秦躍平，曹子豪，葛 勇，程昌昊，杜 港

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京100083）

煤礦瓦斯抽放是保障煤礦生產(chǎn)安全，防止瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出災(zāi)害的重要措施，也是礦井瓦斯利用的主要途徑[1-2]。目前，我國煤礦總體煤層氣抽采效果不佳[3]。礦井瓦斯抽采率低不只是因為我國煤層普遍具有變質(zhì)程度高、滲透率低和含氣飽和度低的特點[4]，還有一個重要原因是現(xiàn)有封孔技術(shù)落后，封孔效果不佳，大量外部空氣通過煤壁孔隙、裂隙混入煤體內(nèi)與瓦斯混合。目前，封孔技術(shù)主要通過向鉆孔內(nèi)部注入密封材料實現(xiàn)鉆孔封堵[5]。因此提出了一種方法，即尋找一種合適的溶液材料，將其噴涂在封閉巷道壁面，使其在煤壁表面形成一層致密的薄膜，阻止氣體的流通，防止空氣滲入煤層。這樣，瓦斯抽采過程中，空氣混入量大大減少，同時降低了管道的壓力損失，使鉆孔內(nèi)瓦斯的負(fù)壓更大，達(dá)到提高瓦斯抽取率的目的[6-9]。為此查閱了多種可能符合要求的薄膜材料，包括水性超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料[10]、聚合物水泥類防水涂料[11]、聚氨酯防水涂料[12]和丙烯酸噴膜防水材料[13]；結(jié)合現(xiàn)實條件，選取了丙烯酸硅改性聚合物防水涂料和JS09 聚合物防水涂料作為實驗研究對象，研究了溶液材料噴涂成膜以后的強度、延展性等性質(zhì)。

1 實驗材料

考慮到在礦井下實際的應(yīng)用，薄膜材料應(yīng)為水基溶液材料，無毒無害，易于噴涂，有較大的抗拉強度，有較好的延展性，有優(yōu)良的氣密性，對煤壁有較強的附著性，在井下復(fù)雜的環(huán)境中保持物理性質(zhì)和化學(xué)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。同時也必須考慮到在生產(chǎn)中的各種問題，這種薄膜材料應(yīng)當(dāng)易于噴涂施工且價格低廉易于購買和存儲，具備礦井下大規(guī)模施工的條件。

結(jié)合工程中的實際應(yīng)用以及現(xiàn)有實驗條件，決定從已經(jīng)投入實際生產(chǎn)和工程應(yīng)用的多種防水材料中選取各方面性質(zhì)較為優(yōu)越的防水材料進(jìn)行實驗。目前，地下結(jié)構(gòu)工程防水材料分為剛性防水材料和柔性防水材料，其中水泥基防水材料屬于剛性防水材料，防水涂料和防水卷材屬于柔性防水材料[14]。初步篩選材料的基本性能見表1。

表1 初步篩選材料的基本性能Table 1 Basic properties of preliminary screening materials

噴涂聚脲彈性體，噴涂速凝橡膠瀝青防水涂料和丙烯酸鹽噴膜防水材料對噴涂設(shè)備要求比較高，氟碳涂料有毒性。最終綜合考慮技術(shù)、價格以及材料在實際工程應(yīng)用中的具體性能表現(xiàn)，選取屬于柔性材料的丙烯酸硅改性聚合物防水涂料和屬于剛性材料的JS09 聚合物防水材料作為實驗材料，對其進(jìn)行性能研究。

2 薄膜的延展性實驗

2.1 實驗環(huán)境及實驗儀器

實驗采用的拉力儀是WH-5000 單柱拉力測試儀，高精度力量傳感器，力量精度在0.3%以上（一般可達(dá)到0.02% FS），拉伸空間900 mm。容量分段：全程不分檔，無極調(diào)速。動力系統(tǒng)：三相異步電機+滾珠絲桿＋光桿直線軸承＋同步帶傳動?？刂葡到y(tǒng)：采用外部控制方式使控制更精準(zhǔn)，速度控制范圍0.01～500 mm/min。具有快速粗調(diào)與慢速微調(diào)功能。測試后自動儲存、可設(shè)定自動返回。測試空間：測試寬度約400 m，聯(lián)板行走空間900 mm。大變形兩點延伸計：解析度1/100，準(zhǔn)確度±1 mm。安全裝置：過載緊急停機裝置、上下行程限定裝置、自動斷點停機功能。實驗前打開空調(diào)使室內(nèi)溫度達(dá)到恒定的23 ℃。

2.2 試樣制備

1）丙烯酸硅改性聚合物防水薄膜試樣制備。丙烯酸硅改性聚合物在常溫常壓下呈乳白色膠狀。取適量材料并攪拌均勻，裝入噴槍儲液罐中。取1 張宣紙作為基面，平鋪于水平桌面。隨后打開噴槍電源，將聚合物均勻噴涂在宣紙表面，根據(jù)需求確定噴涂次數(shù)，待噴涂完成后將宣紙和上面的薄膜小心放置在適宜溫度且干燥通風(fēng)的環(huán)境中，等待其自然風(fēng)干（大約12 h）。薄膜完全風(fēng)干后，首先檢查薄膜的完整性，如有破損則重新制膜，如完好無損則用自來水沖洗掉薄膜表面的宣紙，并在室溫下晾干，這樣就得到了一張丙烯酸硅改性聚合物防水薄膜。

2）JS09 聚合物防水薄膜試樣制備。JS09 聚合物防水涂料的原料，包括固體粉狀原料和液體原料，根據(jù)需求按照相應(yīng)的固液配比將2 種原料充分混合并攪拌10 min，待混合物得以充分?jǐn)嚢璨⑦_(dá)到均一穩(wěn)定后，取一張紙平鋪于水平桌面上，用毛刷充分蘸取混合物，將其多次平涂于報紙上，保證成膜均勻平整。平涂完成后，將所成薄膜置于常溫干燥通風(fēng)的環(huán)境下待其自然風(fēng)干（約12 h）。完全風(fēng)干后，檢查薄膜的完整性，看其是否有破損，如有破損則重新制膜，如完好無損則得到一張JS09 聚合物防水薄膜。

2.3 實驗原理

拉伸實驗是材料力學(xué)實驗中最常見最重要的方法之一。

實驗中采取單軸拉伸方式在常溫的條件下進(jìn)行，實驗速度根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)可定為100 mm/min。在此條件下通過對薄膜試樣的縱軸方向施加拉伸載荷，使試樣產(chǎn)生變形直至材料破壞。設(shè)薄膜所受的外力為F，且橫截面上力是分布不均的。因此，可以使用單位面積受力σt來表示材料的整體受力情況：

式中：b 為試樣寬度，mm；d 為試樣厚度，mm。

除了測試材料受力情況外，還要數(shù)據(jù)化的分析材料的變形程度，實際中的變形程度可用應(yīng)變εt表示：

式中：G0為試樣原始標(biāo)線間距離，mm；G 為試樣拉伸時標(biāo)線間距離，mm。

2.4 實驗方法

1）將1 張厚度為0.9 mm 的丙烯酸硅改性聚合物薄膜分割為長150 mm、寬15 mm 的條狀試件，共5份，標(biāo)為A 組；將1 張厚度為0.7 mm 的丙烯酸硅改性聚合物薄膜分割為長150 mm、寬15 mm 的條狀試件，共5 份，標(biāo)為B 組；將1 張厚度為0.5 mm 的JS09 聚合物薄膜分割為長150 mm、寬15 mm 的條狀試件，共5 份，標(biāo)為C 組。

2）實驗前調(diào)整好電子拉力機的相關(guān)參數(shù)，并輸入所需試件物理參數(shù)。

3）用夾具夾持試樣，保持試樣處于夾具中心連線位置上，同時夾持力度要適當(dāng)，不能因為夾持過緊導(dǎo)致試樣受損壞，或夾持太松導(dǎo)致實驗過程中試樣脫落。

4）運行實驗機，進(jìn)行拉伸實驗，并同時由電腦記錄數(shù)據(jù)。

5）更換試件，重復(fù)實驗過程。

2.5 實驗數(shù)據(jù)及其處理

實驗中，分別記錄每個試樣在拉伸時所受的最大拉力F，根據(jù)試樣的橫截面積S 計算出試樣在拉伸時的抗拉強度Rm，再計算出最大形變1/2 時試樣所受應(yīng)力σh以對試樣的力學(xué)性能有更清楚的認(rèn)識，最后求出試樣斷裂時的斷裂伸長率e。A 組、B 組、C 組試樣的實驗數(shù)據(jù)分別見表2～表4，A 組、B 組、C 組典型試樣A2、B1、C2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別如圖1～圖3。

2.6 實驗結(jié)果

由圖1～圖3 可知，2 類材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線完全不同。丙烯酸硅改性聚合物防水薄膜非常接近于理想塑性，即當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值后保持不變而應(yīng)變持續(xù)增大。JS09 防水聚合物材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與巖石等材料的非常相似，存在1 個明顯的應(yīng)力峰；在應(yīng)力峰值之前，隨應(yīng)變的增大應(yīng)力逐漸上呈“S”型曲線；達(dá)到在到應(yīng)力峰值后，隨應(yīng)變的增大，應(yīng)力下降。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，比較丙烯酸硅改性聚合物防水薄膜和JS09 聚合物防水薄膜可以發(fā)現(xiàn)：前者的抗拉強度更小，總形變一半時所受應(yīng)力也更小，且斷裂伸長率遠(yuǎn)大于后者。同時，較厚的丙烯酸硅改性防水涂料薄膜延展性更強，在單軸拉伸條件下應(yīng)力更小更不易斷裂，在之后的實驗和工程中應(yīng)噴涂較厚的丙烯酸硅改性聚合物防水涂料。

表2 A 組試樣實驗數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data of Group A samples

表3 B 組試樣實驗數(shù)據(jù)Table 3 Experimental data of Group B samples

表4 C 組試樣實驗數(shù)據(jù)Table 4 Experimental data of Group C samples

圖1 A 組典型試樣A2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curve of A2

圖2 B 組典型試樣B1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curve of B1

圖3 C 組典型試樣C2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of C2

丙烯酸硅改性聚合物防水薄膜的彈性模量更小，伸長率更大。因此，其延展性更好，能更好地適應(yīng)煤壁表面的變形，保持其完整性，并不從煤壁上脫落。且成膜工藝簡單方便，它比JS09 防水聚合物防水涂料更能適應(yīng)井下大規(guī)模高效噴涂的施工工藝，更能適應(yīng)井下由于瓦斯抽采產(chǎn)生的高負(fù)壓對薄膜韌性的要求，因此選擇丙烯酸硅改性聚合物防水涂料進(jìn)行氣密性研究，以確定其是否可成為進(jìn)一步井下實驗的理想材料。

3 薄膜的氣密性實驗

3.1 實驗儀器及試樣制備

實驗采用了亞克力塑封成的真空壓力容器，橡膠蓋頂密封，規(guī)格為220 mm×160 mm×210 mm。在容器內(nèi)為負(fù)壓狀態(tài)時，橡膠蓋頂吸在容器壁，具備極好的氣密性。

選取2 塊質(zhì)量約為3.6 kg，形狀近似長方體的煤樣。取其中1 塊進(jìn)行丙烯酸硅改性聚合物防水涂料噴涂，使煤樣表面形成1 層致密的薄膜。

3.2 實驗原理

井下鉆孔瓦斯抽采過程中，煤壁內(nèi)部氣體壓力較小，巷道內(nèi)的氣體也會沿裂隙滲入煤體。同理，由于煤樣內(nèi)部大量孔隙和裂隙的存在，當(dāng)外界氣壓小于煤體內(nèi)氣體壓力時，煤體內(nèi)的氣體會沿孔隙裂隙釋放到外界。

實驗將常溫常壓下保存的試樣放入真空壓力容器中，通過真空泵將壓力容器中的相對壓力抽至-0.098 MPa。常壓下保存的煤樣內(nèi)部氣體壓力與當(dāng)?shù)卮髿鈮夯疽恢?，煤樣?nèi)部的氣體會通過孔隙釋放到容器中，使容器相對壓力升高。若煤體表面噴涂形成一層氣密性良好的致密薄膜，可阻止煤體內(nèi)部與外界的氣體流通，則真空壓力容器的相對壓力不會改變。

設(shè)置3 組實驗，A 組為空白對照組，壓力容器內(nèi)不放置任何物品；B 組為條件對照組，壓力容器內(nèi)放置未噴涂薄膜的煤樣；C 組為實驗組，壓力容器內(nèi)放置噴涂了薄膜的煤樣。

3.3 實驗方法

1）檢查真空容器氣密性，檢查進(jìn)氣閥、泄壓閥和壓力表未損壞。

2）將試樣平穩(wěn)放入容器中央。

3）蓋好容器蓋，打開進(jìn)氣閥，連接真空泵。

4）打開真空泵，待氣壓表示數(shù)為-0.098 MPa 時，關(guān)閉進(jìn)氣閥，關(guān)閉真空泵。

5）前16 h 每隔2 h 記錄1 次氣壓，第24 h 時再記錄1 次氣壓表示數(shù)。

6）打開泄壓閥，待容器內(nèi)壓力與大氣壓平衡時，打開容器蓋，更換試樣，重復(fù)實驗過程。

3.4 實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果

3 組實驗分別在24 h 內(nèi)記錄10 組數(shù)據(jù)，將3組實驗數(shù)據(jù)繪制成壓力-時間圖以直觀驗證薄膜的氣密性，真空容器相對壓力變化圖如圖4。

圖4 真空容器相對壓力變化圖Fig.4 Relative pressure change graph of vacuum container

空白對照組A 組的相對壓力在24 h 內(nèi)無變化，說明容器氣密性極好；條件對照組B 組的相對壓力曲線在經(jīng)過了前8 h 的緩慢上升后，在8～14 h 內(nèi)急速上升，之后上升速度再次變緩，說明試樣主要漏氣集中在8～14 h；實驗組C 組的相對壓力在實驗前4 h 內(nèi)基本不上升，在之后基本為勻速緩慢上升，說明噴膜后漏氣仍然存在，但漏氣量大大減少。

由理想氣體狀態(tài)方程計算得出，24 h C 組試樣漏氣量僅為B 組試樣的20.00%。噴涂了薄膜材料的C 組試樣雖然無法完全阻止煤樣內(nèi)部與外界的氣體流通，但相對沒有噴涂薄膜材料的B 組試樣，漏氣量已經(jīng)大大降低，堵漏效果良好。

漏氣原因分析如下：由于煤樣表面不平整，在噴涂過程中，凸起、棱角和凹陷處可能成膜較薄，甚至有微小破洞，造成漏氣。在實際生產(chǎn)中，可以采用多次重復(fù)噴涂的方法以起到更好的效果。

4 結(jié) 論

1）實驗結(jié)果說明丙烯酸硅改性聚合物防水涂料延展性的氣密性均很好，可作為進(jìn)一步實驗的備選材料。并且柔性防水材料的主要性能指標(biāo)明顯優(yōu)于剛性防水材料，在未來的研究中，可對其他柔性防水材料進(jìn)行進(jìn)一步性能研究。

2）由于種種條件的限制，薄膜的氣密性實驗精度不夠高，并且出現(xiàn)了少量漏氣的情況，在完善了實驗儀器后可進(jìn)行進(jìn)一步的研究。仍有其他材料，如使用有機樹脂及其改良劑調(diào)配的薄膜材料也可能符合要求，可進(jìn)行深入研究。一系列試驗成熟后可進(jìn)行實際生產(chǎn)條件下的礦井瓦斯抽放堵漏實驗。

3）可結(jié)合鉆孔周圍裂隙帶的產(chǎn)生機理，對噴涂工藝進(jìn)行細(xì)致的規(guī)劃，減小噴涂材料的使用量，節(jié)約成本，達(dá)到生產(chǎn)效益與礦井瓦斯安全相兼顧的最優(yōu)解。