长平矿底抽巷易风化围岩薄层喷涂快速封闭加固技术应用

郝汝栋

（晋能控股装备制造集团，山西 晋城 048000）

长平矿为有效治理瓦斯问题，采用施工底抽巷穿层钻孔抽采煤层瓦斯方式，掩护煤巷掘进及综采工作面回采。底抽巷掘进区域和大部分区段的顶板及两帮围岩均为泥岩，极易风化变形破碎。喷涂层能够有效隔绝空气[1-4]，减轻围岩风化，适应围岩变形，为顶板维护的有效手段，对巷道安全稳定具有重要意义。

1 工程概况

底抽巷距3#煤底板方向约11 m，设计高度3.2 m，沿K7 砂岩顶板布置，K6 灰岩为底板，巷道高度即为3.2 m 厚的泥岩层，掘进区域及巷道两帮为全泥岩层。K7 细粒砂岩发育不完全，约0～1.2 m 厚，且掘进过程极易垮落，因此，底抽巷多数顶板以泥岩层为主。K6 灰岩强度大，厚度约为2.8 m，均匀层理。

底抽巷顶板为K7 细粒砂岩，发育不完全，更上方为约3 m 厚砂质泥岩，易风化破碎。本试验底抽巷为新掘巷道，大部分区域顶板未能留下K7 细粒砂岩，不能对更上方的泥岩起到隔绝保护作用，两帮为砂质泥岩，受掘进影响及风化作用较为破碎，凹凸不平。

2 薄层柔性喷涂材料试验

2.1 薄层柔性喷涂材料支护机理

1）承载壳作用。假定薄层柔性喷涂材料的喷层为一独立的支护结构，通过自身的抗压、抗弯强度承载外部载荷。其截面受正应力、剪力及弯矩，对围岩起到承载壳作用。

2）胶结作用。包括两方面，一是薄层柔性喷涂材料与围岩的粘结作用，体现在TSL 喷层与岩面间的附着强度；二是薄层柔性喷涂材料渗入围岩裂隙中的胶结作用，提高节理内聚力。总之，TSL 通过胶结作用连接岩体，形成局部复合承载拱结构。

3）楔子作用。巷道围岩塌落需具备两个条件：一是施加的主动力大于块体间阻力，二是岩块滑落过程中有足够的剪涨空间。当喷层材料渗入裂隙，犹如楔子充填了裂隙空间，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；喷涂如注浆一样充填了节理，使得岩体整体抗压强度增加。

2.2 薄层柔性喷涂材料构成

薄层柔性喷涂材料是一种水性聚合物树脂胶体与水硬性胶凝材料共同组成的复合材料。为改善工艺性能，配以增稠剂、调凝剂、填料等多种成分，通过水性胶体成膜固化和水硬性胶凝材料水化固化共同作用，使各种组分固化物胶结成具有一定强度的固结体材料。薄层柔性喷涂材料A 组分主要由水性聚合物树脂材料构成，B 组分主要由水硬性胶凝材料等构成。通过AB 组分配方试验分析，A 组分比例为1～1.5 时，B 组分比例应为1，材料各参数得到的性能指标满足工程施工工艺及应用的需求。

1）薄层柔性喷涂材料A 组分

为使薄层柔性喷涂材料在固化后具有较高的抗拉性能、粘接性能、变形性能，本文对比研究以下三种（表1）水性聚合物树脂材料的抗拉强度、最大延伸变形、粘接强度的情况，选择技术经济合理的水性聚合物树脂。

表1 薄层柔性喷涂材料A 组分主要水性聚合物树脂

表1 显示，水性树脂ASX01、ASX02、ASX03的pH 值基本显中性，对环境均偏友好；水性树脂ASX01 的黏度最大，与其他两种有较大差别，是其他两种的4～5 倍，配方调节最为困难，固定比例溶液造成浆料稀稠度批次差别较大，质量控制难度较大，故不予考虑水性树脂ASX01；水性树脂ASX03 的玻璃化温度最大，是其他两种的2～4 倍，常温且在相同配比条件下，成膜后样品最硬、强度最大，受力后极易产生裂纹；水性树脂ASX02 的玻璃化温度最小，成膜后样品较软，受力后具有可塑性，弯曲不易出现裂纹。此外，树脂的固含量对薄层柔性喷涂材料成膜后质量控制较高，固含量越高，成膜质量越好，故优先考虑黏度适中、玻璃化温度较小、固含量更高的水性树脂ASX02，作为薄层柔性喷涂材料A 组分进行配合比试验研究。

2）薄层柔性喷涂材料B 组分

薄层柔性喷涂材料B 组分的主要原料由水硬性胶凝材料、增稠剂、促凝剂、缓凝剂、减水剂、分散剂、消泡剂等组成。B 组分的各种原料均为粉体材料，粒度一般要求200 目以上，无结块，无杂质。

表2 显示，BSN01、BSN02、BSN03 三种薄层柔性喷涂材料B 组分的粒度、安定性均符合要求，材料粒度越小，水化速度越快，水化热越大；凝结时间BSN02适中，达到35 min；28 d抗压强度，BSN02最大，大于62.5 MPa；材料28 d 抗折强度，BSN02 最大，达到7.5 MPa。试验效果综合比较，薄层柔性喷涂材料B 组分选择BSN02 作为主要原料。

表2 薄层柔性喷涂材料B 组分的主要技术参数

2.3 材料增强混凝土面抗折试验

通过在混凝土试块表面涂敷配比好的薄层柔性喷涂材料，按规定养护28 d，与空白混凝土试块对比抗折性能，分析增强的抗折性能。

图1 显示，空白样抗折的破坏为脆性破坏，最大抗折强度达到2.22 MPa，材料完全开裂，不再具有支撑作用；涂膜样变形率达到2%时，最大抗折强度达到2.35 MPa，整体变形呈现出阶段性变化。随着压力增大，涂膜样材料抗折强度迅速增大，变形率0%～2%阶段主要由混凝土试块抗折强度支撑；当变形率达到2%时，涂膜样混凝土试块开裂，但在喷涂材料的支撑作用下，整个断面并未完全断裂，变形率逐渐增大，材料抗折强度逐渐减小，呈现塑性破坏规律；当变形率达到6%左右时，这个试样完全开裂。对比空白样，涂膜样混凝土试块最大抗折强度增加0.13 MPa，变化不大；但最大变形率从1%提高至6%以上。由此，当围岩内部出现大面积开裂破碎后，由于薄层柔性喷涂材料作用，仍可保证一定的变形余量，且表面喷涂层不开裂，能够继续确保围岩封闭，最大程度维持围岩自然稳定性。

图1 两种样品抗折强度曲线图

3 工业性试验效果研究

3.1 工程概况

本次底抽巷喷涂实施区域总计530 m，包括5 mm 厚、7～8 mm 厚、10 mm 厚3 种喷涂厚度。喷涂区域及对应矿压测区分布情况见表3。

表3 不同喷涂方式及矿压测区分布表

3.2 不同方式下巷道表面位移对比

巷道表面位移观测为最直观、最有效的效果考察方式，采用“十”字布点法，OA 的变化量反映顶板的下沉量，OB 的变化量反映底板的隆起量，OB 和OC 的变化量反映左右两帮的帮鼓量。在4个测区分别间隔30～50 m 距离布置表面位移测点，1#测区布置2 个测点，2#测区布置1 个测点，3#测区布置4 个测点，4#测区布置6 个测点。各测区内不同测点处表面位移平均变化值如图2～图5。

图2 1#测区喷涂10 mm 厚区域两帮及顶底板曲线图

图3 2#测区未喷涂区域两帮及顶底板曲线图

图4 3#测区喷涂7～8 mm 厚区域两帮及顶底板曲线图

图5 4#测区喷涂5 mm 厚区域两帮及顶底板曲线图

通过观测可以发现，两帮移近量最大值265 mm，出现在未喷涂区域，喷涂区域最大值均不超过50 mm，顶底板移近量很小，均不超过50 mm，且主要是底鼓。

3.3 喷涂试验效果分析

长平矿底抽巷顶板易风化造成冒顶事故，因此，在采用锚网索支护基础上，进行了架棚补强支护。从现场试验效果看，喷涂与未喷涂区域顶板下沉量均较小，现有锚网索加架棚支护方式能够有效维护顶板稳定。从喷涂覆盖情况看，7～8 mm 或者10 mm 喷涂厚度为最优选择，顶板平整区域可采用7～8 mm，顶板不平整区域以及两帮可采用10 mm喷涂厚度，既可以保障覆盖效果，又可以避免材料浪费。

4 结语

1）通过配比试验研究，确定了喷涂材料粉料的基本比例为聚合物树脂和粉体材料按重量比1:1使用，材料具有较高的拉伸强度和柔韧性能，且具有较好的技术经济效益。

2）喷涂覆盖围岩能大幅降低两帮移近量，如围岩表面不平整，已发生破碎情形时，可根据围岩表面破坏程度选择7～8 mm 或者10 mm 的喷涂厚度。

3）采用薄层喷涂快速封闭加固技术能够有效防止巷道顶板及两帮泥岩风化、破碎，控制巷道围岩变形，保证围岩整体完整性，避免巷道围岩变形破坏后进行二次维修甚至多次巷修。该技术为类似情况下的应用提供了借鉴案例，适合推广应用。