一种用于矿井巷道支护的柔性喷涂材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种用于矿井巷道支护的柔性喷涂材料及其制备方法和应用，属于矿井巷道支护技术领域。
背景技术
我国地下矿山采矿正面临着地质条件复杂，开采条件严峻以及岩崩、地质塌陷、矿渣对土地占用大等亟待解决的问题。如煤矿井下围岩体潮解、风化，导致煤岩体开裂、地下水渗漏、漏风和瓦斯聚集等，严重影响煤矿安全生产；煤矸石是煤矿开发过程中产生的大量固体废弃物，占用大量土地面积，且含多种有害组分，长期暴露在大气中导致土壤和水体污染。锚喷技术是我国目前矿井应用较成熟的巷道支护技术，包含喷射浆料、锚杆、钢拱架、钢筋网等多种支护形式，通过合理组合锚喷支护中的一种或几种支护形式，可以提高不同围岩的稳定性。喷射浆料是锚喷技术重要的组成部分，在围岩表面进行喷涂，可以封闭围岩的暴露面，提高密闭性和耐久性。目前，锚喷支护所使用的喷浆材料以喷射混凝土等水硬性胶合料为主，采用干式喷浆机施工，施工工艺简单、设备价格低廉、操作简便，但是在长期应用中，喷射混凝土仍然存在一些不足：
(1)混凝土干喷过程粉尘污染重，在人体内易残留，影响矿工身体健康；
(2)回弹率高，物料浪费严重；
(3)混凝土为脆性材料，其抗拉强度低，抗变形、抗开裂性能差，与锚杆的拉拔作用不相匹配，喷浆层易脱落、开裂，需要反复维护；
(5)混凝土致密性差，为达到封闭围岩的暴露面防止围岩潮解、风化等目的，目前工艺需要增加喷浆厚度(一般要求10cm以上，在凹凸不平和严重开裂等位置，喷浆厚度增厚达30cm)，物料用量大，耗费人工多，增大井下运输压力，同时厚度的提高也增加了喷浆层脱落的风险。
(6)混凝土材料固化时间长，达到能满足支护需求强度的速度较慢，施工时间长。
现有技术针对粉尘污染重、回弹率高、浆料用量大，成本高等问题做了较多改进，如专利CN107522442A立足于干喷工艺法的改进，将浆料在工厂混合加工好，井下直接加水使用，改进后的工艺可以降低喷射混凝土过程中的粉尘污染和回弹率；专利CN1281829A、CN105110718A和CN107352904分别公布了一种利用煤矸石制备的喷浆混凝土支护材料，具有高的抗压强度，喷射过程中粉尘污染和回弹率降低，同时由于使用废弃的煤矸石作为原料，降低了材料成本，增加了经济效益，同时缓解了污染环境的问题。但上述技术只是降低了回弹率，同样存在喷射混凝土过程中物料回弹浪费的问题，且没有明显提高支护材料的致密性、抗拉强度及抗变形能力，因此喷浆层厚度大、易脱落开裂等问题不能有效解决。专利CN1686197A和CN103159439A公布的技术中，通过在喷浆支护材料制备过程中加入聚合物乳液(如聚醋酸乙烯乳液、丁苯乳液、苯丙乳液、丙烯酸乳液等)、聚合物纤维等，可以提高材料韧性(提高拉伸强度和断裂伸长率)和致密性，达到喷浆层不易开裂脱落，降低喷浆层厚度的效果。但CN1686197A公布的技术中，固化时间只有几十秒，不利于现场施工；专利CN103159439A使用了大量的聚合物乳液(聚合物乳液∶粉体＝2∶1)，材料成本高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种用于矿井巷道支护的柔性喷涂材料及其制备方法和应用，解决矿井巷道锚喷支护过程中喷浆材料用量大，浆层厚、回弹率高、材料成本高粉尘、污染严重、致密性差、容易脱落等巷道喷浆长期存在的问题。
本发明的技术是通过以下技术方案实现的。
一种用于矿井巷道支护的柔性喷涂材料，该柔性喷涂材料为有机无机复合材料，包括组分A和组分B，组分A与组分B的质量比为1∶0.5-3，优选质量份数比例为1∶1-2；
所述的组分A的原料包括细骨料、矿渣粉、水泥基胶凝材料、增强纤维、速凝剂和缓凝剂；以组分A原料总质量质量份数为100份计算，各组分的质量份数为：
优选24-28份的细骨料、13-17份的矿渣粉、50-58份的水泥基胶凝材料、0.15-0.25份的增强纤维、0.5-0.8份的速凝剂和0.05-0.25份的缓凝剂；
所述的细骨料为粒径小于5mm的粉末，具有提高喷浆材料胶凝体抗压强度和润滑性的作用，所述的细骨料选自石英粉、细砂、煤矸石、熟石灰、滑石粉中的至少一种，优选选自石英粉、细砂中的一种或两种混合物；细砂为河砂、河卵石、山砂、山卵石、海砂或海卵石；
所述的矿渣粉为冶金工业生产过程中或矿物开采过程中产生的各种具有一定活性的固体废料，适当的添加可以促进喷浆材料浆料固化反应，降低成本，所述的矿渣粉选自煤矸石、粉煤灰、锂云母渣、高岭土渣、玄武岩渣、高炉铁矿渣、锡矿渣、钨矿渣中的至少一种，优选选自煤矸石、粉煤灰、锂云母渣中的至少一种；
所述的水泥基胶凝材料具有增加喷浆材料胶凝体早期抗压强度的作用，提高施工安全性，所述的水泥基胶凝材料选自硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、矿渣水泥、粉煤灰水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、磷铝酸盐水泥、明矾石水泥中的至少一种，优选选自硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥中的一种；
添加少量增强纤维可以显著提高喷浆材料胶凝体韧性，大量添加增强纤维不利于材料成本控制，所述的增强纤维选自聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、碳纤维中的至少一种，优选选自聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维中的一种或两种；
所述的速凝剂具有提高喷浆材料浆料稠度、促进喷浆材料浆料胶凝的作用，所述的速凝剂选自82速凝剂、8880型水泥速凝剂、硅酸钠粉末、硅酸钾粉末、氢氧化钠粉末、氢氧化钙粉末、硫酸铝粉末、碳酸锂粉末中的至少一种，优选选自82速凝剂、硅酸钠粉末和硫酸铝粉末中的至少一种；
所述的缓凝剂可以调控喷浆材料浆料初凝反应时间，所述的缓凝剂选自酒石酸、柠檬酸、葡萄糖酸、水杨酸、糖蜜、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、淀粉、糊精、木钙、木钠中的至少一种，优选选自葡萄糖酸和葡萄糖的一种或两种；
所述的组分B的原料包括聚合物乳液、减水剂、速凝剂和稀释剂；以B原料总质量质量份数为100份计算，各组分的质量份数为：
优选82-85份的聚合物乳液、6-8份的减水剂、3-4份的速凝剂和6-8份的稀释剂；
所述的聚合物乳液提高了喷浆材料胶凝体的抗压强度和韧性，具有降低喷浆层厚度、防止喷浆层脱落和开裂的作用，所述的聚合物乳液选自聚醋酸乙烯乳液、乙烯-醋酸乙烯乳液(VAE乳液、EVA乳液)、聚丙烯乳液、丙烯酸乳液、丁苯乳液中的至少一种，优选选自EVA乳液和聚丙烯乳液的一种或两种；
添加适当量的减水剂不会影响喷浆材料胶凝体的抗压强度，且具有提高喷浆材料浆料泵送性能的作用，所述的减水剂选自萘系减水剂、脂肪族减水剂、木质素磺酸钠减水剂、聚羧酸减水剂、氨基减水剂中的至少一种，优选选自萘系减水剂和脂肪族减水剂中的一种或两种；
所述的速凝剂选自82速凝剂、8880型水泥速凝剂、硅酸钠粉末、硅酸钾粉末、氢氧化钠粉末、氢氧化钙粉末、硫酸铝粉末、碳酸锂粉末中的至少一种，优选选自82速凝剂、硅酸钠粉末和硫酸铝粉末中的至少一种；
添加稀释剂可以降低喷浆材料浆料的初始粘度，提升泵送性能，所述的稀释剂选自蓖麻油甲酸酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、乙二醇二乙酸酯、柠檬酸三丁酯、邻苯二甲酸二辛酯中的至少一种，优选选自乙酸乙酯、乙酸丙酯和乙酸丁酯中的至少一种。
一种用于矿井巷道支护的柔性喷涂材料的制备方法，将组分A的原料进行混合，搅拌，得到组分A；将组分B的原料进行混合，搅拌，得到组分B；使用时再将组分A和组分B进行混合，搅拌，得到柔性固结喷涂材料，组分A和组分B的质量份数比例为1∶0.5-3；优选质量份数比例为1∶1-2。
一种用于矿井巷道支护的柔性喷涂材料的应用，将柔性喷涂材料用于矿井巷道围岩表面或密闭墙表面的加固、防漏风、防潮和防瓦斯渗漏等治理，具体方法为：
(1)混料
向气泵喷涂设备的搅拌仓内先加入组分A，然后在搅拌下缓慢加入组分B，制备得到喷浆材料的浆料。组分B加入时间3-5min，不可太长，否则，浆料变稠，影响泵送。
(2)喷涂打料
开泵打料，待出料口浆料输出正常后，打开气阀雾化浆料，采用喷枪螺旋方式喷料，喷涂速度为0.3-0.7m2/min，喷涂距离为0.5～2m，每次喷涂厚度约2-5mm。喷涂30min后，观察浆料的表干情况，表面不粘手，则可进行第2次喷涂。喷涂施工时，应做到先整体后局部的喷涂方式，随时测量喷涂厚度，不足厚度处要补喷。一般情况下，需要喷涂2～3次。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明制备的矿渣基锚喷支护喷浆材料是一种有机无机杂化材料，无有害物质挥发，安全环保；
(2)采用矿渣掺杂喷浆材料，开发了矿渣的有效利用，缓解二次污染，降低成本；
(3)立面和顶面喷涂施工不流淌，施工环境友好，无任何回弹和粉尘污染问题；
(4)适当的固化时间，具有施工简便，施工快捷的特点；
(5)适宜的体系粘度、使浆料能渗透到围岩表面松散和破碎的缝隙中，并快速固结把围岩高强度的粘结成一个整体，防止围岩表面的任何松动和破碎；增长快速的抗压强度、抗拉强度和粘结强度以及较大的压缩变形率和拉伸形变率，解决了喷浆层厚度大、易脱落、开裂，需要反复维护的问题。尤其适用于井下关键或围岩碎裂严重位置的支护加固、防漏风、防渗漏治理；
(6)具有低的固化温度和阻燃特性。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合具体的实施方式对本发明优选实施方案作进行描述。
实施例1-5
按照下表1所列细骨料、矿渣粉、水泥基胶凝材料、增强纤维、速凝剂和缓凝剂的质量份数，经搅拌均匀制备得到组分A备用。
表1
按照下表2所列聚合物乳液、减水剂、速凝剂和稀释剂的质量份数，经搅拌均匀制备得到组分B备用。
表2
按照下表3所列组分A和组分B的质量份数，依照本发明提供的应用方法，在开裂密闭墙处进行喷涂施工，喷涂速度0.5m2/min，喷涂距离2m，每次喷涂厚度约2-5mm，喷涂次数2次，喷涂间隔30min，性能指标如表3所列。
表3
