煤炭科学技术03-04
本文创新点
作 者
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
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
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
2.1.2 支护作用
2.2 国内研究进展
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
用,继而进行总结、改进并扩展至其他条件。
5.2 潜在应用
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。
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。
结 论
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.
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