一种矿用复合薄喷材料及其制备与使用方法与流程

本发明属于煤矿阻燃堵漏材料领域，具体涉及一种矿用复合薄喷材料及其制备与使用方法。
背景技术：
：随着煤矿开采程度的逐渐加大，目前我国每年新掘巷道数万公里，多条巷道构成了庞大的矿井开采体系。因此，巷道支护体系的稳定与保养对矿井安全高效生产起到关键作用。在我国井下巷道开采支护过程中，锚杆支护作为一种常用的支护方式，是通过锚杆将金属网固定在被加固矿岩的表面上，形成锚杆金属网联合护顶，随后在进行喷浆加固，这种支护方法安全可靠具备较高的经济价值,且其控制围岩变形的效果也很好,施工速度较快。但是由于井下环境的恶劣，潮湿的环境经常会引起金属锚网的严重腐蚀以及喷浆巷道外表的严重风化，对巷道工作人员的安全造成了严重威胁。与此同时，近年来，避难硐室作为紧急避险设施是矿井发生事故时工作人员进行紧急避险的重要井下建筑，但由于井下环境恶劣，有时候避难硐室无法避免地设置于煤岩中，可能会受到瓦斯泄漏、积聚与超限的困扰，对避难人员的生命安全具有很大威胁。目前，井下恶劣的开采环境对于围岩风化以及巷道锚固件的侵蚀形成较大威胁，泥质胶结顶板强度低，易破碎，渗水性好，为裂隙水提供了通道。虽然采取喷浆隔离能够较好的保护巷道及锚固件，但混凝土层承载着巷道围岩等荷载，喷层会发生一些其他形式的破坏，例如鼓起、剪切等，因此封闭效果不甚理想。由于锚杆间距及围岩下沉等的作用，使杆间出现大的形变，混凝土固化后弹性较弱，极易出现喷层剥离岩体发生脱落。混凝土喷层硬化后，其在周角点锚杆的方形格子内形成块状水泥板，在拉应力的作用下裂隙首先从水泥板的薄弱处形成，且不断地向外延伸拓展并与围岩分离出现脱落。由此可见，锚喷支护损坏现象中，混凝土喷层断裂和脱落是常见的损坏现象，影响了煤矿井下的效率和安全。技术实现要素：本发明的目的之一是提供一种矿用复合薄喷材料，封闭性好，不仅能提高巷道及锚固件的支护强度，而且能治理瓦斯，不易开裂，安全可靠。本发明的目的之二是提供上述矿用复合薄喷材料的制备方法，操作简单。为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种矿用复合薄喷材料，由以下质量百分比的组分制成：40％～50％脱炭粉煤灰，0.5％～2％石墨烯纳米粉，15％成膜剂，1％分散助剂，0.2％～0.4％增稠剂，1％～2％硅烷偶联剂，余量为水。优选的，所述矿用复合薄喷材料，由以下质量百分比的组分制成：40％脱炭粉煤灰，2％石墨烯纳米粉，15％成膜剂，1％分散助剂，0.4％增稠剂，2％硅烷偶联剂，余量为水。所述石墨烯纳米粉直径为10～50μm。所述成膜剂为zt-8701高模数硅酸钾，稳定性好，耐水性能优异，附着力强，干燥速度快，成膜不易龟裂，施工性能好。所述分散助剂为十二烷基苯磺酸钠(sds)或十二烷基硫酸钠(sdbs)，具有良好的表面活性，亲水性较强,润湿时具有突出的黏性和可塑性，干燥后表面收缩小，基本无裂纹，能够显著改善涂料的流平性和悬浮性。所述增稠剂为聚丙烯酸钠，涂膜性能优异，可作为良好的增稠剂，耐水耐化学性较好、干燥快、施工方便。本发明还提供上述矿用复合薄喷材料的制备方法，具体步骤如下：步骤一，按配比将石墨烯纳米粉和硅烷偶联剂放入一定量的水中，在1200～1500r/min转速下搅拌10min，随后超声分散30min，得到较稳定的石墨烯分散液；步骤二，将成膜剂加入到石墨烯分散液中，在1600～2000r/min转速下搅拌20min，得到基料；步骤三，依次将分散助剂、增稠剂加入基料中，最后加入脱炭粉煤灰，将所得的混合液在1600～2000r/min下搅拌20min，储存备用。本发明的目的之三是提供上述矿用复合薄喷材料的使用方法，施工简单快速，方便输送。本发明提供的上述矿用复合薄喷材料的使用方法，具体步骤是：将配制好的复合薄喷材料置于喷射机开放式的料仓，在需要堵漏的地点使用喷涂材料时，先行清理作业现场，拆除作业面障碍物，清除开挖面的浮石、墙角的岩渣、堆积物；埋设控制喷射水泥基浆液厚度的标志；清洗煤岩壁、金属网，并使其材料喷涂均匀；每层喷浆完成后，间隔1～2d，待原喷层完全干燥后再进行二次复喷堵漏，使涂层结构更加稳定。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1.本发明的薄喷材料克服了传统喷涂材料体系中低效、高耗及污染严重等缺点，既能达到传统喷浆的作用效果，并且能够快速施工，大幅提高掘进速度；施工时低粉尘、不回弹，绿色环保且节省材料；柔性好、不易开裂，既使开裂也不片落伤人，安全可靠；2.本发明的薄喷材料具有阻燃性能好、抗氧化性能良好、密封性强、堵漏效果好的特点，能够有效抑制煤壁氧化，阻燃防静电，在一定期限内封堵瓦斯，减缓瓦斯超限；3.薄喷过程中，喷射支护手段易于掌握和控制，适应性强，操作简单，有效降低了施工劳动强度，提高了施工速度；4.薄喷工艺系统移动灵活，方便输送，减少了大量的辅助运输及其它辅助工作量，对缓解矿井井下运输具有实际意义；5.薄喷封闭性好、表面光滑，有利于矿井通风。6.薄喷技术为矿井的高产高效及加快巷道的开拓与维护速度提供了保证，不仅具有显著的经济效果，而且具有良好的社会效益和广泛的应用前景。附图说明图1是本发明的矿用复合薄喷材料的制备工艺流程图。图2是本发明的矿用复合薄喷材料在避难硐室瓦斯治理的应用示意图。图3是薄喷前后避难硐室瓦斯分数对比图。图4是本发明的矿用复合薄喷材料针对巷道加固实施例图。图5是本发明的矿用复合薄喷材料对上下隅角堵漏实施例图。图中，1-锚喷支护层，2-功能层，3-封闭层，4-装饰层，5-硐室，6-金属网，7-巷道壁面，8-喷头，9-上隅角金属网，10-下隅角金属网，11-端头支架，12-薄喷涂层。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。实施例1一种矿用复合薄喷材料，由以下质量百分比的组分制成：50％脱炭粉煤灰，0.5％石墨烯纳米粉，15％zt-8701高模数硅酸钾，1％十二烷基苯磺酸钠，0.2％聚丙烯酸钠，1％硅烷偶联剂，余量为水。实施例2一种矿用复合薄喷材料，由以下质量百分比的组分制成：45％脱炭粉煤灰，1％石墨烯纳米粉，15％zt-8701高模数硅酸钾，1％十二烷基硫酸钠，0.3％聚丙烯酸钠，1％硅烷偶联剂，余量为水。实施例3一种矿用复合薄喷材料，由以下质量百分比的组分制成：40％脱炭粉煤灰，2％石墨烯纳米粉，15％zt-8701高模数硅酸钾，1％十二烷基苯磺酸钠，0.4％聚丙烯酸钠，2％硅烷偶联剂，余量为水。其中，脱炭粉煤灰作为无机填料，脱炭处理后的粉煤灰使得煤矿井下巷道喷涂材料抗渗性、粘结强度、抗拉强度都得到有效改善，其微小颗粒填充在浆体空隙中，使毛细空隙“细化”，提高了材料的密实度，降低了吸水率，同时降低了成本。石墨烯纳米粉作为一种新型抗氧化材料，可填充到喷涂材料的孔洞、缺陷及缝隙中，能迅速改变基体的渗透性，降低瓦斯浓度，增强涂层屏蔽效应的作用，能对煤表面起到抗氧化的作用。直径为10～50μm，纯度大于95wt％，厚度为3nm。zt-8701高模数硅酸钾作为成膜剂，耐水性能优异，附着力强，干燥速度快，成膜不易龟裂，施工性能好。阴离子表面活性剂作为分散助剂，具有良好的表面活性，亲水性较强,润湿时具有突出的黏性和可塑性，干燥后表面收缩小，基本无裂纹，能够显著改善涂料的流平性和悬浮性。聚丙烯酸钠作为增稠剂，涂膜性能优异，耐水耐化学性较好、干燥快、施工方便。硅烷偶联剂能够有效改善填料在复合材料中的分散性及粘合力。如图1所示，具体制备步骤如下：步骤一，将配制好的的石墨烯纳米粉和硅烷偶联剂放入纯净水中，在1200～1500r/min转速下搅拌10min，随后将其放入超声波清洗仪超声分散30min，得到较稳定的石墨烯分散液；步骤二，将zt-8701高模数硅酸钾溶液加入到石墨烯分散液中，在1600～2000r/min转速下搅拌20min，得到基料；步骤三，依次将十二烷基苯磺酸钠(sdbs)/十二烷基硫酸钠(sds)、聚丙烯酸钠等助剂加入基料中，最后加入脱炭粉煤灰，将所获得的混合液在1600～2000r/min下搅拌20min，将材料储存备用。对所制备的薄喷材料进行阻燃与抗氧化性能测试，对比常用喷涂材料粉煤灰，分别得出各种材料的热释放速率峰值(phrr)，总热释放速率(thr)以及极限氧指数(loi)，测试结果如表1所示。各项指标说明了本发明制备的复合薄喷材料可显著改善普通喷涂材料的阻燃与抗氧化性能。表1阻燃与抗氧化性能测试样品phrr(kw·m-2)thr(mj·m-2)loi(％)粉煤灰材料1320.12100.517实施例1898.5286.5221.4实施例2758.6483.2221.8实施例3732.5580.5721.7在矿井下实施运用薄喷材料时，结合粉体喷射机，将配制好的薄喷材料置于喷射机开放式的料仓，该料仓可将常温的喷涂材料进行储存，以便配合喷射机将混匀的喷涂材料运用于现场特定区域。在需要堵漏的地点使用喷涂材料时，先行清理作业现场，拆除作业面障碍物、清除开挖面的浮石、墙角的岩渣、堆积物；埋设控制喷射水泥基浆液厚度的标志；清扫(清洗)煤岩壁、金属网，使其材料喷涂均匀。每层喷浆完成后，间隔1～2d，待原喷层完全干燥后再进行二次复喷堵漏，达到更好的效果，使涂层结构更加稳定。以实施例3配制的复合薄喷材料为例，分别应用于避难硐室瓦斯治理、巷道加固以及上下隅角堵漏。应用实例1如图2所示，薄喷材料的研制对预防井下避难硐室瓦斯泄漏问题具有重大意义。由图2可知，针对新建避难硐室5，该薄喷材料可用作新建避难硐室5的多层结构进行封闭围岩。从围岩到硐室5内部可分为4层，第1层是用薄喷材料和锚杆形成锚喷支护层1；第2层可称为功能层2，该层主要采用钢筋混凝土实现强化支护，也可根据需要再增添具有保温隔热效果的衬层以应对高地温矿井；第3层为封闭层3，利用此薄喷材料对已有支护层进行封闭，为杜绝有害气体设立双保险；第4层为装饰层4，根据自身要求可设可不设，进而多层围岩防护可有效预防井下避难硐室瓦斯泄漏。对未进行薄喷工艺和进行薄喷工艺的避难硐室瓦斯浓度进行相关检测，对比结果如图3所示。关于已建成的避难硐室，找出避难硐室四周可能发生漏风的裂缝与脱落，利用相关气体传感器进行瓦斯气体检测，对这些区域进行喷涂堵漏，在完成壁面裂缝与可能漏风地点的喷涂工作后，可对避难硐室内部整体进行薄喷，以便防止有毒气体的泄露，危害避险人员生命健康。应用实例2矿井某些区域涌水量较大，为了防止其对锚网和其他支护设备的腐蚀，很多矿井采用混凝土复合材料进行喷涂保护，但喷层断裂和脱落是常见的损坏现象，严重影响了煤矿井下的效率和安全。本发明提供的复合薄喷材料组合锚杆或锚网支护，如图4所示，在建立锚杆与金属网6对巷道壁面7协同支护的条件下，用喷枪8进而对巷道壁面7进行均匀喷涂，实现对巷道围岩及锚固件及时有效的封闭。该材料能够有效防止巷道围岩风化及锚固件的锈蚀，同时在成膜、延展、环保、阻燃及强度方面均满我国井下巷道薄喷封闭的要求，在巷道支护方面具有很大前景。应用实例3在工作面回采过程中，上下隅角都会产生一定的压差，围岩会存在不可忽视的缝隙，这不仅会造成工作面漏风严重，可能会导致采空区煤自燃，从而造成一定的事故隐患。同时，裂隙的存在会导致瓦斯泄漏，致使工作面瓦斯超限，对矿井的安全生产与工作人员的人身安全产生很大威胁，一般的喷涂材料容易产生脱落、鼓起和剪切等，封闭效果不甚理想。因此，如图5所示，在上下隅角段端头支架11的后方，分别铺设上隅角金属网9和下隅角金属网10，然后采用本发明实施例3配制的薄喷材料对金属网所铺设区域进行喷涂，形成均匀的薄喷涂层12，此项工艺不仅对金属网有一定的防腐能力，而且有效地对围岩有一定的承载能力，形成良好的堵漏墙。针对工作面上下隅角堵漏可每月补喷一次，有效保障的工作面的安全回采。当前第1页12