煤矿护网机(最新成果丨张农教授：煤矿巷道喷涂柔膜技术及适用性)

Posted 2023-06-02

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煤矿护网机(最新成果丨张农教授：煤矿巷道喷涂柔膜技术及适用性)

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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^４，吴建生^５

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

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.

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