新型湿式薄喷材料在锚网支护巷道中的试验研究

中图分类号：TD353.5 文献标识码：A

摘要：目前，煤矿常用普通喷射混凝土来防治围岩风化，但在现场应用中仍存在很多不足之处。为了保证煤矿安全生产，延长巷道的使用寿命，必须研制出一种新的材料和工艺来防治围岩风化及金属锈蚀。

关键词：锚网支护巷道；聚合物水泥基复合材料；性能

一、前言

锚网支护是煤矿支护技术改革的一大进步，在提高单进和降低支护成本中起到了重要作用。但是，随着巷道服务时间的增加，在巷道变形膨胀的作用下，锚杆受力逐渐增加，而在井下潮湿的特殊条件下，巷道表面岩层逐渐风化，围岩强度日趋降低。在锚杆作用力之下，风化的围岩极易被锚杆托盘压坏，而托盘下的围岩一旦破坏，锚杆的作用力将随之降低甚至完全失效。更为严重的是，在井下潮湿环境下，锚杆、托盘及金属网锈蚀严重，锚网等金属支护材料的锈蚀使得锚杆支护极易发生松弛、拉坏等情况，使得锚杆预应力逐渐损失，从而导致支护效果变差，严重影响了巷道的稳定。因此，为了保证矿井生产安全，延长巷道的使用寿命，必须对新掘进巷道及时进行封闭。

二、煤矿普通喷射混凝土存在的问题

目前，在我国矿山建设领域支护、加固和解决围岩风化及锚杆金属网锈蚀方面普遍采用的仍是普通混凝土和普通水泥砂浆，包括两种施工方法：干喷和湿喷。干喷是目前矿山井下施工的主要方法，采用混凝土拌合料在噴枪出口处和高压水混合后喷出，由于拌合料和高压水湿释时间短，喷速快，造成大量水泥干料来不及湿释即喷出，造成施工现场粉尘能度大，施工环境恶劣，混凝土回弹率大，施工速度慢，成本高。湿喷能较好解决了粉尘能度问题，但由于混凝土拌合物的稠度较大，喷射时对浆液的输送难度很大，目前在设备方面还没有找到更好的解决办法。因此，为了解决这已日益严重的问题，有必要探讨研究采用其它技术途径来解决巷道锚网支护后的金属锈蚀、围岩风化等问题。

三、聚合物水泥基喷涂材料试验研究

3.1聚合物水泥基喷涂材料的发展概况

聚合物水泥基材料，自1923年问世以来，得到了迅速发展。20世纪80年代后，世界范围对这一领域研究的兴趣与日俱增，并取得了大量的成果。目前，在这一领域比较先进的国家有美国、日本、俄罗斯和德国等。他们主要集中在聚合物混凝土、聚合物防水材料和聚合物乳液三个方面的研究，这些产品及材料主要应用于土木及建筑工程领域。我国对聚合物水泥基复合材料的研究从20世纪50年代开始，80年代正式应用。

聚合物水泥基喷涂材料，是指将聚合物高分子胶结材料，掺加到水泥浆液中拌和均匀而成的聚合物水泥浆液。水泥浆液中添加活化处理的聚合物后，可高度均匀地散布在水泥之中，易于水泥中的混合材料及添加剂共同作用，达到同样高的性能指标。

3.2聚合物水泥基喷涂材料性能指标

通过试验表明：在水泥浆体粘度相同的情况下，聚合物水泥基浆体可喷性得到明显的改善；聚合物水泥浆体与围岩的粘结性能大大改善；改性的水泥浆拉伸粘结强度比水泥浆体提高约100%～300%，14d剪切粘结强度最大可提高100%～140%。聚合物的最佳掺量（聚合物占水泥的质量分数）对聚合物改性水泥浆体影响很大，聚合物改性水泥浆体的干燥收缩与聚合物的品种、填料掺量和水灰比有关。

3.3湿式喷涂设备性能指标

（1）设备能满足喷射聚合物水泥基喷涂材料的需要；（2）适用于井下施工条件；（3）生产效率高，速度快，每班达到喷射20m，最高40m；（4）水平输送距离大于30m，垂直距离达到6m，回弹率小于1%，设备重量轻，便于搬运。

3.4其它技术指标

（1）施工工艺简单，易于操作，工人劳动强度低；（2）喷涂材料粘结强度高，与围岩或煤壁达到4Mpa以上，与钢筋网达到0.9Mpa以上，附着力强，抗老化，能有效的防止煤岩层风化、防止金属网锈蚀；（3）具有较高的抗折和抗拉强度，分别达到11.4Mpa、6.1Mpa，抗压强度达到40MPa以上；（4）抗拉弹性模量降低大于37%以上；极限延伸率大，可提高2.45倍以上；（5）收缩较小，且具有良好的抗裂和变形性能；施工速度快，回弹量极小，无粉尘；现场喷浆效果：喷浆严实，坚硬致密，表面光滑；（6）喷涂材料达到无毒，减少环境污染，利于操作人员的身体健康。

四、施工工艺研究

4.1工艺流程

（1）喷浆准备、配料、搅拌及设备使用前的准备工作

1）原材料的称重允许偏差：水泥和各种添加剂均为±2%；

2）作业现场清理：①拆除作业面障碍物、清除开挖面的浮石墙角的岩渣、堆积物；埋设控制喷射水泥基浆液厚度的标志；②开机司机与喷射手不能直接联系时，应配备联络装置；作业区应有良好的通风和足够的照明。

3）设备检查：①ZB-200/4-22电动注浆泵1台；风动搅拌桶机2个，规格为直径800mm，高度1000mm；平车1辆，高压注浆管30米，自制喷枪2个。运转前，检查注浆泵及配套设备，确保施工机具的正常运转。②检查风水管，确保压力正常；对所喷巷道电缆、管路、设备进行保护，电缆放下，电缆、电缆钩、管路等用塑料布包上；提前运料到喷浆地点，调整喷浆设备。

（2）清扫（清洗）煤岩壁、金属网。

（3）喷料装机、搅拌

喷涂浆液的搅拌采用风动搅拌桶搅拌，先搅拌水泥浆，后加添加剂。搅拌时间以浆液搅匀全部悬浮为准。

（4）输料、喷浆操作

1）喷涂工艺过程

将满足要求的水泥、水、各种添加剂按配合比加入搅拌桶进行搅拌，搅拌好的成品水泥浆液通过管道与注浆泵相接，然后开泵按操作规程进行喷射。主要包括：①按配比进行搅拌喷浆料，达到喷浆标准要求。②开动设备进行喷浆，先从一个方向喷一遍，接着再从另一方向复喷一遍，顶部根据需要可复喷2-3次，把煤壁裂隙和金属网四周喷均匀。喷浆时坚持先顶后帮，从上向下的顺序进行。③喷浆后及时清理现场杂物，冲刷设备和管路。

2）喷嘴的操作

①喷嘴的喷射角度：当喷嘴严重偏离垂直方向时，喷射水泥浆液将会在受喷面滚动或不断重迭。喷嘴的喷射角度应尽量与受喷面保持垂直。

②喷嘴距受喷面距离：喷头与受喷面的距离以浆液回弹少、喷射有力为合宜。这一距离以1.5～2.5米较为适宜。

（5）复喷。

（6）停机、清洗喷射设备及管路，质量检查。

4.2喷涂方式

采用喷涂设备将浆液送入喷枪，利用喷枪将喷涂材料喷涂在煤岩层及金属网表面，形成一层均匀致密的喷层。

4.3喷涂设备

采用压力∠20Mpa、流量∠2L/min的高压喷射机，可用注浆泵代替，喷枪可购置代用喷枪或自行设计，搅拌桶可风动或电动。

4.4劳动组织

（1）人员组成

一个喷射点可配备5人，一个人负责喷枪，另两人负责设备及供料，为保证均衡作业，2人辅助作业，喷枪的喷涂能力每小时可达40～50m2，考虑到井下作业条件差，每小时喷涂易控制在20～30m2之内。

五、经济、社会效益分析

若使用普通喷射混凝土，考虑20%回弹率，通常情况下1m3喷射混凝土材料组成用用量为水泥500kg，砂800kg，石子1000kg，速凝剂20kg左右。材料按照现在市场价，则喷射1m巷道的成本为181元。

根据试验，采用聚合物不泥基喷涂料，水泥用量约为每米巷道50kg/m，成本15元，聚合物及添加剂用量成本15元，平均30元，则喷涂1m巷道的成本为30元；如果按每平方米计算，则喷涂每平方米2～3元/m2。如考虑人员减少，速度加快，运输设备减少等待料的间接效益，则节省费用将更多。

作者简介：

周诗建（1965-），男，本科，重庆市沙坪坝区，采煤副教授，现就职于重庆工程职业技术学院，主要从事煤矿开采，安全管理教学和科研工作。