B080406 锚、网煤巷快速喷浆技术.doc

锚、网煤巷快速喷涂技术李建华 李付臣 李绍春 魏忠民兖矿集团公司鲍店煤矿，山东 邹城 273513摘 要 煤巷使用快速喷涂技术，是目前传统的喷射混凝土施工的重大改革。该技术使用高压注浆泵，将添加了液体和固体添加剂的水泥浆进行喷射，达到封闭煤巷围岩和防止金属网锈蚀的目的。该项技术操作简单，极大降低了工人的劳动强度，提高了施工速度，降低了材料成本。关键词 锚、网支护煤巷 快速喷涂 提高效率 节约成本-1 问题的提出煤矿巷道采用锚、网支护取代传统的金属支架支护，提高了单进、降低了支护成本，是支护技术的一大改革。但是，随着井巷服务时间的推移，在井下潮湿的特殊条件下，锚、网支护的巷道围岩表面出现了风化，锚杆及金属网也逐渐被锈蚀，其中金属网的锈蚀更为严重，严重影响了巷道的稳定，为此，有必要对已施工的巷道围岩采取防风化的补救措施，同时及时对新掘进的巷道围岩采取封闭措施，以延长巷道使用寿命，保证矿井的生产安全。目前，煤巷锚、网支护巷道主要采用喷射混凝土或水泥砂浆来封闭围岩。而喷射混凝土工艺存在以下问题： 回弹率高、粉尘浓度大，材料运输量大，工人劳动强度大，施工成本高； 在机掘巷道，采取喷射混凝土封闭围岩，施工速度慢，跟不上机械化掘进速度。因此，探索研究新的喷涂材料及工艺替代喷射混凝土施工，是亟待解决的重大问题。本项目的研究，对防止煤矿煤巷围岩风化、支护材料锈蚀、提高施工速度具有重大的意义。2 支护可行性研究目前，煤巷锚网支护巷道普遍采用喷射混凝土来封闭围岩。一般认为，喷射混凝土一方面可以起到防止围岩风化、防止金属网锈蚀的作用；另一方面可以对围岩起到一定的支撑作用。现场事实表明，在许多混凝土喷层不起作用的煤巷，巷道依旧保持稳定，因此在锚、网支护的煤巷，混凝土喷层并不能起主导承载作用，实践表明，只要适当调整支护参数，完全可以弥补取消喷射混凝土后的支护强度。鲍店煤矿五采区、七采区、十采区，巷道为全煤巷道布置。现采用的支护方式为锚、网+托梁联合支护，部分采用锚、网+托梁+锚索联合支护。锚杆为KMG450型、KMG500型、KMG600型直径22mm、长2400mm的高强螺纹钢锚杆，锚杆的屈服强度为450600MPa，抗拉强度为640815MPa，采用树脂锚固剂全长锚固。钢筋梁用直径612mm以上圆钢制作，宽度90mm。钢筋网使用直径4mm或6mm的盘圆条或冷拨钢筋编织，网格尺寸为（40100）（40l00）（mm）。锚索为直径不小于17.78mm的低松弛预应力钢绞线锚索，顶板锚索长度范围为5.510.5m，两帮锚索长度范围为35m。支护形式如图1所示。图1 煤巷锚、网支护断面示意图实践表明，现有的支护其承载力完全能够满足煤巷支护及稳定需要，因此，研制的喷涂材料，只要起到封闭煤巷围岩，防止围岩风化、解决金属网锈蚀的作用即可。3 喷涂材料的研发3.1 作用机理本项目研究的是在水泥浆液中添加助剂，以此为喷涂材料。在助剂中，有一种材料是高分子聚合物的水分散体，它是一种水泥改性剂，是化工耐腐蚀材料。助剂加入水泥浆或水泥砂浆后，可成为高分子聚合物乳液改性水泥浆或水泥砂浆，具有防渗、防腐、护面和修补等作用。该喷涂材料浆液中聚合物膜弹性模量较小，它使水泥浆体内部的应力状态得到改善，可以承受变形而使水泥石应力减少，产生裂缝的可能性也减少。聚合物纤维越过微裂缝，起到桥架作用，缝间都有聚合物纤维相连，所形成的均质聚合物框架，作为填充物跨过已硬化的微裂缝，限制微裂缝的扩展，微裂缝常在聚合物膜较多处消失，显示聚合物的抗裂作用。另外，聚合物有减水作用，使砂浆的水灰比减小，聚合物膜填充了水泥浆体的孔隙，切断了孔隙与外界的通道，起到密封的作用。由于喷涂颗粒直径小，喷射时嵌入煤壁缝隙深度大。同时，喷涂层与煤壁、金属网之间具有较高的粘结强度，喷涂层有力保证了支护效果。3.2 配方材料及性能指标喷涂材料由水泥、环保型界面喷浆剂、复合固体添加剂和水组成。喷涂材料性能指标如下：（1）抗压强度：44.2MPa；（2）抗拉强度：6.1MPa；（3）抗折强度：11.4MPa；（4）极限延伸率：（282326）10-6；（5）抗拉弹性模量：1.4104MPa）；（6）收缩变形：53610-6；（7）与煤壁浆粘结强度：4.3MPa；（8）与钢筋粘结强度：0.91.6MPa；（9）渗水高度（1.5MPa水压,恒压24h）35mm；（10）磨耗百分率：3.97%；（11）快速碳化深度（20%C02浓度碳化20天）：0.8mm；（12）盐水浸后氯离子渗透深度：1.0mm；（13）碳弧灯全气候老化2160h：14；（14）2天吸水率：0.8%。 3.3 喷涂材料特点 由于水泥浆中没有游离态的水泥粉末，完全消除了喷射过程中的粉尘，改善了工作环境，有利于工人健康。 改善了喷射材料的品质，特别是提高了水泥浆液的均匀性。采用该技术时，水灰比可以准确控制，同时，回弹量小，配合比较易保持稳定。 由于成品水泥水分充分，粘稠性好，实现了添加材料的准确计量添加。4 喷涂设备及工艺4.1 喷涂设备4.1.1 喷涂设备配置喷涂设备采用ZB-200/4-22型注浆泵，注浆泵的电机功率为22kW，压力为6MPa，出浆量126L/min，重量650kg。搅拌系统采用J150型快速喷涂搅拌系统，两台联通实现循环作业。4.1.2 设备特性（1）防粘技术湿水泥基浆液料是粘结性很强的胶质基团，内外摩擦阻力都很大，容易与料腔内壁产生粘结，缩小过流断面，降低生产率，甚至发生堵塞。因此，该设备采取了防止浆液粘结的技术。（2）活塞推进式传送浆液技术通过推进阻力，减少单位长度管道内水泥基浆液的密度和粒径等措施，能够实现水泥基浆液在管道中的浮游输送特别称之为薄流输送。这种输送方式料流速度高、均匀稳定、喷头脉冲小，也不容易离析和堵管，因此稀薄流式水泥基浆液输送中最好的一种流动形式。4.2 喷涂施工4.2.1 施工人员组成上料：2人；喷射照明：1人；喷射手：1人；开泵及搅拌桶人员：1人（兼）；班长：人（兼）。4.2.2 现场准备（1）现场条件 对巷道顶、帮碎煤矸及附着物进行清理，对锚网扎丝等进行整理； 对巷道风水管路、电缆等进行保护； 开泵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。（2）设备及检查 ZB-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30m，自制喷枪2个； 运转前，检查注浆泵及配套设备，确保其正常运转； 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； 提前运料到喷涂地点，调整喷涂设备。4.2.3 喷涂工艺（1）湿混合料的拌制要求 原材料的称重允许偏差：水泥和各种添加剂均为2%； 混合料的搅拌：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。（2）喷涂工艺将满足要求的水泥、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： 按配比进行搅拌喷涂料，达到喷涂标准要求。 开动设备进行喷涂，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23次，把煤壁裂隙和金属网四周喷均匀。喷涂时按先顶后帮，从上向下的顺序进行。煤裸体表面喷层厚度为25mm。 喷涂后及时清理现场杂物，冲刷设备和管路。（3）喷嘴的操作 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。 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1.52.5m较为适宜。5 喷涂效果该项技术完全能到达封闭煤壁，防止金属网的锈蚀的作用，同时对加快施工速度、减少运输工作量和减轻工人的劳动强度，减少粉尘，改善工作环境，降低成本，具有非常明显的效果。与同水灰比普通水泥浆相比，性能指标大大提高： 喷涂材料粘结强度提高了3倍以上，因而附着力大大提高，抗老化性也相应提高； 抗折和抗拉强度分别提高了40% 及50%以上； 抗拉弹性模量降低大于37%以上，极限延伸率提高近2.5倍，收缩较小，且具有良好的抗裂和变形性能； 抗渗性提高115 倍、抗氯离子渗透能力提高8 倍以上、能耐酸及化学介质腐蚀； 喷涂材料无毒，无粉尘，回弹量极小，利于操作人员的身体健康； 煤喷层均匀、封堵完整、无漏洞； 小班平均能喷涂25m巷道，最高达40多m，比喷射混凝土施工速度快5倍以上； 支护费用较喷射混凝土每m降170元，且降低工人的劳动强度； 喷涂后，围岩表面严实，坚硬致密，光滑。喷射效果如图2所示。（a）顶板喷涂效果（b）两帮喷涂效果图2 喷涂施工效果照片6 效益分析 6.1 经济效益采用浆喷支护每小班平均喷射量为25m，喷射混凝土支护每小班平均喷射量为5m。采用喷射混凝土施工，平均费用为300元/m；采用喷涂施工，平均费用为130元/m，每m节省170元/m。 按鲍店煤矿每年喷涂量10000m计算，仅材料费用每年可节约170万元，喷涂施工10000m巷道可节约人工费用108万元，因此采用该项技术每年可节约材料和人工费总计278万元。6.2 社会效益喷涂施工在取得直接经济效益的同时，也可以取得客观的社会效益。主要体现在： 显著改善了施工环境，为施工人员的身体健康提供了用力的保障； 有效的降低了劳动强度，提高了工作效率，加快了施工速度； 减少了