CN110540395A - 一种煤矿井下巷道用喷涂材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种煤矿井下巷道用喷涂材料及制备方法，解决现有喷涂材料粘结性差、回弹大、落地料多、易开裂、不具备防渗漏水和防瓦斯泄漏等功能的问题，提供一种喷涂材料以及喷涂材料的制备方法。该煤矿用喷涂材料采用采用无机复合材料，结合了有机材料与无机材料的各项优点，利用正交试验法，分析原料组份的最佳配比，极大地提高了喷涂的速度和质量，改善了工作环境，同时降低了成本，取得了较好的经济效益和社会效益。

Description

一种煤矿井下巷道用喷涂材料及制备方法

技术领域

本发明为一种煤矿井下巷道用喷涂材料及制备方法，具体涉及煤矿井下巷道施工用喷涂材料及该材料的制备技术领域。

背景技术

煤矿井下巷道煤系地层大多为煤岩、砂岩、页岩、泥岩及黏土岩，不仅岩石的力学性能较差，而且节理裂隙发育，稳定性不好。煤矿巷道围岩中各种粒度的砂岩、砂质页岩或泥质砂岩极易风化，吸水软化，甚至泥化、崩解和膨胀。煤矿井下空间狭小，环境恶劣，煤岩壁凹凸不平且潮湿，渗漏水普遍，巷道开挖后岩体产生变形，巷道掘进过程中会有瓦斯涌出或溢出。金属网及锚杆、锚索外露端极易锈蚀，致使对围岩的约束力降低。因此，巷道表面的密闭处理对保持巷道长期稳定十分重要。喷涂材料必须满足以下性能要求：喷涂速度快，对掘进影响小，减少巷道施工中喷涂作业所用工时；粘结力强，能够快速牢固粘接岩石、金属材料、塑料等；密闭性好，能有效隔水，防止瓦斯溢出；喷层有较好的柔性，抗弯折、抗剪切强度高；喷涂施工时无粉尘、回弹率低；材料无毒无味，阻燃，抗静电，安全环保；成本低。

国内目前的煤矿井下巷道喷涂材料是将水泥、沙、石子等运入矿井下，现场干混搅拌，然后用喷涂机，采用风力输送方式，在喷涂机的枪口处，与水混合，喷射到开采后的层面岩层上，水泥材料固化后，起到封闭支护的作用，这种现场干法搅拌方式有以下缺点：

1、在井下开采现场，干法搅拌水泥砂石，水泥砂石等粉尘的污染大，对现场工人的身体危害大，严重污染井下环境；

2、现场搅拌，搅拌机产生的噪音大，对操作人员的听力危害大；

3、现场搅拌，操作人员不容易严格控制水泥砂石子等的配比，对喷涂材料的质量控制不严格，容易造成质量事故的隐患；另外喷涂材料的粘附性差，喷射到岩面后容易产生落地料，造成大量浪费，一般回弹落地料超过30％；喷涂材料的性能单一，无法做到使喷涂材料具有高粘附性、防水性、防开裂、加固支撑性与一体；

4、现场搅拌，需要占用井下宝贵的巷道场所，比如堆放水泥，砂石等，影响巷道断面和运输间隙，影响采煤主业的施工速度，容易堵塞巷道造成事故隐患；

5、喷涂的厚度要求厚，一般在10-20厘米厚，喷上去粘结性差，回弹大，落地料多，造成喷涂材料浪费严重，同时砂浆凝结慢，支护作用发挥慢；

6、喷涂材料固化后，由于配料单一，成分中刚性组分居多，材料刚性脆性大，柔性不足，随着井下巷道的地质运动或者再次开采中的放炮等震动，极容易造成传统喷涂材料的开裂脱落，继而可能造成进一步的渗漏水、瓦斯溢出、支护砂浆坍塌等隐患，不能真正起到其应有的防护作用。

综上，由于传统的喷射混凝土技术存在施工速度慢、劳动环境差、材料消耗大、辅助运输量大、安全隐患多等诸多缺点，极大地制约了当前采用锚喷支护的矿用井巷掘进速度，因此，有必要研制一种新型的性能优良的矿用喷涂材料以提高支护强度，节约成本，优化巷道支护密闭工艺。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种无需在施工现场混合搅拌、无任何粉尘和环境污染、保障施工人员身心健康、实现文明施工的适于煤矿井下巷道用的低粉尘、高粘性，克服现有传统喷涂材料粘结性差、回弹大、落地料多、易开裂、不具备防渗漏水和防瓦斯泄漏等功能的喷涂材料以及喷涂材料的制备方法。填补现有技术的一项空白。

基于国内现状，例如，潞安集团己经建成和在建的电厂每年的排灰量在300万吨左右，堆积如山的粉煤灰不仅侵占大量土地，而且污染周围环境。如何合理有效地利用这些粉煤灰，已成为摆在企业面前的一大课题，粉煤灰具有火山灰活性，适当添加粉煤灰可以改善材料某些性能。

其次，为了使材料达到一定的阻燃要求，一般需加入相当量的阻燃剂，但阻燃剂种类选取不当或加入量过多，会较大幅度地恶化材料的物理和机械性能。因此，应根据阻燃标准要求，在材料的阻燃性及其他使用性能间寻找最佳的综合平衡。此外，在提高材料阻燃性的同时，应尽量减少材料热分解或燃烧时生成的有毒气体量及烟量，以减少由于窒息造成的伤亡。

此外，本发明选择价格低廉、能导电、耐腐蚀、耐高温的石墨粉作为导电填料改善材料的抗静电性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：煤矿井下巷道用喷涂材料，包括聚合物乳液、聚丙烯纤维、无机粘接材料、煤灰粉、重质碳酸钙、羟丙基甲基纤维素醚、减水剂、早强剂、阻燃剂、石墨粉、无机填料，其特征在于：(重量份数)为：

聚合物乳液25-35份

聚丙烯纤维0.1-0.2份

无机粘接材料100份

煤灰粉150-300份

重质碳酸钙1-50份

羟丙基甲基纤维素醚0.2-0.3份

减水剂0.5-0.7份

早强剂0.2-0.3份

阻燃剂：45-65份

石墨粉：15-25份

无机填料：5-10份；

更进一步，所述的聚合物乳液为丙烯酸酷乳液、乙烯一醋酸乙烯乳液、丁苯乳胶、氯丁乳胶中的任意一种；

更进一步，所述的无机粘接材料为白水泥、普通水泥、高铝水泥中的任意一种；

更进一步，所述的聚丙烯纤维直径小于1mm；

更进一步，所述的早强剂为聚羧酸系早强剂；

更进一步，所述的阻燃剂为氯化石蜡，氢氧化铝，复合阻燃剂中的任意一种或者其组合；

更进一步，根据上述的煤矿井下巷道用喷涂材料，其制备方法为：喷涂材料的制备方法是：将上述喷涂材料，精确称量后，在双螺杆式高效搅拌机中充分搅拌20分钟，混合均匀后，定额包装成袋。为了方便搬运定额包装(25公斤/袋)成袋即可。可使用内衬塑的牛皮纸袋或者塑编袋包装。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

采用以上配比与工艺喷涂厚度为4-5mm，每小班能喷20-25m ，喷涂厚度适中，喷层胶结好，结构致密，封闭效果好，表面光滑，回弹量小，凝固快，无粉尘，极大地提高了煤矿巷道喷涂速度和质量，具体表现为：

1、喷涂材料的粘聚性：

喷料与煤岩壁及金属网粘结强度达到2MPa以上，附着力强，抗老化，不脱落，能有效防止煤岩层风化和金属网锈蚀；收缩较小，且具有良好的抗裂和抗变形性能，在喷涂材料中添加水泥高效减水剂，起到减少用水量，防止水泥开裂，提高抗压强度的作用，同时添加了高分子聚丙烯纤维等物质，提高了喷涂材料的粘聚性，使喷涂材料自身以及与岩层表面的粘结变牢固，不易离散，便于喷射施工。

2、防瓦斯防水性：

该喷料无毒，阻燃，抗静电，安全性强；煤岩层裸体表面喷层厚度达到2mm以上；喷层均匀，封堵完整，无漏洞，隔水；巷道变形量、顶板离层量较传统喷涂减小，而锚杆拉拔力提高，在配方中将防水材料引入喷涂材料，使喷涂材料具有一定防水性能。在干混配方中选用聚合物干乳(粉末状)。该聚合物干乳可在水泥水化时，在水泥中形成高分子膜状物，起到防止水泥水化物开裂和渗水的作用，使喷涂支护材料不仅起到支撑作用，而且起到防水保护以及防止瓦斯泄露等作用，这对开采现场的环境改善以及整个煤矿巷道内的防水防瓦斯安全有重要作用和意义。

3、强粘附性：

在喷涂材料内掺加的聚合物添加剂干乳是一种多极性有机材料，其分子链上带有大量极性官能团基团，这些极性基团对岩层表面具有极强的粘附力，其粘附强度远远大于水泥这种无机胶凝材料，因此在水泥中添加该高分子聚合物添加剂可使传统无机水泥喷涂材料的粘附强度得到提高，喷涂材料与岩层结合的牢，对岩层的支护和保护作用就发挥的大，其意义十分重要。

4、弹性喷涂材料：

传统无机水泥喷涂材料，完全是无机物，硬化后无弹性，与岩层表面硬硬结合，在岩层随地壳运动或者采煤放炮产生震动时，喷涂材料会随之开裂，坍塌，丧失支护和保护作用；在该新型干混配方中，高分子聚合物添加剂的加入，使传统无机水泥喷涂材料改变了过去的质硬状态，变得具有一定弹性，该弹性喷涂支护材料可随岩层地质的变化而变化，始终保持和岩层表面的结合，始终起到支护和保护作用。

5、适合薄层施工：

传统喷涂材料配方单一，与岩石的粘附性差，所以需要喷涂的厚度加大，方可有效粘结在岩石面上，但本新型喷涂材料由于内含大量活性和强极性基团的有机高分子物质，使砂浆的粘附性大大提高，该喷涂材料还适合薄层施工方式，既可节约材料用量，节约人力物力；又可降低单位体积内的新材料造成的成本升高带来的不利影响，该喷料实现每小班平均喷涂巷道21m，施工速度快，回弹量极小；支护费用低，约47.3元/m，较喷射混凝土降低近100元/m；工人劳动强度小，粉尘少，工作环境好具有良好的经济效益和社会效益。

6、渗透结晶物质：

在喷涂材料中，加入活性物质--氟硅酸锌，该活性物质在水泥水化时可和水泥的水化物进行反应，生成一种纳米级的结晶物质，这个结晶物质可延岩石缝隙及微小裂纹渗透进去，进一步膨胀，起到填充堵塞岩石空隙，防止岩石裂隙进一步扩大，继而容易造成塌方的危险。这种活性物质需要在有水的环境下反应，因此，当岩石裂纹内有水时，活性物质可和水反应，消耗掉水，还起到防水和防瓦斯的作用。

7、喷涂材料的环保性：

由于配方选用不含甲醛，有机溶剂，苯，二甲苯等有毒有害物质以及任何放射性物质，因此，本喷涂材料在现场使用时不会对环境和操作人员产生污染和毒害。

本发明的低粉尘高粘型干混砂浆出厂时就已混合均匀，并定额包装成袋，无需与其他材料配合，混合搅拌均匀后的喷涂材料，定额包装(25公斤/袋)成袋即可，可使用内衬塑的牛皮纸袋或者塑编袋包装。将上述材料运输到地下开采现场后，开袋投入密封喷涂机内，与水混合即可用于巷道喷射。由于本发明中各组分配比合理，功能齐全，是一种低粉尘高粘度、无毒无污染的环保型喷涂材料。

具体实施方式

下面实施例1-4中的无机粘接材料为白水泥、普通水泥、高铝水泥中的任意一种，现选择水泥为普通硅酸盐42.5R型号的水泥；

煤灰粉：细度0.1-0.5mm，含泥1％以下；

重质碳酸钙：细度0.1-4.0mm，含泥量1％以下；

实验选取氯化石蜡、聚磷酸按、氢氧化铝、氢氧化镁四种阻燃剂进行研究，在配制成阻燃剂添加量为10%(占粉料质量)，液粉比为0.5的情况下考查阻燃剂对涂层的影响；

实验通过配制不同石墨粉添加量的粉料，与乳液配制成液粉比0.5的配方，考查石墨粉添加量对导电性、抗拉强度、断裂伸长率、吸水率、粘结强度的影响。

实验所选取的无机填料为氟硅酸锌或其同类物质。

实施例1

聚合物乳液25份、聚丙烯纤维0.12份、无机粘接材料100份、煤灰粉150份、重质碳酸钙1份、羟丙基甲基纤维素醚0.2份、减水剂0.5份、早强剂0.2份、阻燃剂45份、石墨粉15份、无机填料5。将上述材料的组合物在双螺杆式高效搅拌机中充分搅拌20分钟，混合搅拌均匀，再加入适量水，混合均匀即可。

实施例2

聚合物乳液27份、聚丙烯纤维0.15份、无机粘接材料100份、煤灰粉200份、重质碳酸钙25份、羟丙基甲基纤维素醚0.25份、减水剂0.55份、早强剂0.22份、阻燃剂48份、石墨粉18份、无机填料6。将上述材料的组合物在双螺杆式高效搅拌机中充分搅拌20分钟，混合搅拌均匀，再加入适量水，混合均匀即可。

实施例3

聚合物乳液30份、聚丙烯纤维0.17份、无机粘接材料100份、煤灰粉250份、重质碳酸钙40份、羟丙基甲基纤维素醚0.26份、减水剂0.6份、早强剂0.25份、阻燃剂55份、石墨粉20份、无机填料8。将上述材料的组合物在双螺杆式高效搅拌机中充分搅拌20分钟，混合搅拌均匀，再加入适量水，混合均匀即可。

实施例4

聚合物乳液35份、聚丙烯纤维0.2份、无机粘接材料100份、煤灰粉300份、重质碳酸钙50份、羟丙基甲基纤维素醚0.3份、减水剂0.7份、早强剂0.3份、阻燃剂60份、石墨粉25份、无机填料10。将上述材料的组合物在双螺杆式高效搅拌机中充分搅拌20分钟，混合搅拌均匀，再加入适量水，混合均匀即可。

对上述制得喷涂材料进行性能测试，结果数据如表1所示。

表1实施例喷涂材料性能测试结果

通过实验得知，随着粉煤灰添加量的增大，配方要达到相当粘度需要添加的水量逐渐增大，这是由于所加入粉煤灰粒径大，烧失量高，也就是粉煤灰本身的吸水量高导致。表干时间和实干时间相应延长，这与配方中加水量增大，固化所要挥发的水更多有关。不添加粉煤灰配方和添加150- 280份粉煤灰配方的涂层都较为平整，没有出现裂缝，而添加量280-300份的配方涂层都出现了不同程度的裂缝。出现这种现象的一方面原因可能是粉煤灰的添加增大，导致加水量增大，材料在失水固化后发生较大的干缩；另一方面原因可能是粉煤灰比石英粉轻，比表面积大，聚合物乳液不能有效包裹这些粉煤灰颗粒，形成的有机聚合物网络不完整所致。随着粉煤灰添加量的增加，材料的吸水率大幅增加。原因为粉煤灰是经过高温燃烧得到的，比表面积较大，其表面吸水能力较强，增大了配方的需水量，这就使得在配方固化水分挥发后，形成更多的空隙，造成吸水率增大。

随着氢氧化铝添加量的增大，材料的断裂伸长率逐渐降低，抗拉强度逐渐增大。这是由于氢氧化铝与水泥和水泥的水化产物之间发生复杂的反应，生成一些化合物，促进了水泥的水化反应，填充了水泥的空隙，形成致密结构，使水泥与聚合物乳液分子形成更多的物理化学作用点，使材料的弹性变差，致使拉伸强度增大，而断裂伸长率减小。

随着石墨粉添加量的增大，表面电阻大幅减小。过多的石墨粉会使材料的粘结强度变差，断裂伸长率降低，吸水率增大，粘结力降低，增加材料成本，所以石墨粉的添加原则是能达到抗静电标准即可。

该新型煤矿井下巷道用喷涂材料使用时，可根据井下巷道的采掘进度，预先运输一定量的袋装喷涂材料到指定地点预存放。喷涂机采用新型螺杆式湿法喷涂机械，该螺杆式喷涂机采用先将干混砂浆与水按照一定比例混合，成为湿砂浆，然后湿砂浆进入下层的螺杆推进器中，经螺杆推进，进入喷涂管道，可有效输送40米远的距离，喷涂管道的出口是喷枪，喷枪出口处与风管连接，采用风力将湿砂浆喷射到岩岩面封闭支护。

由于采用这种湿混方式和湿喷工艺，现场的搅拌过程不产生粉尘污染，不会对操作人员带来危害，施工环境安全文明。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (7)

1.煤矿井下巷道用喷涂材料，包括聚合物乳液、聚丙烯纤维、无机粘接材料、煤灰粉、重质碳酸钙、羟丙基甲基纤维素醚、减水剂、早强剂、阻燃剂、石墨粉、无机填料，其特征在于：上述成分按照重量份数为：

聚合物乳液25-35份

聚丙烯纤维0.1-0.2份

无机粘接材料100份

煤灰粉150-300份

重质碳酸钙1-50份

羟丙基甲基纤维素醚0.2-0.3份

减水剂0.5-0.7份

早强剂0.2-0.3份

阻燃剂：45-65份

石墨粉：15-25份

无机填料：5-10份。

2.根据权利要求1所述的喷涂材料，其特征在于：所述的聚合物乳液为丙烯酸酷乳液、乙烯一醋酸乙烯乳液、丁苯乳胶、氯丁乳胶中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的喷涂材料，其特征在于：所述的无机粘接材料为白水泥、普通水泥、高铝水泥中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的喷涂材料，其特征在于：所述的聚丙烯纤维直径小于1mm。

5.根据权利要求1所述的喷涂材料，其特征在于：所述的早强剂为聚羧酸系早强剂。

6.根据权利要求1所述的喷涂材料，其特征在于：所述的阻燃剂为氯化石蜡，氢氧化铝，复合阻燃剂中的任意一种或者其组合。

7.根据权利要求1所述的煤矿井下巷道用喷涂材料的制备方法，其特征在于：将上述喷涂材料，精确称量后，在双螺杆式高效搅拌机中充分搅拌20分钟，混合均匀后，定额包装成袋。