一种反应型树脂薄喷材料煤矿巷道表面支护方法

技术领域

本发明属于煤矿巷道表面支护技术领域，尤其涉及一种反应型树脂薄喷材料煤矿巷道表面支护方法。

背景技术

目前我国煤矿井下巷道每年掘进长度约为12 000km，其中锚网支护占总长度70％以上。锚网支护基础体系主要为锚、网、喷联合支护，其中，锚杆与围岩形成锚固结构体维护巷道稳定性；混凝土喷涂层形成壳结构具有一定承载能力，但脆性高耐用性差，不适合变形量大的巷道，一般用于岩巷或硐室；钢网主要作用是护表即接住垮落的围岩，但其不具备主动护表能力即不能限制煤岩的微小变形，同时金属网的安装是劳动密集作业，难以机械化和自动化。

树脂薄喷(Thin Spray-on Liners，简称TSL)是一种通过喷涂聚合物薄膜进行表层防护的应用技术。聚合物喷涂层具有良好的气密性和延展性，自上世纪80年代在喷射混凝土工程中用于防水和防漏风。我国矿业1990年代开始TSL密闭工程应用，于2009年开始巷道支护TSL的研究。支护型TSL材料也分为反应型和非反应型两种，目前我国在我国已有应用的支护TSL为非反应型材料即水泥基基料添加聚合物改性，此类TSL材料强度发展慢、黏结力低、结构脆性高，无法针对多种巷道类型满足不同的支护设计需要。

反应型支护TSL(Reinforcing Polymeric Thin Spray-on Liners，简称RPTSL)，材料基底为聚氨酯或环氧树脂在不同配比及添加剂的作用下进行改性。在护表方面，RPTSL不但将围岩表面黏结在一起，而且还可以进入表层裂隙，使表层裂隙发育岩体重新成为较为完整岩体。另外，RPTSL在巷内形成壳结构，通过与围岩相互作用增加巷道稳定性，是金属网不具备的。RPTSL材料具有很好的早强性及广泛的强度和柔韧性取值空间，可产生多种支护性能组合满足不同设计需要，解决了非反应型TSL材料力学性质对表面支护的限制。在工艺方面，RPTSL喷涂作业简单快捷、自动化程度高，在巷道快速掘进、锚护作用自动控制、掘进工作面无人化和智慧矿山建设方面存在明显优势。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种反应型树脂薄喷材料煤矿巷道表面支护方法。

一种反应型树脂薄喷材料煤矿巷道表面支护方法，具体包括以下步骤：

步骤1：确定矿井地质条件，根据围岩的具体情况，确定反应型树脂薄喷材料支护方式；所述反应型树脂薄喷材料选用两种反应型树脂薄喷材料：RPTSL 1和RPTSL 2，所述RPTSL 1是聚氨酯基底双组份材料，其中双组分材料为聚醚多元醇和改性添加剂组成的A料以及异氰酸酯B料；所述RPTSL 2为环氧树脂基底双组份材料，其中双组分材料中A料为环氧氯丙烷，B料为双酚A及多元醇。

步骤2：确定RPTSL喷层的厚度；

步骤3：根据不同的工况条件选择双组份中A、B料的比例，然后用RPTSL薄喷机对巷道顶板和两帮进行一次性施工喷涂，进行作为临时支护；

步骤4：在RPTSL喷层临时支护后，进行锚杆、锚索支护；

步骤5：针对变形量较大巷道即巷道两帮移近量超过300mm或顶板下沉量超过300mm，同时伴有冲击危险性即单向应力超过20MPa进行二次喷涂，其它情况省略本步骤；二次喷涂采用RPTSL 1材料进行补强支护，厚度10mm一次性喷涂；

步骤6：随着巷道掘进产生新的断面，重复步骤1～步骤5。

所述步骤1中的支护方式为：

情况1：如果巷道仅有节理发育和大变形，仅喷涂RPTSL 2材料作为临时支护，然后进行锚杆支护；

情况2：如果巷道为高地应力巷道即单向应力超过20Mpa，选择一次性喷涂RPTSL 1材料作为临时支护，然后进行锚杆支护；

情况3：如果巷道情况良好：既没有大变形也没有用高地应力，那么仅为了取代金属网临时支护，可以任意选择两种材料的一种一次性喷涂4mm作为临时支护，然后进行锚杆支护；

情况4：针对变形量较大巷道即巷道两帮移近量超过300mm或顶板下沉量超过300mm，同时伴有冲击危险性即单向应力超过20MPa，先用剪切能力和黏结性好的RPTSL 2一次喷涂控制早期的巷道变形，再针对高地应力，在锚杆支护结束后一次性喷涂承载能力强吸能效果好的RPTSL 1材料进行二次喷涂，选择厚度10mm进行一次性喷涂。

所述步骤2和步骤5中喷层厚度的确定方式为：针对变形量较大巷道即巷道两帮移近量超过300mm或顶板下沉量超过300mm，应提高喷层的变形能力，A料与B料的比例为1：2；而对地应力较高的巷道即巷道三向应力，单一方向应力超过20MPa，应提高喷层的强度，A料与B料的比例为2：1；其余工况A料与B料的比例为1：1。

本发明的有益效果是：本发明可以有效防护锚杆间的无支护区域，同时也加大了锚杆支护的作用范围；同时RPTSL材料有较好的密封能力，可以防止包括锚杆，托盘在内的支护组件的锈蚀；用RPTSL薄喷支护可以取代金属网，省去了挂网的过程，让表面支护可以更容易实现机械化，为支护智能化创造有利条件。

附图说明

图1为本发明中RPTSL喷层支护原理图；

图2为本发明中RPTSL材料典型力学性能曲线；

图3为本发明中支护性能对比试验典型载荷-位移曲线；

图4为本发明中RPTSL材料抗压强度随时间变化曲线；

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明的技术方案和效果作详细描述。

一种反应型树脂薄喷材料煤矿巷道表面支护方法，具体包括以下步骤：

步骤1：确定矿井地质条件，根据围岩的具体情况，确定反应型树脂薄喷材料支护方式。

所述反应型树脂薄喷材料选用两种反应型树脂薄喷材料：RPTSL 1和RPTSL 2，所述RPTSL 1是聚氨酯基底双组份材料，其中双组分材料为聚醚多元醇和改性添加剂组成的A料以及异氰酸酯B料；所述RPTSL 2为环氧树脂基底双组份材料，其中双组分材料中A料为环氧氯丙烷，B料为双酚A及多元醇。

为了验证上述两种反应型树脂薄喷材料的性能及反应型树脂薄喷材料支护的可行性和优势，对其进行了实验室试验及验证：首先对RPTSL护表机理进行分析，然后根据RPTSL护表机理对两种反应型树脂薄喷材料的重要力学性能开展实验室试验，最后对反应型树脂薄喷材料和金属网的支护效果进行实验室试验研究，从而证明RPTSL支护技术的可行性和优势。实验中RPTSL 1材料的双组份A、B料的配比为1:1，RPTSL 2材料的双组份A、B料的配比为1:1。

(1)RPTSL支护机理

RPTSL喷层在护表过程中可分为如图1所示的3个变形阶段：黏结阶段，挠曲阶段，薄壳效应阶段。喷涂初期RPTSL粘结围岩表面及表层裂隙，RPTSL喷层与围岩间的黏结强度是衡量其支护性能的重要参数；围岩开始变形后RPTSL进入挠曲变形阶段，RPTSL材料的抗拉和抗剪性能决定喷层与围岩耦合度；围岩进一步变形、甚至与RPTSL材料脱粘后，喷层进入薄壳效应阶段，壳结构的承载能力主要取决于材料的抗压强度。因此，RPTSL材料的抗压、抗拉、抗剪以及和围岩的黏结强度是其支护性能最重要的力学参数。

(2)RPTSL材料力学性能实验室试验

通过机理分析可知，RPTSL材料的抗压、抗拉、抗剪以及和围岩间的黏结强度是衡量其支护性能的重要力学参数。因此针对上述4项力学性能进行试验，测试上述两种反应型树脂薄喷材料，并把煤矿常用的高分子封堵材料马丽散作为对照试样，将对照试样标记为MLS 3。各项性能的典型强度曲线如图2所示，计算结果如表1-2所示，试验具体如下：

A.反应型树脂薄喷材料力学性能试验：

(1)抗压试验：

抗压试验试样为40mm立方体试样。MLS 3在制备过程中发泡发热明显，试样孔多而密；RPTSL 1制备过程中发泡发热不明显；RPTSL 2制备过程中仅产热没有发泡现象。所有试样均在室温下固化7天后进行测试。试验机选用WAW-600C型微机控制电液伺服万能试验机，加载采用位移控制模式，加载速率为1mm/min。

如图2中图(a)所示，RPTSL 1材料的平均抗压强度为52.6MPa，在应变区间0.3～0.4发生轻微破坏，但无脆性破坏。RPTSL 2的平均抗压强度为32.89MPa，为一种刚性材料，在应变区间0～0.1间发生脆性破坏。如图2中图(b)所示，MLS 3遭受压应力时表现为柔性材料，试验中应变超过0.8，其抗压强度大于6MPa。

两种反应型树脂薄喷材料的平均抗压强度均>30MPa，是对照双组分MLS 3的5-8倍。

(2)抗拉试验：

基于ASTM标准，将抗拉试样制成总长200mm、夹持端长50mm、直径30mm，测试段长100mm、直径20mm的“骨棒”试样，由于MLS 3孔多而密无法制作试样，因此只对两种反应型树脂薄喷材料进行了测试。试验机仍使用WAW-600C型微机控制电液伺服万能试验机，加载方式为位移控制，试验速率为1mm/min。

如图2中图(e)所示，RPTSL 1材料的平均抗拉强度为12.73MPa，且所测试样的断裂伸长率均大于5％，在应变区间0.05～0.07发生断裂，破坏断面为粗糙断面，非平滑断面，因此可以判断RPTSL 1发生了塑性破坏而非脆性破坏。RPTSL 2材料的平均抗拉强度为8.65MPa，且所测试试样的断裂伸长率均小于2％，在应变区间0～0.01发生断裂，破坏断面平滑，因此可以判断TSL2发生脆性破坏。

比较两种反应型树脂薄喷材料发现，RPTSLR 1的平均抗压和抗拉强度均大于RPTSL 2，而且，受压和受拉延展性也高于RPTSL 2，即RPTSL 1与RPTSL 2在抗压峰值处的平均应变分别为0.36和0.09，RPTSL 1拉断裂的伸长率是RPTSL 2的5倍。RPTSL 1的抗压和抗拉力学表现均优于RPTSL 2，显示所形成的壳结构具有更好的支撑能力。

(3)剪切试验：

根据岩石力学试验标准中煤与岩石抗剪试验进行了设计，制备50mm立方体试样，对两种反应型树脂薄喷材料和对照材料MLS 3进行测试，试样制备完成后在室温下固化7天后开始试验。使用变角剪切夹具，在5个不同角度下对试样进行剪切，分别是42°、50°、58°、66°和74°，加载速率为1mm/min。

根据岩石力学变角法剪切试验计算得到三种材料不同角度下的正应力与剪应力，计算公式如式(1)、(2)所示，计算结果如图2中图(c)：

式中：σ—正应力，MPa；τ—剪应力，MPa；P—试样剪切破坏载荷，kN；F—剪切面面积，cm

根据图2中图(c)剪切强度曲线所示，计算内聚力和内摩擦力，这两个参量直接影响材料的剪切能力，计算公式如下：

τ＝C+σ·tanφ (3)

式中：σ—正应力，MPa；τ—剪应力，MPa；Φ—剪切强度曲线的倾角，即试样的内摩擦角；C—剪切强度曲线在剪应力轴上的截距，即试样的内聚力；

根据计算，RPTSL 1最大的剪应力为20.74MPa，内聚力为6.15MPa，内摩擦角为33.60°；RPTSL 2最大剪应力为30.78MPa，内聚力为17.17MPa，内摩擦角为25.89°；MLS 3最大剪应力为2.38MPa，内聚力为0.34MPa，内摩擦角为56.79°。MSL 3试样在剪切角为42°以及50°试样由于塑性变形和能力强没有被剪坏，而RPTSL 1和RPTSL 2试样各剪切角度均可剪断，并且如图2中图(d)应力位移曲线中可以看出，RPTSL比材料RPTSL 1有着更好的抗剪能力，而RPTSL 1材料则有着更好的延性即塑性变形能力。抗剪强度高有利于控制围岩错动产生的巷道变形，对一些节理发育围岩体具有较好的岩层控制能力。

(4)煤基底黏结强度试验：

TSL与基底之间的黏结破坏模式为以下4种：

破坏模式1：这种破坏发生在煤岩基底的内部，是由于TSL涂层的黏结强度和抗拉强度超过了基底的抗拉强度并导致了基底内部的破坏。

破坏模式2：破坏发生在TSL和煤岩基底之间的界面处。这种类型的失效是真正拉伸黏结强度引起的。

破坏模式3：这种类型的破坏发生在TSL材料内部。这是由于TSL与煤岩基底之间的拉伸黏结强度高于TSL本身的抗拉强度。

破坏模式4：这种类型的破坏发生在刚拉头和TSL界面处，这种情况说明煤岩基底与TSL的黏结强度强于钢拉头与TSL之间的黏结强度。但这一破坏模式在后续试验中并没有发生。

将煤基底加工成150mm立方体试样放入拉伸工装，钢拉头黏结端长宽为120mm，厚度为10mm，TSL材料涂层厚度为5mm，试验机仍使用WAW-600C型微机控制电液伺服万能试验机，加载方式为位移控制，试验速率为1mm/min。

如图2中图(f)所示，RPTSL 1材料的平均黏结强度为1.63MPa、RPTSL 2平均黏结强度为1.85MPa、MSL 3的平均黏结强度为0.88MPa，可以看出RPTSL 2则比RPTSL 1有着黏结强度，RPTSL 2材料的黏结强度更高，能在喷涂初期更好地将围岩表面粘结为整体，降低早期的变形；但RPTSL 1具有更好的延性，拉伸位移更大。

如图4所示为RPTSL 1材料典型强度随时间变化曲线，以RPTSL 1材料为例，从图中可看出在1、7、14、28天固化时间下，RPTSL材料的抗压强度变化不大，与国内已有应用的非反应型TSL材料进行对比，相较非反应型TSL有极好的早强优势，可以适用于不同的地质条件的巷道表面支护。反应型树脂薄喷材料在黏结强度相近的情况下，抗压和抗拉强度均高于非反应型TSL材料，说明了RPTSL材料有更加优秀的强度和韧性取值空间。

表1力学性能试验结果

B.与金属网支护能力对比试验：

为研究RPTSL涂层和金属网护表的具体效果，以褐煤为基底进行了RPTSL 1喷层和矿用常见菱形网的承载能力对比试验，并用无护表试样进行对照。选择试样尺寸为200×200×200mm的两个褐煤试样，并在试样中心钻直径为50mm的圆孔，分别把RPTSL 1材料和菱形网布置在试样1和试样2褐煤基底的预留圆孔内，RPTSL 1材料的双组份A、B料的配比为1:1，喷层厚度为5mm，并把无护表空白试样作为对照试样。试验机为WAW-600C型微机控制电液伺服万能试验机，加载方式为位移加载，加载速率1mm/min，试验过程中用散斑照相机对试样表面位移和应变进行监测，监测结果如图3典型的载荷-位移曲线所示，根据监测结果对三个试验的有效刚度进行计算，从而来衡量试样的承载能力，计支护性能具体试验结果如表2所示：

表1与金属网支护能力对比试验结果

从典型载荷-位移曲线和试验结果中得出，对照试样破坏载荷为111.55kN，峰值载荷为118.49kN。菱形网护表试样破坏载荷为116.35kN，峰值载荷为119.89kN。RPTSL 1护表试样破坏载荷为150.87kN，峰值载荷为171.26kN。从峰值载荷与破坏载荷方面比较，可知菱形网护表试样与对照试样结果相近，而RPTSL 1护表试样在峰值载荷上相较无护表对照试样提高了44.54％，在破坏载荷上提高了35.24％。并且从典型载荷-位移曲线上可看出，无护表对照试样在发生破坏后，没有后续承载能力，而菱形网护表试样和RPTSL 1护表试样展现出相似的破坏行为，在试样达到破坏载荷后，展现出一定残余强度，直至达到峰值载荷试样完全破坏，且RPTSL 1试样有更高残余强度。有效刚度计算结果显示为对照试样的有效刚度为7.38kN/mm，菱形网护表试样的有效刚度为14.75kN/mm，RPTSL 1护表试样的有效刚度为16.50kN/mm。从结果中可看出，RPTSL 1喷层相较于菱形网有相似承载作用和更强的护表能力，RPTSL 1护表试样破坏后，RPTSL1曲线达到破坏载荷后出现了脱黏破坏，继续加载，在达到峰值载荷的过程中出现了拉剪破破坏，验证了TSL支护机理分析中TSL喷层变形3阶段：首先是黏结阶段即1阶段，即从加载到破坏载荷，发生脱黏破坏(这中间喷层自身要适应煤体变形也在受拉剪即2阶段，但从上述的基础性能试验可以看出，黏结强度相对于拉剪强度要低，所以先发生了脱黏破坏)；然后脱离开煤体的喷层就变成了一个薄壳结构，在适应围岩变形的同时壳承载结构也在不断受压(变形2，3阶段)，喷层的抗压强度又要强于拉剪强度，因此在载荷不断加大的过程中喷层发生了拉剪破坏，直至达到峰值载荷试样完全破坏。RPTSL材料代替金属网符合煤矿智慧化的发展，能有效解决掘进过程中，挂网难无法机械化智慧化的问题。

通过试验结果可知，RPTSL 1材料有着更好的抗压、抗拉性能，高抗压强度让其在薄壳效应阶段有着更好的承载能力，可以有效支撑垮落围岩，同时在有较好塑性变形能力的同时还兼具较高的强度，因此材料韧性更好，吸能能力强，因此RPTSL 1材料适合用于围岩垮落严重和具有冲击危险性的矿井；而RPTSL 2材料有着更好的黏结强度和抗剪强度，能有效阻止围岩早期变形和黏结破碎围岩，因此RPTSL 2材料适用于一些节理发育围岩和围岩间错动较大造成的巷道变形；对于巷道围岩破碎严重且围岩强度较低的巷道，可以用两种RPTSL材料搭配使用，用RPTSL 2材料控制早期形变，使破碎围岩黏结为整体，然后用RPTSL 1材料针对后面可能发生的围岩的变形，垮落和可能发生的地质灾害。

因此，具体的支护方式为：

情况1：如果巷道仅有节理发育和大变形，仅喷涂RPTSL 2材料作为临时支护，然后进行锚杆支护；

情况2：如果巷道为高地应力巷道即单向应力超过20Mpa，选择一次性喷涂RPTSL 1材料作为临时支护，然后进行锚杆支护；

情况3：如果巷道情况良好：既没有大变形也没有用高地应力，那么仅为了取代金属网临时支护，可以任意选择两种材料的一种一次性喷涂4mm作为临时支护，然后进行锚杆支护；

情况4：针对变形量较大巷道即巷道两帮移近量超过300mm或顶板下沉量超过300mm，同时伴有冲击危险性即单向应力超过20MPa，先用剪切能力和黏结性好的RPTSL 2一次喷涂控制早期的巷道变形，再针对高地应力，在锚杆支护结束后一次性喷涂承载能力强吸能效果好的RPTSL 1材料进行二次喷涂，选择厚度10mm进行一次性喷涂。

本实施例的矿井掘进工作面，巷道高度4m、宽5m、巷道长度200m，在巷道掘进后，巷道围岩由三向应力状态变为两向应力状态，巷道表面围岩由原岩应力区变为塑性区，巷道表面围岩会出现破裂，且破裂趋势会继续蔓延，围岩破碎严重，节理发育并且埋深较大，地应力较高，有一定的冲击危险性。因此本实施例的巷道为上述情况4中的变形量较大巷道即巷道两帮移近量超过300mm或顶板下沉量超过300mm，同时伴有冲击危险性即单向应力超过20MPa，因此先采用RPTSL 2材料进行支护，RPTSL 2材料有着较好的抗剪能力和黏结强度，可以有效组织围岩初期的变形。

步骤2：确定RPTSL喷层的厚度：薄喷层厚度控制在4-10mm，其中针对变形量较大即巷道两帮移近量超过300mm或顶板下沉量超过300mm的矿井选取4mm或5mm，增强喷层的变形能力；而对于高地应力矿井、有冲击危险性的巷道，应增加厚度提高喷层的承载能力以及吸能能力，选取厚度应为9mm或10mm。本实施例的巷道为步骤1中所给出的支护方式中的情况4，因此第一次的喷涂厚度为4mm。

反应型RPTSL喷层承载能力的一个重要指标是“压缩性-柔性”比，针对半圆形巷道其定义为：

其中：R为巷道半径，t为喷层厚度；可知增大喷层厚度会影响其承载能力，降低喷层的抗拉，抗剪以及抗压性能。因此要控制喷层厚度在适当范围内，针对一些破碎严重的围岩，可适当增加喷层厚度，使RPTSL材料渗入黏结，但表面仍保持确定好的厚度。

步骤3：根据不同的工况条件选择双组份中A、B料的比例：针对变形量较大巷道即巷道两帮移近量超过300mm或顶板下沉量超过300mm，应提高喷层的变形能力，A料与B料的比例为1：2；而对地应力较高的巷道即巷道三向应力，单一方向应力超过20MPa，应提高喷层的强度，A料与B料的比例为2：1，其余工况A料与B料的比例为1：1。

通过改变AB料的比例可以取得增加喷层强度、增加弹性或者降低发泡、降低反应温度效果，本实施例中RPTSL 2材料的双组份A、B料的配比为1:2；然后用RPTSL薄喷机对巷道顶板和两帮进行一次性施工喷涂，进行作为临时支护，本实施例中喷涂速度为0.95L/min～11.4L/min，将RPTSL 2进行4mm一次性喷涂。

在喷涂过程中，由于RPTSL材料为双组份反应型材料，基底为环氧树脂或聚氨酯，固化时间快，因此采用专业的RPTSL薄喷机进行施工，所述专业的RPTSL薄喷机为市购的机械配比双组份喷涂设备系统，型号为：M280-2WD69-P2k-JX-C，其具有流体加热器，可以有效降低双组份材料粘度，有效解决喷涂过程中材料固化速度快对施工造成的不利影响，同时可对双组份材料的搭配比例进行控制。

步骤4：在RPTSL喷层临时支护后，进行锚杆、锚索支护。在RPTSL 2临时支护完成后，根据巷道围岩松动圈理论选择在顶板布置圆钢锚杆进行支护，本实施例中每排布置4根直径18mm的圆钢锚杆，间距为1.6m-1.4m-1.6m，排距1m两帮每排布置5根直径22mm的玻璃钢锚杆，间距为0.9m，排距为1m，设置控制锚杆的预紧力为75KN，不会对RPTSL 2喷层造成剪切破坏，影响喷层效果。

步骤5：针对步骤1的第四种支护方式即情况4，对巷道进行二次喷涂，其它情况本步骤省略。本实施例中的巷道为变形量较大巷道即巷道两帮移近量超过300mm或顶板下沉量超过300mm，同时伴有冲击危险性即单向应力超过20MPa，因此在步骤4锚杆、锚索支护后采用RPTSL 1材料进行第二次喷涂补强支护，厚度10mm一次性喷涂。

由于巷道地应力较高，有一定的冲击危险性，因此选择使用有着高强度、优秀塑性变形能力即韧性高、吸能能力强的RPTSL 1材料进行第二次喷涂，同样用RPTSL薄喷机装载，根据步骤3所述的对于A、B料比例的旋转方式，选择A、B料2：1比例，喷涂在顶板和两帮表面10mm。RPTSL 1材料进行第二次喷涂支护围岩表面的同时，还可以防止锚杆等金属部件锈蚀，同时也在一定程度上增强了锚杆支护的效果，扩大其作用区域。

步骤6：随着巷道掘进产生新的断面，重复步骤1～步骤5，由于本实施例的巷道为情况4的巷道，对巷道进行了二次喷涂，使得整个巷道都形成上述“RPTSL 2喷层-锚杆-RPTSL 1喷层”的复合承载结构。