新型快速薄噴沖的研制曹允欽;李洪;魏振全;魏尊義;白景峰【摘要】傳統(tǒng)嘖漿技術(shù)存在的諸多缺點制約了當(dāng)前巷道的掘進(jìn)速度和支護(hù)質(zhì)量，新型煤礦用噴涂材料采用有機(jī)一無機(jī)復(fù)合材料，結(jié)合了有機(jī)材料與無機(jī)材料的各項優(yōu)點.采用正交試驗法，分析原料組分的最佳配比.該新型材料結(jié)合新型噴漿技術(shù)極大地提高了噴漿的速度和質(zhì)量，改善了工作環(huán)境，同時降低了成本，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益.【期刊名稱】《現(xiàn)代礦業(yè)》【年(勤期】2014(000)002【總頁數(shù)】3頁(P114-115,118)【關(guān)鍵詞】噴漿;正交試驗;新型材料【作者】曹允欽;李洪;魏振全;魏尊義;白景峰【作者單位】棗莊礦業(yè)集團(tuán)田陳煤礦;山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院;棗莊礦業(yè)集團(tuán)田陳煤礦;棗莊礦業(yè)集團(tuán)田陳煤礦;棗莊礦業(yè)集團(tuán)田陳煤礦【正文語種】中文由于傳統(tǒng)的噴射混凝土技術(shù)存在施工速度慢、勞動環(huán)境差、材料消耗大、輔助運(yùn)輸量大、安全隱患多等諸多缺點，極大地制約了當(dāng)前采用錨噴支護(hù)的礦用井巷掘進(jìn)速度［1］。因此，有必要研制一種新型的性能優(yōu)良的礦用噴涂材料以提高支護(hù)強(qiáng)度，節(jié)約成本，優(yōu)化巷道支護(hù)工藝。煤礦井下巷道煤系地層大多為煤巖、砂巖、頁巖、泥巖及黏土巖，不僅巖石的力學(xué)性能較差，而且節(jié)理裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性不好。煤礦巷道圍巖中各種粒度的砂巖、砂質(zhì)頁巖或泥質(zhì)砂巖極易風(fēng)化，吸水軟化，甚至泥化、崩解和膨脹。煤礦井下空間狹小，環(huán)境惡劣，煤巖壁凹凸不平且潮濕，滲漏水普遍，巷道開挖后巖體產(chǎn)生變形，巷道掘進(jìn)過程中，會有瓦斯涌出或溢出。金屬網(wǎng)及錨桿、錨索外露端極易銹蝕，致使對圍巖的約束力降低。因此，巷道表面的封閉處理對保持巷道長期穩(wěn)定十分重要。噴涂材料必須滿足以下性能要求：噴涂速度快，對掘進(jìn)影響小，減少巷道施工中噴漿作業(yè)所用工時；黏結(jié)力強(qiáng)，能夠快速牢固粘接巖石、金屬材料、塑料等；封閉性好，能有效隔水，防止瓦斯溢出；噴層有較好的柔性，抗彎折、抗剪切強(qiáng)度高；噴涂施工時無粉塵、回彈率低；材料無毒無味，阻燃，抗靜電，安全環(huán)保；成本低，材料容易獲?。?］。根據(jù)對材料性能的要求，純無機(jī)類材料雖然成本低、無毒，但硬脆易開裂，粘結(jié)性差；而純有機(jī)高分子材料雖然彈性好、黏結(jié)力強(qiáng)、密閉性好，但本身含有的揮發(fā)性有機(jī)成分大多為易燃或有毒成分，而且材料本身耐老化性差，成本也較高。分析目前各類噴涂材料的組成，認(rèn)為只有復(fù)合材料才能達(dá)到煤礦井下巷道噴涂的要求，從控制成本的角度出發(fā)，以水泥基復(fù)合材料最為合適。水泥一聚氨酯、水泥一環(huán)氧樹脂、水泥一聚丙烯酸酯等水泥基復(fù)合材料有著優(yōu)良的黏結(jié)性、氣密性、柔韌性、耐候性、防水性，適用于制備復(fù)合改性多功能密封固化材料。通過試驗選擇低成本的聚合物及減少聚合物的添加量來有效降低聚合物水泥基復(fù)合材料生產(chǎn)成本［1-2］。正交試驗法是用正交表來安排和分析多因素試驗的一種數(shù)理統(tǒng)計方法［3］。采用這種方法可極大地降低試驗次數(shù)，試驗效果好，方法簡單實用，效率高。試驗選用丙烯酸酯共聚乳液作為有機(jī)組分，在水泥材料中摻入聚合物乳液后，聚合物與水泥或水泥水化產(chǎn)物相互發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，一些聚合物分子中的活性基團(tuán)與水泥水化產(chǎn)物中的離子產(chǎn)生了鉸鏈反應(yīng)，形成了分子鍵，引起了材料分子之間的力學(xué)性能改變，使該材料的物理性質(zhì)發(fā)生一系列變化，如剛性降低、抗壓強(qiáng)度降低、抗拉與抗彎折強(qiáng)度增加、柔性增加、變形能力提高、耐水性提高等。在噴涂材料中摻入一定比例的添加劑能有效改善噴涂材料的性能，常用添加劑有分散劑、懸浮劑、觸變劑等。粘結(jié)強(qiáng)度作為材料的主要考察指標(biāo)。影響材料粘結(jié)強(qiáng)度的基本因素有4個，每個因素又有不同的狀態(tài)，具體如下：A為粉煤灰用量（wt%，按水泥質(zhì)量），A1=5，A2=13，A3=20；B為速凝劑用量（wt%，按水泥質(zhì)量），B1=2，B2=3，B3=4；C為丙烯酸酯用量（wt%，按水泥質(zhì)量），C1=3，C2=6，C3=10；D為助劑用量（wt%，按水泥質(zhì)量），D1=2，D2=3，D3=4。通過試驗解決以下問題：①找出各因素對材料的粘結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)的影響規(guī)律；②各個因素中哪個水平最優(yōu)；③各個因素分別依照什么水平搭配起來，組成比較合適的配比條件，對粘結(jié)強(qiáng)度的提高最有利。該材料基礎(chǔ)原料為425硅酸鹽水泥，添加劑有粉煤灰、速凝劑、丙烯酸酯、助劑等，用量分別按照水泥質(zhì)量的百分比確定。根據(jù)材料的力學(xué)性能要求，通過正交試驗選擇噴涂材料中各原料的最佳配比，考察不同原料配比下噴涂材料的性能。試驗需要考慮的因素及水平見表1。試驗可選用三水平正交表L9（34），見表2。對試驗結(jié)果采用直觀分析法，首先采用極差分析法，試驗結(jié)果及分析見表3。為了更形象地得出實驗分析結(jié)果，也可采用趨勢圖法，見圖1。通過觀察試驗結(jié)果分析表，對各個因素的極差值大小進(jìn)行比較，估計各因素對于試驗結(jié)果的影響程度，可以確定各因素對粘結(jié)強(qiáng)度的影響順序。由粘結(jié)強(qiáng)度分布趨勢圖可直觀地看出：丙烯酸酯一項極差最大，達(dá)到0.96，說明丙烯酸酯的用量對于材料的最終性能影響很大；其次分別粉煤灰和速凝劑，極差為0.17，兩因素對材料性能的影響遠(yuǎn)小于丙烯酸酯；最后是助劑用量，對材料的最終性能影響較小。因此，確定各材料配比的優(yōu)先順序應(yīng)為C>A>B>D。根據(jù)優(yōu)先級，考慮因素和水平最優(yōu)配比為A2B1C3D3，即按質(zhì)量最佳比例為硅酸鹽水泥：粉煤灰：速凝劑：丙烯酸酯：助劑=100:13:2:10:4。3.1現(xiàn)場概況及材料設(shè)備田陳煤礦3下7105運(yùn)輸巷埋藏深度為740~920m,每層厚2.0~7.2m,局部含1~2層夾砰，直接頂為砂質(zhì)頁巖，厚0~5m,粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，水平層理松軟易冒落，普氏系數(shù)f=3~4;基本頂為中細(xì)砂巖，厚30m以上，f=8~10;直接底為粉砂質(zhì)泥巖，厚3~4m,f=3~5;該煤層沼氣涌出量為0.05m3/min，為低瓦斯區(qū)，煤塵爆炸指數(shù)為39.16%，為強(qiáng)爆炸煤層，煤層為二類自燃煤層，煤層自然發(fā)火期為66d；沿煤層頂板掘進(jìn)或托頂煤掘進(jìn)時，采用不規(guī)則斷面：凈寬為4000mm，凈高為3200mm，掘進(jìn)斷面積為14.7m2，凈斷面積為13.6m2;巷道主要充水水源是煤層頂?shù)装迳皫r水，類比預(yù)測掘進(jìn)期間最大為70m3/h，正常涌水量為30m3/h[4]。噴漿機(jī)采用IPBQ-40/6氣動單液噴（注漿）漿泵，原料有快速薄噴復(fù)合劑（內(nèi)含有機(jī)材料、助劑、速凝劑等），水泥（型號為425），粉煤灰和水，按質(zhì)量比例為15：100：13：70。3.2施工技術(shù)要求噴射順序為先幫后頂，從幫基開始自下而上進(jìn)行，噴槍頭與受噴面盡量保持垂直，垂直距離以1.0~2.0m為宜。拌料時先加入約70L水，然后加入一袋15kg快速薄噴復(fù)合劑，最后加入100kg水泥和13kg粉煤灰，開機(jī)攪拌至糊狀。噴漿機(jī)的供風(fēng)壓力為0.6MPa，噴射過程中應(yīng)根據(jù)出料量的變化，及時調(diào)整槍口出漿量。3.3應(yīng)用效果及分析從應(yīng)用效果來看，采用以上配比與工藝噴涂厚度為2mm，每小班能噴20-35m,噴漿厚度適中，噴層膠結(jié)好，結(jié)構(gòu)致密，封閉效果好，表面光滑，回彈量小，凝固快，粉塵少，極大地提高了煤礦巷道噴漿速度和質(zhì)量。噴涂效果對比見表4。采用該技術(shù)時，水灰比可準(zhǔn)確控制，由于成品水泥水化充分，粘稠度好，實現(xiàn)了材料的準(zhǔn)確計量添加。新型噴涂材料與煤巖壁及金屬網(wǎng)粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到2MPa以上，附著力強(qiáng)，抗老化，不脫落，能有效防止煤巖層風(fēng)化和金屬網(wǎng)銹蝕；收縮較小，且具有良好的抗裂和抗變形性能。噴涂材料無毒，阻燃，抗靜電，安