趙 斌，王朋衛(wèi)

(山西晉煤集團技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000)

為了保證巷道掘進速度，晉煤集團長平礦底抽巷道選擇沿底板K6灰?guī)r、破頂板K7砂巖掘進，K7砂巖上方巖層為泥質(zhì)砂巖，在不噴漿支護情況下，頂板泥質(zhì)砂巖極易風(fēng)化引起巷道失穩(wěn)破壞，致使巷道需要多次返修，不僅影響礦井的生產(chǎn)銜接進度，甚至?xí)?dǎo)致巷道垮塌冒頂?shù)劝踩鹿蔥1-3]。常規(guī)的混凝土噴漿技術(shù)，雖然會對圍巖表面起到一定防風(fēng)化和支護作用，但是存在著粉塵大、回彈率高、質(zhì)量不穩(wěn)定等三大問題，且噴射過程污染大、材料用量大、運輸和施工投入高，制約了巷道的施工速度[4-8]。因此，為了防止巷道風(fēng)化破壞，高效快速的封閉巷道易風(fēng)化圍巖，研究薄層快速噴涂封閉技術(shù)，對提高巷道掘進速度和維護巷道安全穩(wěn)定具有重要意義。

1 工程概況

長平礦六盤區(qū)排矸機北巷為底抽巷道，巷道尺寸為5m(寬)×3.3m(高)，巷道處于K6灰?guī)r與K7砂巖中間，K6與K7相距約2.95m，掘進過程中，直接底K6灰?guī)r過于堅硬，掘進困難，為保證巷道高度，破頂K7細(xì)粒砂巖掘進，由于K7細(xì)粒砂巖厚度變化、巷道過構(gòu)造等因素，掘進時易掘透暴露K7砂巖上方的砂質(zhì)泥巖層，該砂質(zhì)泥巖層易發(fā)生風(fēng)化破壞引發(fā)巷道局部垮塌冒頂，致使巷道需要多次返修，嚴(yán)重的會引起人身安全事故，巷道層位如圖1所示。

圖1 巷道掘進層位

2 頂板巖石礦物成分及強度弱化規(guī)律分析

對長平礦六盤區(qū)排矸機北巷頂板砂質(zhì)泥巖取樣，分析其巖石礦物成分及強度弱化規(guī)律，對底抽巷圍巖表面快速噴涂防風(fēng)化機理研究、參數(shù)選取、試驗成功等有重要意義。

2.1 巖樣礦物成分分析

把砂質(zhì)泥巖樣品破碎成直徑不超過0.5cm的小塊，分別編號為1#、2#、3#。試樣在300℃下連續(xù)24h烘烤，研磨成0.045mm的粒度，再進行XRD(X射線衍射圖譜)和XRF(X射線熒光光譜圖譜)測試，XRD用于確定晶體的原子和分子結(jié)構(gòu)，XRF用于確定元素的種類及含量[9-11]，結(jié)果見表1。

表1 砂質(zhì)泥巖樣品礦物成份 %

由表1可知，1#與2#樣品主要成分為石英，平均占比72.5%，高嶺石占比21.5%，菱鐵礦占比4.5%，含少量二重高嶺土；3#樣品石英占比14%、赤鐵礦占比33%、白云母占比51%，含少量二重高嶺土。

由砂質(zhì)泥巖成分分析可知，其成分大部分為石英，巖塊本身強度較大，但層間含有大量的高嶺石，高嶺石遇水極易發(fā)生膨脹，且菱鐵礦、白云母均為易風(fēng)化巖石并且強度較低[12]。因此，在頂板錨索鉆孔施工時沖水或者頂板裸露風(fēng)化作用下，砂質(zhì)泥巖發(fā)生離層變形，導(dǎo)致巷道頂板鼓出甚至發(fā)生冒落。

2.2 巖樣耐崩解程度測試

按照試驗標(biāo)準(zhǔn)，將砂質(zhì)泥巖試樣用砂輪打磨制成質(zhì)量為50±10g的無棱角、類球狀巖石塊體試樣，選取10塊最符合標(biāo)準(zhǔn)的試樣進行測試。試驗步驟為：試樣烘干、第一循環(huán)耐崩解試驗、二次烘干稱量、第二循環(huán)耐崩解試驗、三次烘干稱量，兩次循環(huán)完成后計算耐崩解指數(shù)[13，14]，計算結(jié)果見表2，耐崩解循環(huán)指數(shù)計算：

Id2=mr/md×100%

(1)

式中，Id2為巖石(二次循環(huán))耐崩解性指數(shù)，%；md為原試樣烘干質(zhì)量，g；mr為殘留試樣烘干質(zhì)量，g。

表2 試樣耐崩解試驗循環(huán)質(zhì)量

由表2可以看出，隨著崩解循環(huán)的進行，巖樣的殘余質(zhì)量在逐漸降低，但是降低量極少，10個砂質(zhì)泥巖試樣，初始平均質(zhì)量544.11g，經(jīng)歷兩個耐崩解循環(huán)后平均質(zhì)量541.94g，降低了0.4%，平均耐崩解指數(shù)99.58%，屬于耐崩解程度極高類巖石。

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，完整干燥的砂質(zhì)泥巖，遇水遇壓力擾動時，非常容易破碎成5cm×5cm×5cm以上的塊體，塊體十分堅硬，進一步破碎成更小的塊體十分困難，而耐崩解試樣要求50g左右，所需塊體已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于堅硬的最小塊度尺寸，因此，試樣均為堅硬塊體，顯示耐崩解程度較高。但巷道現(xiàn)場砂質(zhì)泥巖因?qū)永黹g含高嶺石，遇水易膨脹破碎，穩(wěn)定性極差。

3 易風(fēng)化圍巖薄層快速噴涂封閉技術(shù)

3.1 薄層快速噴涂數(shù)值模擬分析

為分析薄層噴涂防風(fēng)化對巷道穩(wěn)定性的影響，采用軟件ANSYS進行模擬研究。根據(jù)試算，排除邊界影響，計算模型尺寸為30m(寬)×30m(高)，巷道尺寸為5m(寬)×3.3m(高)。模型底部施加豎直方向位移約束，模型左右兩個面上施加水平方向位移約束，上邊界以上巖體重量折算成均布荷載16MPa施加于模型上表面，計算考慮重力作用，施加重力載荷。計算分三步，第一步模擬重力場，第二步模擬巷道開挖，第三步通過激活SHELL單元來模擬噴涂支護效果[15，16]。

通過ANSYS中的SHELL63殼體單元來模擬薄層噴涂材料，模擬噴涂厚度10mm。現(xiàn)場取樣巷道頂板已風(fēng)化和未風(fēng)化的砂質(zhì)泥巖，測得其煤巖體力學(xué)參數(shù)見表3，通過參數(shù)代換后模擬得到薄層噴涂未風(fēng)化巷道和已風(fēng)化巷道的變形情況，分析未噴涂導(dǎo)致巷道風(fēng)化所產(chǎn)生的影響。

表3 頂板砂質(zhì)泥巖力學(xué)參數(shù)

由圖2、圖3可以看出，巷道采用薄層快速噴涂封閉處的頂板最大沉降值為86mm，巷道未噴涂處的頂板最大沉降值為212mm，噴涂封閉圍巖處的巷道頂板沉降值減小57%。巷道未噴涂處兩幫移近量為440mm，噴涂處的巷道兩幫移近量為260mm，巷道噴涂封閉圍巖處的兩幫移近量減小41%。由此可知，易風(fēng)化圍巖巷道采用薄層快速噴涂封閉技術(shù)對控制巷道變形有顯著效果。

圖2 巷道頂板沉降量

圖3 巷道兩幫移近量

3.2 薄層快速噴涂材料及設(shè)備

薄層快速噴涂材料由兩組分組成，A組分為水性高分子樹脂液體狀態(tài)(含水量45%左右)，B組分為多種無機復(fù)合粉體混合物(超細(xì)特種水泥、無機催化劑、稠度調(diào)節(jié)劑等)。傳統(tǒng)噴射混凝土(C20)的抗拉強度不到1.5MPa、抗拉變形不到0.1%、與巖體的粘結(jié)強度也在1MPa左右，因此在圍巖變形后噴射混凝土極易受拉開裂或脫落。而薄層噴涂材料完全硬化后具有非常高的抗拉強度(大于3MPa)、抗拉變形大(大于10%)、與巖體粘結(jié)強度高(大于2.5MPa)、阻燃抗靜電，材料凝固成型快、固結(jié)體不收縮、受擠壓破壞時具有較強的韌性和延展性，成膜表面平整、防水、防火、防侵蝕，施工簡便、勞動強度低、泵送噴涂效率高。

噴涂采用專用氣動式噴涂泵和專用噴槍，具有攪拌、輸出和噴涂一體化功能，設(shè)備輕便，配套噴槍操作方便。

3.3 薄層快速噴涂方案及工藝

3.3.1 噴涂方案

為對比分析不同薄層噴涂厚度的防風(fēng)化效果，共設(shè)計5種方案：方案1為未噴涂，方案2噴涂厚5mm、方案3噴涂厚8mm、方案4噴涂厚10mm、方案5在噴涂厚15mm的情況下用鐵絲網(wǎng)代替鋼筋網(wǎng)進行巷道支護，以試驗通過防風(fēng)化作用能否降低巷道支護強度。

3.3.2 噴涂工藝

工藝流程：設(shè)備準(zhǔn)備→打水試泵→混料→噴涂打料→清洗設(shè)備→整理記錄。

每段進行噴涂前，首先確定噴涂段位置的起始點，從起點開始，每隔10m在巷道頂板和兩幫布置一排間隔1～1.5m鐵釘，釘子外漏長度滿足所噴涂段的厚度要求，涂層遮蓋住鐵釘即可達到噴涂厚度。

施工配備1臺專用噴涂泵，噴涂泵采用空氣做動力，壓縮空氣驅(qū)動泵上的螺桿馬達對漿液進行充分?jǐn)嚢?，按噴涂材料重量?∶1倒入1桶A組份(液料)至泵上攪拌桶內(nèi)，同時慢慢加入B組份(粉料)，攪拌3～5min混合均勻后，通過泵體工作缸增壓后經(jīng)出漿管排出混合料至三通噴槍處，三通噴槍同時連接出漿管和高壓風(fēng)管，混合粉料在風(fēng)壓作用下被打散霧化噴涂出細(xì)霧狀小液滴，均勻覆蓋到煤巖體表面，噴涂距離為1～2m，一遍噴涂厚度為5mm左右。

3.4 薄層快速噴涂效果考察

3.4.1 薄層快速噴涂施工效率

在長平礦六盤區(qū)排矸機北巷進行500m噴涂試驗，統(tǒng)計得出每延米材料用量是傳統(tǒng)噴射混凝土(噴漿層厚度為100～150mm)用量的1/20～1/30。施工只需2～3人操作，單班噴涂進尺在8～10m，而傳統(tǒng)噴射混凝土單班進尺一般僅在3～4m。施工速度能夠緊跟掘進迎頭，及時封閉巷道易風(fēng)化圍巖表面。噴涂作業(yè)環(huán)境好，回彈量極小，無粉塵；大幅降低工人的勞動強度，降低了粉塵對施工人員的身體危害。

3.4.2 巷道噴涂覆蓋效果

通過薄層快速噴涂，巷道易風(fēng)化圍巖表面和支護體均得到有效覆蓋封閉。從噴涂覆蓋效果上看，8mm或者10mm噴涂厚度為最優(yōu)選擇，頂板平整區(qū)域采用8mm厚度，頂板不平整區(qū)域以及兩幫采用10mm厚度，既可以保證覆蓋效果，又可以避免材料浪費，采用的網(wǎng)片最好能夠緊貼巷幫以達到錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護作用。

3.4.3 巷道礦壓監(jiān)測

建立5個測站對底抽巷不同噴涂厚度處進行礦壓觀測，分析不同噴涂方案對巷道變形、頂板離層和錨桿錨索受力的影響。

頂板下沉和兩幫移近量最大值統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示，由圖4可知，巷道未噴涂處頂板下沉量最大值為20mm，兩幫移近量最大值為265mm；巷道噴涂處頂板下沉量最大值在10mm以內(nèi)，兩幫移近量最大值在35～45mm之間。巷道未噴涂處和噴涂處的變形量差異顯著，不同噴涂厚度下的巷道變形量變化不大，其中噴涂厚5mm處的頂板下沉量略大于其他厚度。

圖4 頂板下沉和兩幫移近量最大值

頂板離層最大值如圖5所示，由圖5可知，巷道未噴涂處頂板離層最大值為30mm，巷道噴涂處的頂板離層最大值不超過12cm，通過薄層快速噴涂使頂板離層值下降60%。不同噴涂厚度下巷道頂板離層值變化不大。

圖5 頂板離層最大值

錨桿和錨索受力最大值統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示，由圖6可以看出，巷道未噴涂處錨桿受力最大值為180kN、錨索受力最大值為380kN；巷道噴涂處的錨桿受力最大值不超過150kN、錨索受力最大值不超過340kN。巷道不同噴涂厚度下的錨桿、錨索受力情況變化不大。

圖6 錨桿和錨索受力最大值

3.4.4 薄層快速噴涂最優(yōu)厚度

對比不同噴涂方案下的圍巖覆蓋效果和礦壓監(jiān)測結(jié)果可知：通過薄層快速噴涂封閉技術(shù)有效的控制了巷道圍巖的風(fēng)化破壞，巷道頂板下沉和兩幫移近量、頂板離層量、錨桿和錨索受力情況均得到不同程度改善。不同噴涂厚度下的巷道頂板下沉和兩幫移近量、頂板離層量、錨桿和錨索受力情況等變化不大。在噴涂厚15mm的情況下，用鐵絲網(wǎng)取代鋼筋網(wǎng)進行支護，巷道穩(wěn)定性良好。結(jié)合現(xiàn)場薄層快速噴涂材料覆蓋情況，噴涂最優(yōu)厚度為8mm或者10mm，巷道表面平整區(qū)域采用8mm厚度，不平整區(qū)域采用10mm厚度。

4 結(jié) 論

1)長平礦底抽巷頂板砂質(zhì)泥巖成分大部分為石英，耐崩解程度極高，但巖體層間含有大量的高嶺石，遇水極易發(fā)生膨脹，巖體內(nèi)含的菱鐵礦、白云母均為易風(fēng)化巖石并且強度較低。

2)薄層快速噴涂用料量為傳統(tǒng)噴射混凝土的1/20～1/30，噴涂進尺可達單班8～10m，作業(yè)環(huán)境好，回彈量極小，無粉塵。噴涂封閉圍巖后，巷道頂板下沉和兩幫移近量、頂板離層量、錨桿和錨索受力情況均得到不同程度改善。不同噴涂厚度下的巷道變形量、頂板離層量、錨桿和錨索受力等均變化不大。

3)從噴涂覆蓋效果上看，噴涂最優(yōu)厚度為8mm或者10mm，巷道表面平整區(qū)域采用8mm厚度，不平整區(qū)域采用10mm厚度。在噴涂厚15mm的情況下，底抽巷可用鐵絲網(wǎng)取代鋼筋網(wǎng)進行支護，支護效果良好。