TSL(Thin spray-on liners)材料在巷道支护中的应用

史 玲

(北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

1 概述

在地下矿井及隧道支护中，喷射混凝土作为一种经济有效的方法得到广泛的应用。喷射混凝土作为一种柔性支护，一方面形成承载拱受力，另一方面阻止松散岩体的形成及岩块掉落，达到喷层与围岩共同支护岩体的目的。随着科技的进步，化学工程师们发明了一种新型的柔性支护材料(Thin Spray-on Liners)，即TSL材料。TSL材料自19世纪80年代开始实验室研究，这种粉末状材料加水后成胶状，喷射后凝固时间仅需几分钟。这种乳胶性质的新型喷涂材料，根据反应机理的不同一般分为两种：反应型(Reactive)和非反应型(Non-reactive)。反应型材料在喷涂后，其组成成分迅速发生化学反应，能较快的获得强度；非反应型材料则需要较长“干燥”的时间来获得强度。根据矿井巷道围岩的性质及支护目的，可以选择不同的TSL材料。到目前为止，市场上已有多种TSL产品，例如BASF公司的Masterseal系列、Minova国际的Tekflex系列，以及一些矿山和隧道公司的自产产品等[1,2]。

尽管这种材料的费用较高，但以其较短的施做时间、快速的早强、高性能的材料特性，被认为可以取代锚网、喷射混凝土等传统的支护工艺，并逐渐在矿山中得到认可应用。

TSL材料最初的现场实验，在1990年加拿大的Kidd Greek矿山。目前，国际上主要在南非、澳大利亚、加拿大等深部矿山中使用。例如南非的深部金矿Hartebeestfontein、Impala 铂金矿、New Denmark 煤矿，TSL成功应用并取得了良好的支护效果。澳大利亚的一些矿山公司，如Mount Isa Mines、 WMC Rescouces Ltd.等，也用TSL材料作为一种标准支护手段来取代喷网支护[3,4]。

2 TSL材料喷层的支护机理

目前，TSL材料的现场应用仅限于围岩性质较好的小跨度巷道支护，作为一种初期支护手段使用。巷道开挖后，在围岩表面喷涂TSL材料，然后在其上打入锚杆或继续施做普通喷射混凝土支护，或者在锚网及锚杆表面喷涂TSL材料，而后施做喷射混凝土。

不同于普通的喷射混凝土，TSL材料喷层通常只有4mm厚，很少有超过10mm。它具有很好的延展性及黏结强度，且由于材料的特殊性，并与围岩直接接触，故很容易在喷射过程中渗入围岩裂隙中。Tannant曾对TSL材料做过实验室试验，发现它能够渗入宽1～2mm的混凝土块间缝隙，渗入深度达到20～50mm之间，其胶结强度足够固定单个小岩块[5]。

TSL材料喷层作为一种特殊的喷射混凝土，其支护机理一般归为薄层喷射混凝土的范畴，具体可以总结为如下3点[6,7]。

(1)加固松散岩体，阻止其掉落。TSL材料喷层依靠其抗拉压强度、抗剪强度、喷层与岩体的黏结强度，阻止松散岩块的掉落。并且喷层渗入岩体部分，不仅黏结岩块，而且限制块体的相互运动，如图1所示。几种因素相互作用，共同限制了块体的运动。

图1 TSL材料喷层支护示意图

(2)加强其他支护结构的支护效果。当其与锚杆共同作用时，TSL材料因其自身的抗拉强度及延展性，一定程度上增大了锚杆的加固范围(图2)。当在TSL材料喷层表面继续施做喷射混凝土支护时，因为TSL材料优良的黏结性能，它能更好的附着围岩表面，并且其光滑的表面使得外层喷射混凝土材料也能更好的附着。即在喷射混凝土与支护围岩间，充当“双面胶”的作用，从而能充分发挥喷射混凝土与围岩的共同作用。

图2 TSL材料对其他支护结构的增强作用示意图

(3)保护围岩及其支护结构性质。这种胶质喷层静载时，可以封住围岩减少空气的进入，从而防止围岩块体间裂隙的扩展；动载时，喷层会阻止冲压气体进入围岩，提高围岩的稳定。而且，当TSL材料喷涂在锚杆及锚网表面后，相当于在其表面加了一层保护膜，从而防止金属材料的锈蚀。

3 TSL材料的性能及其测定方法

3.1 TSL材料的力学性能

根据TSL材料的特殊性及在巷道围岩支护中的作用机理，目前有大量的实验室实验来测定其材料性能，包括抗拉强度实验、抗剪强度实验、与岩石接触面强度测定实验、承载实验及耐火性、爆破实验等。但由于没有统一的实验标准，所用TSL材料也各不相同，测试结果存在很大的差异[3,8]。

其常规性能如表1所示。在测定其抗拉及延展率试验中，因其材料的特殊性，一般将试件做成4mm厚的骨头状，固定两头进行拉伸试验。

表1 TSL 材料的基础性能 (Steyn J,2007)

3.1.1 拉应力状态下材料的黏结强度测定

早期的黏结强度测定，主要采用岩样对岩样，中间通过TSL材料黏结，试件两端施加拉应力，采用拉拔试验测定TSL材料在拉应力下的黏结强度，如图3所示[9]。

黏结强度的表达式为：

(1)

式中，σa为黏结强度;F为使TSL材料破坏时的最大拉力;A为黏结面积。

图3 岩样对岩样的TSL材料的抗拉强度实验示意图(Spearing， et al, 2003)

3.1.2 剪应力状态下材料的黏结强度

TSL材料由于易渗入岩体裂隙中，在裂隙中的受力为抗剪，通过材料在剪应力状态下的黏结强度固定周围块体。目前，其测定方法主要有双剪实验和圆环实验[10,11]，如图4所示。

圆环实验中，最外圈为钢环，中间为圆柱型岩样，岩样与钢环部分充填TSL材料。待养护后，将试件置于中间镂空的基底上，镂空部分半径约为圆柱型岩样半径，上面加载压力，便得到岩样与TSL材料间剪切破坏时的黏结强度。

剪应力下黏结强度可表示为：

(2)

(3)

式中，τDSS为双剪实验中材料的抗剪强度;τCSS为圆环实验中材料的抗剪强度;A为双剪实验中一侧的接触面积;R为圆环实验中TSL材料环的半径;H为圆环实验中TSL材料环的高度。

图4 黏结强度实验示意图

3.1.3 材料与岩面间的拉拔实验

这个主要模拟的是喷层限制围岩岩块掉落时的受力状态。实验装置如图5所示，钢盘与基底无连接，然后在其周围喷射TSL材料，材料厚度为2～8mm，最少养护2d后进行拉拔实验，记录其应力与位移[5]。

其拉拔强度的表达式为：

(4)

式中，A为TSL材料的覆盖面积。

图5 拉拔实验示意图(Tannant, 2006)

3.1.4 扭剪状态下TSL的受力

两件标准岩样同心相连，连接部分覆盖TSL材料，如图6所示。一块固定，另一块扭转，直至链接部分的TSL喷层破坏。扭转实验即考虑了喷层与岩面的黏结强度，又体现了喷层的整体连续性[12]。其实验结果由式(5)计算：

(5)

式中，T为扭力;r为岩样半径;t为TSL厚度。

图6 扭转实验示意图(Yilmaz， et al, 2006)

3.1.5 TSL材料承载结构实验

TSL材料作为巷道支护的一种方式，主要作用就是承载松散的岩体，提高围岩的强度。但因其喷层非常的薄，一般不能单独作为承载结构受力，它通常与周围围岩共同作用支护岩体。实验室中，采用TSL材料覆盖单轴标准试件、梁或板试件及方盒碎石试件，再通过常规的强度实验方法测定其支护强度，如图7所示[13,14,15]。

3.2 TSL材料的抗爆破性能

在深部矿山中，由于高地应力集中，巷道围岩经常会发生岩爆现象。对于支护结构的抗爆性能，主要通过现场模拟爆破实验来测定。即在空地铺设炸药，表面施做锚杆锚网或喷射混凝土等支护方式，引爆后观察爆破效果。实验表明，对比锚杆与锚网支护、喷射混凝土支护(加锚杆锚网)和TSL材料支护(加锚杆锚网)，TSL材料支护(加锚杆锚网)所受破坏最小，并在爆破过程中的反应也最不强烈[16]。

图7 TSL材料加强结构的承载实验

图8 抗爆破性能实验(Archibald, 2001)

3.3 TSL材料的安全性能

TSL这种化学材料，在施工过程中尤其要注意避免与皮肤接触或吸入口中，工人一般要配备面具、眼镜跟口罩等装备。材料的不安全因素，在一定程度上限制了TSL材料的推广应用。但到目前为止，还没有相关报告[4]。除了材料本身的安全性，其抗火性能在巷道安全中也非常重要。在研究TSL材料的抗火性能时，采用了建筑工程上的抗火规范，有火焰蔓延分类(flame spread classification, FSC)跟发烟系数(smoke developed, SD)两个指标，数值越高，表面材料的抗火性越差。Archibald (2001)所做的实验表明，对于不同的TSL材料，FSC与SD的值差别较大，但大多数的TSL材料具有相对低的排气温度，并在明火撤离后能够迅速熄灭[17]。

4 结语

喷射混凝土以其灵活、有效、经济的支护手段，广泛应用于各类围岩支护项目中。近几年来，在材料、施工工艺、结构应用等方面取得了各项进步。尤其在材料方面，除了熟知的钢纤维混凝土与聚丙烯纤维喷射混凝土，新型的薄层喷射材料TSL的发展也非常之迅速。这种材料，无论从长期经济效益上还是支护机理方面，都是柔性支护的一大进步。但是，对于巷道支护来说，安全是最重要的。而评价一个支护地好坏，要看其在服务时间内能否完成他的使命，TSL材料缺少的正是时间的验证。而且，TSL材料的安全性、过高的前期投入，也限制了其在矿山巷道支护中的应用。目前，国际上多家化工企业及矿山公司都在致力于开发更安全更有效的TSL材料。我国也应该开展对这种柔性支护材料的研究。

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