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本文創新點
結合錨杆支護中正常金屬網、噴射混凝土護表存在的問題，提出并介紹了噴塗柔膜（簡稱噴膜）技術。
（1）開展了噴膜材料的拉伸性能測試，揭示了其承載響應快、變形能力大的力學特性；通過直接拉拔法測試了噴膜與紅砂岩基體的法向黏結性能，結果表明噴膜具有良好的粘結強度；開展了塊體承載能力測試，評估了噴膜的塊體承載能力。
（2）基于煤礦巷道工程特點，探讨了噴膜潛在的圍岩封閉、金屬支護構件封閉、注漿時壁面封閉等密閉作用，對噴膜與網、噴射混凝土的具體支護性能開展了詳細的對比分析，認為噴膜在大多數名額中表現優異，尤其在施工方面具有明顯優勢。
（3）讨論了噴膜在煤礦巷道錨杆支護中應用的原則，分析了噴膜在錨杆支護中的功能定位和工程條件限定，為噴膜在煤礦巷道錨杆支護中的應用提供了參考。
作者簡介
張 農 教 授張農（1968—），安徽金寨人。采礦工程專家，中國礦業大學智能掘進與岩層控制團隊負責人、博士生導師。江蘇師範大學副校長。入選國家萬人計劃科技創新領軍人才、國家創新人才推進計劃中青年領軍人才、教育部“長江學者和創新團隊發展計劃”創新團隊帶頭人、新世紀百千萬人才工程國家級人選。
張農教授專注于礦山壓力與岩層控制理論和應用技術研究，主持國家自然科學基金重點項目、國家重點基礎研究發展計劃課題、教育部創新團隊項目及國家省部人才資助項目10餘項，承擔企業合作攻關項目100餘項，在煤礦采動巷道主動控制原理與技術、沿空掘（留）巷、錨杆支護和智能快掘等方向取得重要進展，發明層狀頂闆楔形整體控制方法和動态分級強化技術，創新高性能錨杆、鋼絞線預拉力桁架、柔性錨杆等主動式高強預應力支護技術，建構了解決大陸複雜煤礦巷道圍岩控制的專利群，顯著推動了相關領域的工程技術進步。公開發表SCI檢索論文70篇、EI檢索論文103篇；出版專著6部；授權國内發明專利104件、國外專利26件。培養畢業博士22名、碩士100餘名。已獲得國家科技進步二等獎2項、省部級科技進步一等獎9項，其它省部級獎20餘項。已獲中國青年科技獎（2006）、江蘇省十大傑出青年（2008）、國務院特殊津貼人員（2010）、光華工程科技獎青年獎（2012）、全國先進工作者（2015）等榮譽稱号。
作 者
張 農1,2,3，魏 群４，吳建生５
單 位
1.中國礦業大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室；2.中國礦業大學 礦業工程學院；３.江蘇師範大學開放實驗室；4.江蘇理工學院 機械工程學院；5.南京科工煤炭科學技術研究有限公司
結合錨杆支護中正常金屬網、噴射混凝土護表存在的問題，提出噴塗柔膜技術（ 簡稱噴膜）。總結了噴膜技術的發展過程和國内外研究現狀。開展了噴膜在不同養護期的拉伸性能測試，分析了材料的拉伸應力－應變關系，揭示了噴膜材料承載響應快、變形能力大的力學特性，進而确定了一種适用于煤礦巷道的非反應型聚合物水泥基噴膜材料。通過直接拉拔法，測試了噴膜與紅砂岩基體的法向黏結性能，結果顯示破壞均發生于基體内部，表明噴膜與基體之間具有良好的黏結強度。開展了噴膜的塊體承載能力測試，分析了噴膜承載的不同階段，獲得了被測噴膜的線性承載能力名額，基于所獲得的名額對噴膜的塊體承載能力進行了評估，認為噴膜理論上具有強大的塊體承載能力。基于煤礦巷道工程特點，探讨了噴膜潛在的圍岩封閉、金屬支護構件封閉、注漿時壁面封閉等密閉作用，在承載及時性、承載能力、變形能力、與圍岩表面貼合性、施工性能、結構性作用、密閉性能等方面，對噴膜與網、噴射混凝土開展了詳細的對比分析，認為噴膜在大多數名額中表現優異，尤其在施工方面具有明顯優勢。進一步讨論了噴膜在煤礦巷道錨杆支護中應用的原則，分析了噴膜在錨杆支護中的功能定位和不能适用的３ 種典型工程條件，為噴膜在煤礦巷道錨杆支護中的應用提供了參考。
研究背景
大陸煤礦巷道支護主要采用錨杆支護，網的作用是與托闆、鋼帶等構件将錨杆的預應力擴散到距離錨杆更遠的圍岩中，防止錨杆之間的小尺寸松脫岩石塊體脫離原位，進而維持支護體－圍岩系統的穩定。錨杆支護體系下對圍岩初期松動變形的有效控制十分重要，然而普通金屬網必須在圍岩發生相當的變形量（可能數十厘米）之後才能起到承載和支護作用；煤礦巷道圍岩表面難以保證良好的平整度，網與岩面之間無法實作良好的貼合，難以及時承載。錨杆的施工基本實作了機械化，然而網的安裝作業機械化程度低，給巷道支護效率、安全性帶來挑戰。噴射混凝土是另外一種表面支護方式，主要作用是封閉圍岩防止風化，同時發揮改善圍岩和支護結構的應力狀态、防止破碎圍岩中岩石掉落等力學作用。然而，煤礦巷道一般變形量大，深井軟岩巷道掘進期間圍岩變形甚至達數百毫米，而噴射混凝土屬于脆性材料，巷道來壓後噴層因不能承受大的拉應力會發生拉伸破壞，無法對巷道圍岩的穩定起到支護作用；同時破壞、脫落的噴層自身也易成為安全隐患。此外，噴射混凝土的施工還存在一些問題，如施工粉塵大、施工速度慢、回彈率高、用工量大、物料運輸量巨大等問題。針對錨杆支護體系，對新型護表方法、材料開展研究具有重要意義。
内容概要
１ 噴塗柔膜技術特征
基于材料的上述性能和施工特點，從工程特性的角度認為“噴塗柔膜”包含了更為完整和準确的工程語義。其中，“噴塗” 展現了該技術的施工特點，包含了材料與岩體的黏結性，以及能夠适應不平整岩體表面的特性，顯示了與網等卷材的不同；“柔”表明材料具有變形能力，有别于脆性的噴射混凝土；“膜” 展現了極小的施工厚度。基于上述分析，對噴塗柔膜技術的再定義如下：通過噴塗的施工方式，将高分子材料或高分子複合材料施加至圍岩表面，固化後形成與基體緊密黏結且具有變形能力薄層的技術。以下以“噴膜”作為簡稱。噴膜材料一般分為反應型和非反應型。
２ 噴塗柔膜技術研究進展
2.1 國外研究進展
2.1.1 力學性能測試
１）拉伸性能測試。
２）黏結性能測試。
３）抗剪切性能測試。
2.1.2 支護作用
2.2 國内研究進展
雖然學者們針對噴膜的支護效果開展了一些研究工作，但是由于噴膜與混凝土相比厚度很小，且其表現出明顯的柔性，是以其支護效果仍受到懷疑；将噴膜用于礦山支護時，也缺乏廣泛接受的測試、設計、施工依據。在煤礦條件下，尤其是作為支護方法的應用案例和原理研究還比較少。
３ 礦用噴膜材料的選擇
3.1 拉伸性能
3.2 法向黏結性能
3.3 塊體承載特性
圖１ 拉伸測試試樣
圖 ９ 模拟松脫岩體的半球體
3.4 潛在密閉作用
噴膜的潛在密閉作用首先展現在對開挖後的圍岩進行密閉防止風化。地下岩體開挖後與空氣接觸，岩石顆粒之間的膠結容易因風化而削弱，進而形成和加劇岩體裂隙，降低岩體的實體力學名額。開挖後的圍岩表面施工噴膜形成屏障，可以阻止巷道空氣中水分的侵入，防止圍岩的弱化。當與錨杆支護配套使用時，噴膜對金屬支護構件實作包裹，可以阻止空氣中水汽對構件的侵蝕，防止構件鏽蝕、弱化，進而提高錨杆支護系統的可靠性。此外，注漿時對圍岩表面封閉防止跑漿也是噴膜的潛在密閉作用之一。
４ 噴膜與常見護表性能對比
４.1 承載及時性
４.2 承載能力
４.3 變形能力
４.4 與圍岩表面的貼合性
４.5 施工
４.6 結構性作用
４.7 密閉作用
圖10 護表下沉0.15個機關時的狀态
圖11 網與噴塗柔膜承載能力示意
圖13 不同護表方式對圍岩表面的貼合
表１ 不同護表方式的性能對比
５ 噴膜的适用性評價
５.1 應用原則
煤礦現場對噴膜作為一種支護方式的主觀接受需要一個過程，噴膜在錨杆支護中的應用應該循序漸進：先在簡單的工程條件下試
用，繼而進行總結、改進并擴充至其他條件。
５.2 潛在應用
１）在特定的條件下取代厚層噴射混凝土。
２）在特定條件下取代金屬網。
５.3 施工的受限條件
１）巷道圍岩已經嚴重破碎時。
２）岩體有淋水時。
３）表面已經弱化或有大量粉塵堆積的軟弱岩體。
結 論
１）典型的噴塗柔膜在拉伸測試中表現出及時承載、大變形特性，與岩石基體可良好地黏結，這對于及時發揮承載作用、适應煤礦岩體的大變形特性是有利的。
２）塊體承載時，噴膜能夠在塊體移動初期快速建立強度，承載能力名額表明，噴膜具有良好的塊體承載潛力。
３）噴膜能夠及時承載，但是承載能力弱于噴射混凝土和網，且無法發揮結構性作用；在施工方面明顯優于現有的護表方式；與網相比，其優越性還展現在能夠适應煤礦巷道的不平整岩面。
４）噴膜在煤礦井下的應用應遵循循序漸進的原則，可以首先在不需要發揮結構性作用時代替噴射混凝土，或者在地質條件良好時部分取代網。此外，噴膜可以與現有護表方式組合使用。
引用格式
張農，魏群，吳建生.煤礦巷道噴塗柔膜技術及适用性［J］.煤炭科學技術,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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