微信公众号
关于我们
下载中国能源APP
最新成果丨张农教授:煤矿巷道喷涂柔膜技术及适用性

煤炭科学技术03-04

 

本文创新点

结合锚杆支护中常规金属网、喷射混凝土护表存在的问题,提出并介绍了喷涂柔膜(简称喷膜)技术。                      
(1)开展了喷膜材料的拉伸性能测试,揭示了其承载响应快、变形能力大的力学特性;通过直接拉拔法测试了喷膜与红砂岩基体的法向黏结性能,结果表明喷膜具有良好的粘结强度;开展了块体承载能力测试,评估了喷膜的块体承载能力。                      
(2)基于煤矿巷道工程特点,探讨了喷膜潜在的围岩封闭、金属支护构件封闭、注浆时壁面封闭等密闭作用,对喷膜与网、喷射混凝土的具体支护性能开展了详细的对比分析,认为喷膜在大多数指标中表现优异,尤其在施工方面具有明显优势。                      
(3)讨论了喷膜在煤矿巷道锚杆支护中应用的原则,分析了喷膜在锚杆支护中的功能定位和工程条件限定,为喷膜在煤矿巷道锚杆支护中的应用提供了参考。                      


作者简介      

     


     
     

     
         

         
张 农          
    教 授        
       
张农(1968—),安徽金寨人。采矿工程专家,中国矿业大学智能掘进与岩层控制团队负责人、博士生导师。江苏师范大学副校长。入选国家万人计划科技创新领军人才、国家创新人才推进计划中青年领军人才、教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队带头人、新世纪百千万人才工程国家级人选。        
张农教授专注于矿山压力与岩层控制理论和应用技术研究,主持国家自然科学基金重点项目、国家重点基础研究发展计划课题、教育部创新团队项目及国家省部人才资助项目10余项,承担企业合作攻关项目100余项,在煤矿采动巷道主动控制原理与技术、沿空掘(留)巷、锚杆支护和智能快掘等方向取得重要进展,发明层状顶板楔形整体控制方法和动态分级强化技术,创新高性能锚杆、钢绞线预拉力桁架、柔性锚杆等主动式高强预应力支护技术,构建了解决我国复杂煤矿巷道围岩控制的专利群,显著推动了相关领域的工程技术进步。公开发表SCI检索论文70篇、EI检索论文103篇;出版专著6部;授权国内发明专利104件、国外专利26件。培养毕业博士22名、硕士100余名。已获得国家科技进步二等奖2项、省部级科技进步一等奖9项,其它省部级奖20余项。已获中国青年科技奖(2006)、江苏省十大杰出青年(2008)、国务院特殊津贴人员(2010)、光华工程科技奖青年奖(2012)、全国先进工作者(2015)等荣誉称号。        


作 者

张 农1,2,3,魏 群,吴建生                                    


单 位

1.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室;2.中国矿业大学 矿业工程学院;3.江苏师范大学开放实验室;4.江苏理工学院 机械工程学院;5.南京科工煤炭科学技术研究有限公司

作 者

                     

扫码阅读全文                      
摘   要                        

结合锚杆支护中常规金属网、喷射混凝土护表存在的问题,提出喷涂柔膜技术( 简称喷膜)。总结了喷膜技术的发展过程和国内外研究现状。开展了喷膜在不同养护期的拉伸性能测试,分析了材料的拉伸应力-应变关系,揭示了喷膜材料承载响应快、变形能力大的力学特性,进而确定了一种适用于煤矿巷道的非反应型聚合物水泥基喷膜材料。通过直接拉拔法,测试了喷膜与红砂岩基体的法向黏结性能,结果显示破坏均发生于基体内部,表明喷膜与基体之间具有良好的黏结强度。开展了喷膜的块体承载能力测试,分析了喷膜承载的不同阶段,获得了被测喷膜的线性承载能力指标,基于所获得的指标对喷膜的块体承载能力进行了评估,认为喷膜理论上具有强大的块体承载能力。基于煤矿巷道工程特点,探讨了喷膜潜在的围岩封闭、金属支护构件封闭、注浆时壁面封闭等密闭作用,在承载及时性、承载能力、变形能力、与围岩表面贴合性、施工性能、结构性作用、密闭性能等方面,对喷膜与网、喷射混凝土开展了详细的对比分析,认为喷膜在大多数指标中表现优异,尤其在施工方面具有明显优势。进一步讨论了喷膜在煤矿巷道锚杆支护中应用的原则,分析了喷膜在锚杆支护中的功能定位和不能适用的3 种典型工程条件,为喷膜在煤矿巷道锚杆支护中的应用提供了参考。

                           

研究背景

我国煤矿巷道支护主要采用锚杆支护,网的作用是与托板、钢带等构件将锚杆的预应力扩散到距离锚杆更远的围岩中,防止锚杆之间的小尺寸松脱岩石块体脱离原位,进而维持支护体-围岩系统的稳定。锚杆支护体系下对围岩初期松动变形的有效控制十分重要,然而普通金属网必须在围岩发生相当的变形量(可能数十厘米)之后才能起到承载和支护作用;煤矿巷道围岩表面难以保证良好的平整度,网与岩面之间无法实现良好的贴合,难以及时承载。锚杆的施工基本实现了机械化,然而网的安装作业机械化程度低,给巷道支护效率、安全性带来挑战。喷射混凝土是另外一种表面支护方式,主要作用是封闭围岩防止风化,同时发挥改善围岩和支护结构的应力状态、防止破碎围岩中岩石掉落等力学作用。然而,煤矿巷道一般变形量大,深井软岩巷道掘进期间围岩变形甚至达数百毫米,而喷射混凝土属于脆性材料,巷道来压后喷层因不能承受大的拉应力会发生拉伸破坏,无法对巷道围岩的稳定起到支护作用;同时破坏、脱落的喷层自身也易成为安全隐患。此外,喷射混凝土的施工还存在一些问题,如施工粉尘大、施工速度慢、回弹率高、用工量大、物料运输量巨大等问题。针对锚杆支护体系,对新型护表方法、材料开展研究具有重要意义。

内容概要

1 喷涂柔膜技术特征

基于材料的上述性能和施工特点,从工程特性的角度认为“喷涂柔膜”包含了更为完整和准确的工程语义。其中,“喷涂” 体现了该技术的施工特点,包含了材料与岩体的黏结性,以及能够适应不平整岩体表面的特性,显示了与网等卷材的不同;“柔”表明材料具有变形能力,有别于脆性的喷射混凝土;“膜” 体现了极小的施工厚度。基于上述分析,对喷涂柔膜技术的再定义如下:通过喷涂的施工方式,将高分子材料或高分子复合材料施加至围岩表面,固化后形成与基体紧密黏结且具有变形能力薄层的技术。以下以“喷膜”作为简称。喷膜材料一般分为反应型和非反应型。                        

2 喷涂柔膜技术研究进展

2.1  国外研究进展

2.1.1  力学性能测试

1)拉伸性能测试。                        
2)黏结性能测试。                        
3)抗剪切性能测试。                        

2.1.2  支护作用

2.2  国内研究进展

虽然学者们针对喷膜的支护效果开展了一些研究工作,但是由于喷膜与混凝土相比厚度很小,且其表现出明显的柔性,因此其支护效果仍受到怀疑;将喷膜用于矿山支护时,也缺乏广泛接受的测试、设计、施工依据。在煤矿条件下,尤其是作为支护方法的应用案例和原理研究还比较少。                        

3 矿用喷膜材料的选择

3.1  拉伸性能

3.2  法向黏结性能

3.3  块体承载特性

                       

图1 拉伸测试试样                        

                       

图2 不同养护期下的抗拉强度                        
                         
图3 不同养护期下的应力-应变曲线                        
                         
图 4 法向黏结强度测试                        

                       

图 5 拉拔破坏后的铝锭底部                        

                       

图 6 块体承载能力测试                        

                       

图7 养护1d时试样的位移-载荷曲线

                         

                       

图 8 块体承载测试的 4 个阶段

                         

图 9 模拟松脱岩体的半球体

3.4  潜在密闭作用

喷膜的潜在密闭作用首先体现在对开挖后的围岩进行密闭防止风化。地下岩体开挖后与空气接触,岩石颗粒之间的胶结容易因风化而削弱,进而形成和加剧岩体裂隙,降低岩体的物理力学指标。开挖后的围岩表面施工喷膜形成屏障,可以阻止巷道空气中水分的侵入,防止围岩的弱化。当与锚杆支护配套使用时,喷膜对金属支护构件实现包裹,可以阻止空气中水汽对构件的侵蚀,防止构件锈蚀、弱化,进而提高锚杆支护系统的可靠性。此外,注浆时对围岩表面封闭防止跑浆也是喷膜的潜在密闭作用之一。

4 喷膜与常见护表性能对比

4.1  承载及时性

4.2  承载能力

4.3  变形能力

4.4  与围岩表面的贴合性

4.5  施工

4.6  结构性作用

4.7  密闭作用

                       

图10  护表下沉0.15个单位时的状态

                       

图11 网与喷涂柔膜承载能力示意

                       

图12 不同护表方式的承载和变形情况

                       

图13 不同护表方式对围岩表面的贴合

表1 不同护表方式的性能对比

                         

5 喷膜的适用性评价

5.1  应用原则

煤矿现场对喷膜作为一种支护方式的主观接受需要一个过程,喷膜在锚杆支护中的应用应该循序渐进:先在简单的工程条件下试                        

用,继而进行总结、改进并扩展至其他条件。

5.2 潜在应用

1)在特定的条件下取代厚层喷射混凝土。                        
2)在特定条件下取代金属网。                        

5.3  施工的受限条件

1)巷道围岩已经严重破碎时。

2)岩体有淋水时。

3)表面已经弱化或有大量粉尘堆积的软弱岩体。                        

结 论

1)典型的喷涂柔膜在拉伸测试中表现出及时承载、大变形特性,与岩石基体可良好地黏结,这对于及时发挥承载作用、适应煤矿岩体的大变形特性是有利的。                                  
                                 

2)块体承载时,喷膜能够在块体移动初期快速建立强度,承载能力指标表明,喷膜具有良好的块体承载潜力。

3)喷膜能够及时承载,但是承载能力弱于喷射混凝土和网,且无法发挥结构性作用;在施工方面明显优于现有的护表方式;与网相比,其优越性还体现在能够适应煤矿巷道的不平整岩面。

4)喷膜在煤矿井下的应用应遵循循序渐进的原则,可以首先在不需要发挥结构性作用时代替喷射混凝土,或者在地质条件良好时部分取代网。此外,喷膜可以与现有护表方式组合使用。


                     
引用格式                      

                     

张农,魏群,吴建生.煤矿巷道喷涂柔膜技术及适用性[J].煤炭科学技术,2022,50(1):78-85.
ZHANG Nong,WEI Qun,WU Jiansheng.Spray-on membrane technology and its applicability in coal mine roadways[J].Coal Science and Technology,2022,50(1):78-85.



免责声明:以上内容转载自煤炭科学技术,所发内容不代表本平台立场。
全国能源信息平台联系电话:010-65367702,邮箱:hz@people-energy.com.cn,地址:北京市朝阳区金台西路2号人民日报社
 

原网页由中国能源转码,点击 查看原文

相关资讯