煤矿用柔性薄喷材料的性能及应用

胡国和 梁 前 孙 帆

（1.渭南陕煤启辰科技有限公司，陕西 西安 710100；2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710100；3.煤炭绿色安全高效开采国家地方联合工程中心，陕西 西安 710100）

煤矿井下巷道的地层主要为煤岩、砂岩、页岩、泥岩等，岩石不仅力学性能较差，而且节理裂隙发育，稳定性不好。其中，巷道中的砂岩、页岩、泥岩极易风化，软化，甚至泥化、崩解和膨胀[1]。此外，煤矿井下环境十分恶劣，渗漏水普遍，巷道掘进过程中，会有瓦斯等有毒有害气体涌出或溢出。因此，煤矿巷道的封闭处理对保持巷道长期稳定至关重要。

目前，我国煤矿巷道的支护方式主要为锚喷支护。然而，一方面，锚杆、托盘及金属网在井下潮湿的环境下极易锈蚀，导致锚杆发生松弛、拉坏、预应力损失，严重影响了支护效果；另一方面，喷射混凝土由于其属于脆性材料[2]，承受拉应力小、回弹率高、施工环境差、粉尘污染高、喷层脱落多的缺点限制了这项技术的发展[3]。

因此，开发一种性能优良、施工简便、安全环保的喷涂密闭材料起到喷涂保护作用显得比较重要。薄喷是一种20 世纪90 年代起源于欧美的工程加固、封闭新理念。其含义是采用具有特殊力学性能的新喷涂材料，以极薄喷层，快速喷涂成膜，在巷道工程中发挥支护、封闭等作用[4]。

本文制备了一种新型的煤矿巷道的柔性薄喷材料，通过喷涂的方式，将材料施工至围岩表面，干燥凝结后形成厚度数毫米的柔性喷层。与喷射混凝土相比，薄喷材料具有很小的施工量、材料运输量[5]，优良的适应变形的能力；施工时无热量和VOC释放，达到无毒环保的要求，且喷涂无尘。同时，柔性衬层与岩体紧密黏结在围岩发生变形的早期即可起到承载作用。

1 材料研发

1.1 配方确定

可用于薄喷材料一般有反应型和非反应型两类。反应型以聚氨酯喷涂材料为主，由异氰酸酯或多异氰酸酯、聚醚、扩链剂、阻燃剂等主要成分通过混合快速反应达到密闭防护作用，具有黏结强度大、反应速度快、密闭性能高等优点，但是价格昂贵、耐老化性能差，尤其是反应温度高，容易引燃煤体或其他易燃物的缺点，对煤矿的安全生产埋下了较大的隐患；非反应型一般以聚合物水泥基复合材料为主，综合了聚合物和水泥的优势，把聚合物的柔性、弹性及对基层的黏结力与水泥的耐水性及耐老化性结合起来，同时具有水化温度低、材料用量少、无毒无害、黏结强、成本低的优势，更加适合煤矿巷道的应用。

本文以丙烯酸酯乳液作为薄喷材料的成膜组分，通过掺入水泥、骨料、功能助剂，对聚合物的性能予以补强，包括：强度、刚度、成膜性、密封性、耐水性等。材料无机组分的基础原料为普通硅酸盐水泥、粉煤灰、重钙粉、PP 纤维、增稠剂。

1.2 反应机理

材料主要在水泥水化和聚合物自交联的协同作用下，由分散着的聚合物颗粒和水泥及填料颗粒相互聚结成为整体。初期过程是在混合后，一方面水泥中的矿物质与水接触放出热量开始水化反应，材料中的活性组分与水化产物反应，生成大量的C-S-H和具有一定微膨胀性能钙矾石，又加速了水泥水化反应的进行；另一方面随着水分的消耗，原先以静电斥力和空间位阻稳定作用而保持分散状态的聚合物颗粒、水泥颗粒、水化产物及填料颗粒逐渐靠拢，但仍可自由运动。中期过程是随着水分进一步挥发，表面吸附层被破坏的聚合物颗粒和水泥组分逐渐成为不可逆的相互接触，达到紧密堆积。后期在缩水表面产生的力作用下，也有认为在毛细管力或表面张力等的作用下，乳液聚合物颗粒变形，聚结成膜，同时聚合物界面分子链逐渐扩散、缠绕，包裹最终水化完成形成的无机组分骨架，从而形成具有一定性能的连续膜。

在该体系的成膜过程中，对于聚合物来说，水泥和聚合物中的水分发生水化反应，形成一定量的凝胶体；聚合物中的颗粒通过分散，吸附在水泥和水泥的水化产物表面。其中聚合物形成的网络是连续网络，而水泥的硅酸盐网络结构已经不连续，因此材料呈现优异的拉伸强度和柔韧性，体现出复合材料的优异特性。

1.3 主要设备

实验设备：搅拌器，电子温度计，万能拉力试验机，酒精灯，酒精喷灯，燃烧试验箱，氧指数测定仪，超高阻微电流测试仪。

1.4 材料制备

按表1 所示比例配制柔性薄喷材料的液料和粉料，再称取一定量的液料和粉料用搅拌器以800 r/min 的转速搅拌5 min，即为喷涂材料。

表1 柔性薄喷材料液料、粉料基础配方

1.5 性能测试

按照《煤矿喷涂堵漏风用高分子材料技术条件》（AQ 1088-2011）、《建筑防水涂料试验方法》（GB/T 16777-2008）[6]、《煤矿井下用聚合物制品阻燃抗静电性通用试验方法和判定规则》（MT 113-1995）、《室内装饰装修材料 胶粘剂中有害物质限量》（GB 18583-2008）的要求对材料进行样品制备及性能测试。

2 材料性能测试

2.1 最高反应温度

根据《煤矿喷涂堵漏风用高分子材料技术条件》（AQ 1088-2011）中最高反应温度的测试要求，对材料最高反应温度进行测试，重复3 组。

由表2 可以看出，制备的薄喷材料的平均最高反应温度为28.3 ℃，远低于标准所要求的反应温度≤140 ℃。

表2 最高反应温度能测试结果

2.2 固化时间

根据《煤矿喷涂堵漏风用高分子材料技术条件》（AQ 1088-2011）中固化时间要求，对材料表干时间及实干时间进行测试。

由表3 可以看出，制备的三组样品平均表干时间为0.6 h，平均实干时间为1.6 h，满足标准要求，表明材料具有较快的固化速度，有利于提升施工效率。

表3 材料固化时间测试结果 h

2.3 拉伸性能测试

由于薄喷材料主要是在煤矿井下进行使用，与实验室室温25 ℃环境相比，矿井下温度一般低10～15 ℃，结合实际使用环境与实验室环境温度的差异，因此需要模拟低温环境对薄喷材料拉伸性能的影响。按照GB/T 16777-2008 方法，将液料和粉料混合干燥后制备哑铃状样品，拉伸速率200 mm/min 进行测试，结果见表4。

表4 拉伸力学性能测试结果

由表4 可以看出，制备的样品在常温下（25 ℃）断裂伸长率明显大于低温下（5 ℃）的断裂伸长率。显然，环境温度的不断降低，提供给材料柔性的有机组分逐渐从高弹态转化为玻璃化，从而导致材料柔性的降低。

常温下材料的拉伸强度平均值为3.17 MPa，断裂伸长率平均值为72.2%，低温下（5 ℃）拉伸强度平均值为3.02 MPa，断裂伸长率平均值为46%，均满足煤矿喷涂堵漏风标准所要求的断裂伸长率＞30%、拉伸强度＞2 MPa 的性能指标。

2.4 黏结性能测试

薄喷材料与基层材料的黏结强度是反映薄喷材料与基层材料相互作用的一个重要性能指标，以GB/T 16777-2008 方法制备样品，拉伸速率5 mm/min 进行测试，重复5 组试件。

由表5 可以看出，制备的薄喷材料的平均黏结强度为2.25 MPa，满足标准所要求的黏结强度≥1.5 MPa，可以保证和煤岩体优异的黏结能力。

表5 黏结性能测试结果 MPa

2.5 阻燃和抗静电性能测试

根据《煤矿喷涂堵漏风用高分子材料技术条件》（AQ 1088-2011）中对材料理化性能的要求，按照MT 113-1995 方法，对材料进行阻燃性测试和表面电阻测试。

1）阻燃性能测试

① 酒精喷灯燃烧试验

使用酒精喷灯、燃烧试验箱对材料的阻燃性能进行测试，重复6 组试件。

测试结果如表6 所示，测试过程中样品未发生有焰燃烧，且平均无焰燃烧时间为5.11 s，火焰扩展长度为30.5 mm，均满足标准的要求。

表6 阻燃性能测试结果

② 酒精灯燃烧试验

同样，使用酒精灯、燃烧试验箱测试材料的阻燃性能。

测试结果如表7 所示，测试过程中未发生有焰燃烧，平均无焰燃烧时间为3.62 s，火焰扩展长度为18 mm，满足标准的要求。

表7 阻燃性能测试结果

③ 氧指数

使用氧指数测定仪对材料的阻燃性能进行测试，重复10 组试件。

测试结果如表8 所示，10 组样品测定的氧指数均＞28%，满足标准要求。

表8 氧指数测试结果 %

由上述三种测试结果可得，薄喷材料具有优良的阻燃性能。

2）抗静电性能测试

使用超高阻微电流测试仪对薄喷材料进行抗静电性能测试，重复3 组试件。

测试结果如表9 所示，可以得出，三个样品的平均表面电阻均符合标准中要求的表面电阻＜3×108Ω 的要求。

表9 材料表面电阻测试数据 Ω

2.6 有害物质含量测试

根据《室内装饰装修材料 胶粘剂中有害物质限量》（GB 18583-2008）方法，对薄喷材料进行有害物质限量检测，如表10 所示为材料的检测结果。由表10 可以看出，制备的薄喷材料的各项检测明显小于标准的指标，证明了该材料是一种无毒无害的环保型材料。

表10 薄喷材料有害物质含量检测

3 应用情况

陕煤集团韩城某矿3#和5#煤层为易自燃煤层，南一回风下山出现顶板和两帮破碎底鼓现象，大部分钢筋网片和锚杆索在水和有毒有害气体的作用下，锈蚀很严重，容易出现开焊、失效等问题。大部分围岩裸露，风化现象严重，容易导致巷道漏风及有毒有害气体泄漏，对煤矿通风管理和支护造成重大隐患。为解决上述问题，使用柔性薄喷材料进行喷涂施工。

试验地点为3308 工作面煤壁，未喷涂前北边界巷道风流瓦斯浓度为2%左右，溢出严重。本次试验采用薄喷材料2 t，喷涂范围为巷道一帮（3 m）及邻近顶板1.5 m 范围，喷涂施工长度70 m，喷涂厚度3～4 mm，喷涂面积约为315 m2。喷涂试验用时1 个班，施工人员3 人。施工后对巷道风流瓦斯浓度进行了监测，降至0.30%～0.34%，起到了良好的封堵效果。

此外，从现场观察对比看，1 d 后喷层黏附在巷道表面基本无法整体破坏，完全不同于传统的喷浆层在外力作用下呈碎裂性脱落，整个喷层没有发现任何开裂、脱空或局部金属网兜网现象，实现了对金属网、锚杆、锚索、钢件等支护构件的全面封闭，阻止了在高湿环境下金属构件的持续锈蚀。喷涂后的薄喷材料与岩石表面紧密贴合，形成一层致密的防护层，防止了围岩体的风化，保障了煤矿的安全生产。

4 结论

1）本文采用丙烯酸乳液及无机组分复配，制备了一种非反应型的柔性薄喷材料产品，具有反应温度低（＜30 ℃）、抗拉变形大（常温＞70%，低温＞45%）、黏结强（＞2 MPa）、阻燃、抗静电、无毒无害、施工简便的优点，可适用于煤矿巷道的喷涂施工。

2）薄喷材料在煤矿现场施工后，形成了致密的保护层，有效防止了金属构件的锈蚀、围岩体的风化、有毒有害气体的泄漏导致的安全隐患。