开拓巷道新型柔性密闭喷涂支护技术实践

2024-01-26冯建志曹东升

陕西煤炭 2024年2期

康萌,冯建志,曹东升

(陕西陕煤韩城矿业公司,陕西渭南 715400)

0 引言

目前,我国煤矿生产面临更为复杂的地质与环境条件,需解决困难条件下的围岩控制技术,也要解决围岩风化、器件锈蚀、瓦斯渗漏等新问题。因此,改进低效、高耗及污染的传统支护体系,发展更快速、更安全、更清洁的新型掘支体系,具有重大意义。传统锚网喷支护体系中,喷射混凝土在发挥封闭、支护等作用的同时,也是该体系中低效、高耗及污染的主要原因,而挂网进一步降低了效率并大幅增加了劳动强度。实践表明,喷射混凝土在各类巷道中担负的角色并不相同,但均可归结为力学作用和非力学作用2类[1-3]。但在实际支护作业中,其相当部分的力学和非力学作用并非唯一选项。因此,可以根据情况减少或取消喷射混凝土支护,采用更合理的技术予以取代,煤矿薄喷封闭及支护技术的研发与应用是这方面的有益探索[4-6]。

为此,研制出适应于我国煤矿巷道使用的非反应型薄喷材料、装备和配套工艺,并进行薄喷技术防风化、防锈蚀、防静电围岩面喷涂封闭技术的现场应用,以期促进新型薄喷技术在我国煤矿及其他矿山的应用发展。

1 项目概况

韩城矿业下峪口煤矿属于煤与瓦斯突出矿井,2-2采区边界泄水巷位于采区西北部,与采区边界回风巷相邻,采区边界泄水巷围岩赋存比较稳定,但巷道局部压力大,容易出现顶板和两帮破碎鼓包现象,对矿井安全造成重大隐患,对煤矿通风管理和支护造成一定的影响。巷道大部分钢筋网片和锚索(杆)在水和有毒有害气体的作用下,锈蚀会很严重,钢筋网片焊点在锈蚀作用下,容易出现开焊、失效、锈蚀严重等问题,造成围岩风化现象严重、巷道漏风及有毒有害气体泄露。为了确定全岩开拓巷道合理薄喷厚度、保证大巷防风化、防锈效果,揭示薄喷对开拓巷道的密闭支护作用机制,使用渭南陕煤启辰科技有限公司研发的新型喷涂密闭材料在2-2采区边界泄水巷开展500 m薄喷涂密闭支护工业性试验。

2 混凝土喷射破坏机理

根据弹性理论,混凝土喷层失水变干后会极大程度地减小其变形,同时会产生抑制周围岩体持续形变的支护反作用力,从而抵抗围岩中不连续面继续向周围的延续,即减弱巷道围岩不连续面端部的应力强度影响因子,有效的维持巷道的整体性,对巷道稳定起到积极作用[7-9]。在采用锚喷支护方式的巷道,混凝土层承载着巷道围岩等荷载,喷层会发生一些其他形式的破坏,例如鼓起、剪切等。由于锚杆间距及围岩下沉等因素的作用,使杆间出现大的形变,混凝土固化后弹性较弱,极易出现喷层剥离岩体发生脱落[10-13]。混凝土喷层硬化后,其在周角点锚杆的方形格子内形成块状水泥板,在拉应力的作用下裂隙首先从水泥板的薄弱处形成,且不断地向外延伸拓展并与围岩分离出现脱落。因此,在锚喷支护损坏现象中,混凝土喷层断裂和脱落是常见的情形,影响了煤矿井下的掘进效率和巷道安全,亟需寻找一种新型的喷涂材料及相关工艺。

3 薄喷封闭技术理论

3.1 薄喷封闭工艺

薄喷是一种新的支护理念,具有喷层薄,质地致密,弹性、延展性好,抗拉强度高,能够与受喷面良好黏结等优点。施工过程中速度较快,材料运输量和劳动强度低,粉尘浓度和回弹率小,机械化使用程度高等诸多方面的优势。

3.2 新型薄喷材料及其配套设备

双采(SCPPT-2型)复合喷涂材料为煤岩体表面柔性喷涂材料,它由A、B这2组份组成,使用比例为重量比1∶1。该复合喷涂材料属于有机无机复合材料,具有与煤岩体表面粘附力强、固化物本体抗拉强度高、拉伸变形大、耐久性好、顶立面喷涂不流挂、表干和硬化时间快、阻燃和抗静电等优异的特点,配套的施工技术简便、快捷,适用于煤矿、隧道等地下工程巷道表面快速防护、岩巷表面支护防护以及煤岩体表面防开裂、防漏风等应用。在气温(25±3)℃、相对湿度大于50%、水温(20±2)℃条件下测定该材料的性能参数,见表1。

表1 双采(SCPPT-2型)复合喷涂材料性能参数

该产品技术配套专用设备为LZBQ型专用气动喷涂泵,LZBQ型设备以井下压风为动力源。工作时,压风通过气动马达,马达转动带动螺杆泵运行,物料在搅拌仓内预先搅拌成浆料,浆料通过螺杆挤压,从输料管路输送至出口位置,再与高压气体经喷涂枪喷涂至工作位置,完成喷涂施工。喷涂泵的主要结构包括：体支架、气动马达(减速)、搅拌装置、耐压胶管、喷涂枪头及其他附属配套设备,如图1所示。气动喷涂泵性能参数见表2。

表2 气动喷涂泵技术参数

图1 PBQ型煤矿用气动喷涂泵结构示意Fig.1 Structure of PBQ air-powered spraying pump for coal mine

4 现场试验

4.1 薄喷技术方案

此次喷涂所使用材料的应用地点示意如图2所示。在巷道围岩表面较为平整区域内采用双采(SCPPT-2型)新型复合柔性薄喷材料进行巷道表面喷涂,材料凝固后柔性强,能适应后期围岩风化变形,形成稳定的柔性保护层,避免形成裂隙瓦斯通道,同时该材料具有较高的粘结性和强度,能兜裹离层煤矸,避免碎石掉落。该材料不发热、不膨胀,但喷涂初期呈现流体状,初凝时间约1 h,完全凝固需要2～3 d,为了更好地使用该材料,通过初喷和复喷2次喷涂形成约5 mm厚的薄喷层。双采(SCPPT-2型)复合喷涂材料喷涂厚度约5 mm,新型柔性薄喷材料使用量约6 kg/m2,根据本次施工断面计算所需双采(SCPPT-2型)复合喷涂材料为100 kg/m。

图2 喷涂应用地点示意Fig.2 Applying locations for spraying

4.2 试验效果评价

根据观测的内容将观测站分为2大类。一是顶板位移及帮部位移观测,二是密闭性观测。在2-2采区边界泄水巷每隔150 m设一个测站,共设置3个测站。3个测站顶板各布置一组巷道深部多点位移计,孔内基点布置深部位移计各基点分别为2.5 m、4.5 m共2个基点。多点位移计孔测站基点布置如图3所示,孔径为28 mm,孔深4.5 m,与水平面之间的夹角均为0°。

图3 位移监测断面测点布置示意Fig.3 Measuring point layout of displacement monitoring section

监测结果如图4所示。可见,复合喷涂区域顶板浅部最大位移值为77 mm;未喷涂区域顶板浅部最大位移值为91 mm;未喷涂区域深部位移变化速率略大于其他2个喷涂区域,可见煤体表面喷涂材料有利于抑制深部基点移动。

图4 巷道顶板离层变化量曲线Fig.4 Variation curve of roadway roof abscission layer

顶底板移近量监测如图5所示。自7月6日至9月28日,巷道顶底板移近量变化较小,基本在110 mm以内,可见该巷道顶板变形量基本稳定,喷涂点顶板下沉量略小于未喷涂点下沉量,底板变形量基本无变化,总体在30 mm之内,同时底板底鼓量喷涂点和未喷涂点测点变化量基本一致。可见薄喷材料可以有效的阻止巷道表面发生较小的形变,保护巷道的顶板平整性。帮部移近量监测结果和顶板类似,监测时间为7月6日至9月28日,帮部变形量基本在100 mm以内,未喷涂点形变量略大于喷涂点巷道两帮形变量,由此见薄喷材料可以有效的阻止巷道表面发生较小的形变,保护巷道的两帮完整性,对减小帮部移近也有一定效果。

喷涂前后的瓦斯浓度如图6所示。根据数据显示,喷涂后巷道内采煤侧瓦斯浓度明显降低,降幅在20%～42%,煤柱侧降幅在20%～52%。因此,喷涂材料可用于填堵裂隙,防止瓦斯溢出,且效果较好。

在监测巷道变形的测点处设立防锈检测点,在井下潮湿的环境下,每隔30 d对检测点位置处的喷浆表面进行观测并拍照,观测其表面是否锈蚀、是否出现裂隙。由于薄喷的厚度小、锈迹渗透强,一般通过对观测点薄喷材料表面的颜色变化,即可初步判断是否有锈迹产生,观测其表面是否有裂隙。在薄喷2～3个月之后,可取部分样,送至实验室检测其中是否含有铁锈,从而得出薄喷材料的防锈能力。喷涂现场效果图如图7所示。

图7 喷涂现场效果Fig.7 On-site effect of spraying

喷涂区域内架棚巷道未喷涂情况如图7(a)、(b)、(c)所示。通过井下实际情况查看,未喷涂区域网片锈迹明显,所使用的架棚等金属构件锈迹明显,因架棚区域巷道受原岩应力影响较为严重,金属架棚上部顶板裂缝发育,岩石破碎严重,金属网变形较大。

通过喷涂作业,现场监测结果如图7(d)、(e)、(f)所示。在架棚巷道区域即使因为长时间风化水雾影响,导致金属棚顶出现锈迹因施工喷涂料一周以后完全凝固,仍可完整的包裹金属架棚和金属网片。由于架棚巷道之前使用混凝土进行喷射处理,受风化作业出现粉化现象,使用薄喷材料后能有效隔绝外界空气、水等侵蚀,浆液包裹巷道内的架棚区域,保证巷道内原有支护作用完整。如图7(g)、(h)、(i)所示,使用的发泡材料浆液与金属架棚及铁丝网更好地保证围岩的稳定性,使用的此种材料施工时采用罐装进场较喷射混凝土运输量大大降低,防止瓦斯溢出,同时具有较好的柔韧性、抗弯折、成膜性,抗剪切强度高等特点。