KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料在现场应用的实际效果

煤矿巷道采用混凝土进行喷射时的现场效果如图7所示。由图7可以明显看出，采用喷射混凝土进行堵漏风处理时煤矿巷道出现了顶板下沉和巷帮开裂的现象，造成了锚网露出、巷道潮湿漏水，甚至在某些位置未达到密封的效果，显然会为煤矿巷道渗入有毒有害气体留下隐患，不利于井下安全作业。

煤矿巷道采用KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料进行喷射时的现场效果如图8所示。与图7对比后可以看出，采用KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料进行喷射时巷道整体的堵漏风效果明显，并且密闭性良好，并未出现锚网露出、巷帮开裂的现象，采用KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料的喷涂效果整体上也较普通混凝土材料美观、清洁。

图7 混凝土喷射现场应用效果

图8 KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料现场应用效果

综上，普通混凝土材料与KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料的现场应用效果对比试验结果说明，在煤矿巷道的堵漏风方面，KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料明显优于混凝土材料，KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料完全可以取代普通混凝土对煤矿巷道进行堵漏风处理，能够对支护结构起到充分保护作用，并且能够最大程度保证巷道的密闭性能，为井下安全作业提供重要保证，另外，喷涂过程也不会出现大量粉尘，对工作人员的身体健康也可发挥一定的保护作用。

4.3 围岩变形结果分析

通过现场数据监测和采集，绘制了巷道顶底板位移移近量和两帮收敛量的变化曲线，如图9和图10所示。

图9 顶底板移近量曲线

图10 两帮收敛量曲线

由图9和图10可知，22上102工作面采用KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料进行喷涂时，得到的顶底板移近量曲线和两帮收敛量曲线与采用普通混凝土进行喷射的22上103工作面变化趋势大致相同，即控制的围岩变形相差不大，与数值模拟的结果可以契合。

综上，在巷道围岩控制方面，使用KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料进行喷涂处理时，顶底板移近量和两帮收敛量均与普通混凝土喷射材料进行处理的巷道相差不大，现场试验表明了KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料的应用不会对巷道变形造成不利影响，不会影响到巷道的正常使用。使用KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料喷涂时，巷道变形量略大于使用普通混凝土材料喷涂的巷道变形量，进一步说明KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料具备更好的韧性和塑性。