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        掘進(jìn)大巷圍巖防護(hù)柔性薄噴技術(shù)研究

        2023-01-06 04:59:24任寶勤
        山東煤炭科技 2022年6期
        關(guān)鍵詞:大巷噴漿瓦斯

        任寶勤

        (山西晉煤太鋼能源有限責(zé)任公司,山西 呂梁 033000)

        噴漿是一種防止圍巖風(fēng)化、隔絕瓦斯有效手段,以往多采用混凝土噴漿方式,主要原材料為沙子、水泥,噴漿厚度50~200 mm,材料消耗多、運(yùn)輸工程量大、回彈率高、作業(yè)環(huán)境差,尤其是剛性噴漿層后期容易開裂[1-3]。計(jì)劃在山西晉煤太鋼能源有限責(zé)任公司中部集中輔助運(yùn)輸大巷開展柔性薄噴試驗(yàn),目的是解決開裂問題、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、改善作業(yè)環(huán)境。

        1 工程背景

        山西晉煤太鋼能源有限責(zé)任公司中部集中輔助運(yùn)輸大巷目前正在掘進(jìn)當(dāng)中,北、東、南側(cè)均為實(shí)體煤巖層,西側(cè)為一采區(qū)中部集中輔助運(yùn)輸大巷。巷道施工總長度為3193 m,分為三個(gè)階段掘進(jìn)。第一階段和第三階段為巖巷,總長910 m;中間第二階段為煤巷,長度2283 m。

        (1)斷面

        采用兩種斷面,巖巷采用1-1 斷面,煤巷采用2-2斷面。1-1 斷面:拱形巷道,掘進(jìn)寬度為5.9 m,高度為4.95 m,拱高為2.95 m,墻高為2 m,掘進(jìn)斷面積25.47 m2;2-2 斷面:矩形巷道,掘進(jìn)寬度5.9 m,掘進(jìn)高度4.65 m,掘進(jìn)斷面積27.44 m2。

        (2)圍巖性質(zhì)

        直接頂為砂質(zhì)泥巖,厚度為5.44 m,深灰色,水平層理,節(jié)理發(fā)育,局部巖芯破碎,底部含黃鐵礦。煤巷層位在4+5 號煤層中,煤層平均厚度為4.5 m,結(jié)構(gòu)較簡單,夾矸多為泥巖。頂板和煤幫結(jié)構(gòu)疏松,強(qiáng)度較低。

        (3)瓦斯

        根據(jù)《山西晉煤太鋼能源有限責(zé)任公司三交一號井田先期開采地段勘探地質(zhì)報(bào)告》,4#和5#煤層瓦斯相對涌出量為4.94 m3/t,為高瓦斯礦井。

        (4)煤塵

        4#煤層火焰長度為大于280 mm,抑制煤塵爆炸最低巖粉用量65%;5#煤層火焰長度為大于400 mm,抑制煤塵爆炸最低巖粉用量60%~130%。煤塵均有爆炸性。

        (5)自燃等級

        4#煤層自燃等級為Ⅱ類自燃,自燃傾向性為自燃煤層;5#煤層自燃等級為Ⅱ類自燃,自燃傾向性為自燃煤層。

        綜合分析,中部集中輔助運(yùn)輸大巷頂板和煤幫結(jié)構(gòu)疏松,強(qiáng)度較低,瓦斯含量高,煤塵具備爆炸性,煤層Ⅱ類自燃,必須對圍巖采取噴漿封閉措施,提高圍巖強(qiáng)度,有效隔絕空氣和瓦斯,保障巷道長期安全使用。

        2 柔性薄噴材料

        2.1 性能介紹

        柔性薄噴材料為近兩年來逐漸應(yīng)用于井下的一種噴涂材料,分為A 型和B 型,A 型為粉料,25千克/袋,B 型為桶裝乳液,50 千克/桶,二者按照質(zhì)量比1:1 配合使用。其主要性能如下:

        (1)混合后為粘稠狀漿體,通過專用設(shè)備均勻噴涂在圍巖上,具備良好的掛壁性能,基本無回彈,無浪費(fèi)。

        (2)噴涂厚度僅需3~5 mm,每噸材料實(shí)際上可噴涂200 m2,而每噸混凝土最多可噴10 m2,極大節(jié)約了材料使用量和運(yùn)輸量。

        (3)約12 h 完全固化,固化后緊密附著在圍巖上,噴涂層具有良好的柔韌性,遇巷道圍巖變形不開裂。

        (4)成型后,具備0.5~2 MPa 粘結(jié)強(qiáng)度,4.5 MPa 抗拉強(qiáng)度。

        (5)反應(yīng)溫度低。為有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料,不產(chǎn)生高溫反應(yīng),最高反應(yīng)溫度40 ℃,無有毒有害氣體揮發(fā)。

        (6)絕對阻燃、抗靜電。

        2.2 與混凝土對比

        (1)性能對比

        柔性薄噴材料無論從材料性能、施工難易程度、施工作業(yè)環(huán)境、材料消耗及運(yùn)輸方面,均具備較大優(yōu)勢。

        但由于噴涂厚度較薄,對于支護(hù)良好、變形量不大的圍巖防護(hù)效果較好,對于鼓出量特別大的巷道并不適用,而混凝土適應(yīng)性更強(qiáng)。本次巷道埋深不大,巷道變形較小,柔性薄噴材料更為適用。

        (2)成本對比

        以2000 m2圍巖噴涂為例,柔性薄噴厚度為5 mm,混凝土噴涂厚度100 mm,綜合考慮材料成本、運(yùn)輸成本、施工成本進(jìn)行對比。

        柔性薄噴:材料噸成本14 000 元,按照5 mm噴涂厚度,每噸材料約可噴涂200 m2,共計(jì)需要10 t 材料,成本140 000 元;3 人施工,每天可噴涂1000 m2,每人每天300 元計(jì),施工成本約1800 元;運(yùn)輸成本約1000 元;合計(jì)142 800 元。

        混凝土噴漿:厚度100 mm,每1 m2用料0.1 m3,考慮回彈率25%,共計(jì)需要250 m3混凝土,井下制備混凝土材料成本按照700 元/ 立方米計(jì)算,材料成本175 000 元;4 人施工,每天可施工20 m3,每人每天300 元計(jì),施工成本約15 000 元;運(yùn)輸成本約25 000 元;合計(jì)215 000 元。

        對比可知,柔性薄噴雖然材料單價(jià)較高,但消耗量少,施工成本低,整體具備較大的成本優(yōu)勢。

        3 柔性薄噴設(shè)備及實(shí)施工藝

        3.1 噴涂設(shè)備

        采用全風(fēng)動(dòng)噴涂設(shè)備,由攪拌系統(tǒng)、排漿系統(tǒng)組成。開啟攪拌系統(tǒng)氣動(dòng)馬達(dá),材料通過攪拌系統(tǒng)攪拌均勻后,開啟排漿系統(tǒng)氣動(dòng)馬達(dá),漿液從攪拌桶下料孔進(jìn)入排漿系統(tǒng),通過螺桿擠壓產(chǎn)生輸出壓力,通過管路輸送至指定位置。攪拌系統(tǒng)和排漿系統(tǒng)氣動(dòng)馬達(dá)通過減速機(jī)和進(jìn)氣閥門開關(guān)控制轉(zhuǎn)速。

        噴涂設(shè)備上有出漿口,通過出料管,連接噴漿槍頭進(jìn)料口,另外專門接一趟壓風(fēng)連接在噴漿槍頭進(jìn)氣口。料漿進(jìn)入噴漿槍頭后,壓風(fēng)將漿體噴出霧化,均勻地噴涂在圍巖上。

        3.2 二次噴涂實(shí)施工藝

        柔性薄噴材料較為粘稠,要同時(shí)保障可輸送和掛壁性能。

        噴漿時(shí),為防止?jié){料四處流淌,采用二次噴涂工藝。第一次噴涂厚度2~3 mm,等待大約2 h,表面表干后可進(jìn)行二次噴涂,第二次噴涂厚度2~3 mm,最終噴涂厚度5 mm 左右,自然條件養(yǎng)護(hù)。

        二次噴涂工藝也有利于覆蓋第一次噴涂因圍巖表面不平整產(chǎn)生的裂隙,加強(qiáng)封閉效果。

        現(xiàn)場要求風(fēng)壓不得低于0.3 MPa,否則無法滿足設(shè)備啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)和壓風(fēng)霧化要求,噴槍口距離圍巖0.5 m 左右噴涂效果最佳。設(shè)備使用完畢后,采用清水徹底清洗設(shè)備和噴漿槍頭,防止凝固堵塞。

        4 實(shí)施效果考察

        4.1 實(shí)施情況

        在中部集中輔助運(yùn)輸大巷2283 m 煤巷區(qū)域開展柔性薄噴工業(yè)性試驗(yàn),目前已經(jīng)實(shí)施1000 m 長度,噴涂位置為頂板、兩幫,總計(jì)噴涂面積15 200 m2,消耗柔性薄噴材料75 t,每天實(shí)施6 t,工期約13 d,而采用混凝土噴漿至少需要1520 m3,76 d 工期。薄噴實(shí)施后,12 h 左右完全固化成型,柔韌性良好,未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

        4.2 效果考察

        在柔性薄噴過后,開展長期跟蹤效果觀測。觀測發(fā)現(xiàn),巷道掘進(jìn)后7 d 左右變形穩(wěn)定,兩幫累計(jì)移近量約60 mm,頂板下沉量約30 mm,監(jiān)測巷幫瓦斯?jié)舛乳L期在0.02%以下,未出現(xiàn)煤體瓦斯泄漏超限情況。

        5 結(jié)論

        (1)中部集中輔助運(yùn)輸大巷頂板和煤幫結(jié)構(gòu)疏松,強(qiáng)度較低,瓦斯含量高,煤塵具備爆炸性,煤層Ⅱ類自燃,必須對圍巖采取噴漿封閉措施,提高圍巖強(qiáng)度,有效隔絕空氣和瓦斯,保障巷道長期安全使用。

        (2)柔性薄噴材料噴涂厚度僅3~5 mm,每噸材料實(shí)際上可噴涂200 m2,材料消耗少,噴涂層具有良好的柔韌性,不開裂,與混凝土噴漿相比,在技術(shù)上和成本上均具備較大的優(yōu)勢。

        (3)在中部集中輔助運(yùn)輸大巷開展1000 m 工業(yè)性試驗(yàn),采用二次噴涂工藝,實(shí)施速度快,成型良好,有效控制了巷道變形和煤體瓦斯泄漏。

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