新型喷浆材料与配套工艺技术研究

新型喷浆材料与配套工艺技术研究项目论证报告兖州煤业股份有限公司南屯煤矿杭州求是支护器材有限公司浙江大学二○○七年七月目录1.项目的必要性1.1国内外喷浆技术的发展 (1)1.2干（潮）喷浆技术存在的问题 (2)1.3改性喷浆材料湿喷技术的特点 (2)1.4我国改性水泥和混凝土的研究水平及在煤炭系统应用的意义 (3)2.研究开发内容2.1聚合物改性混凝土研制 (4)2.2聚合物改性水泥研制 (4)2.3湿式混凝土喷射机研制 (4)2.4湿式水泥浆喷射机研制 (5)3.主要经济技术指标、项目最终目标3.1研发项目的经济技术指标 (5)3.2项目最终目标 (6)4.关键技术及创新点4.1项目关键技术 (6)4.2项目创新点 (6)5.研制开发的技术路线，实施的方式、方法、步骤5.1聚合物改性的研制方案和方法 (8)5.2喷射机的开发思路和方案 (9)5.3项目实施的步骤 (9)6.技术、经济可行性及可靠性分析、论证 (9)7.对安全、环境、健康的影响性分析 (10)8.现有基础、技术条件，保证体系 (10)9.经济、社会效益分析9.1环境效益 (11)9.2速度效益 (11)9.3质量和安全效益 (12)9.4经济和社会效益 (12)10.项目实施进度计划（按年、月的详细进度计划） (12)11.经费计划（费用性、资本性分开，尽量列出明细） (13)12.项目负责人、项目组成员 (14)新型喷浆材料与配套工艺技术研究项目论证报告一、项目的必要性喷射混凝土是煤矿井巷支护技术、设计和施工方法的一次重要变革，在井下施工中喷射混凝土的应用越来越广泛。

喷射混凝土具有速凝的特性，其施工必须采用特定的混凝土喷射机进行喷射作业。

1.国内外喷浆技术的发展1907年，美国研制了世界上第一台单罐式混凝土喷射机，随后又出现了双罐式混凝土喷射机、直筒转子式干式混凝土喷射机、“U”型料腔转子式干式喷射机；70年代美国、瑞士、德国、日本等国家开始研制湿式喷射机；80年代，国外已逐渐淘汰干式、潮式喷射机，开始推广应用各种型式的湿式混凝土喷射机，同时，各种改性混凝土开始在美国、德国、英国、俄罗斯及日本商业化应用。

部分国家喷射混凝土作业中干喷与湿喷所占比例国外混凝土喷射机经历了近百年的发展，已从结构简单、功能单一、喷射质量差的罐式喷射机发展为具有上料、配料、搅拌、外加剂添加与输送、喷射为一体，具有智能控制水平的湿式混凝土喷射机组。

我国混凝土喷射技术起步较晚，二十世纪60年代，开始从国外引进混凝土喷射技术并在岩巷进行试验。

1965年，我国研制出第一台双罐式混凝土喷浆机。

随后也沿着国外的道路探索前进，其中以煤科总院南京研究所为最具代表性。

由于种种原因，国内目前仍以干（潮）式喷射机为主。

随着人们环保意识的增强以及对喷射混凝土质量要求的提高，越来越多的从国外引进的湿式混凝土喷射机进入国内大型水利工程，如二滩水电站，黄河小浪底工程，三峡工程等，近几年来，国内也开始研发湿式混凝土喷射机，但实际应用的技术水平尚有待于提高。

2. 干（潮）喷浆技术存在的问题国内煤矿使用喷射混凝土的材料基本以水泥、砂石、粉煤灰及速凝剂等按一定比例拌合而成，用干（潮）式混凝土喷射施工。

随着煤矿开采水平的提高，现用的喷浆技术的缺陷也显露出来：（1）喷涂层开裂随着井下压力越来越大，在动压（或冲击压力）的作用下，缺乏韧性的喷涂层经常出现龟裂、爆裂或整块脱落的现象（在采动压影响较大的区域喷涂层混凝土的开裂度高达50％），严重影响了支护效果，甚至造成人员伤亡和设施损毁的重大事故。

（2）喷涂层脱层井巷喷浆界面组成成份复杂，喷浆料与喷涂界面的粘附性参差不齐，加上现有喷涂混凝土弹性模量低，容易与喷涂界面分离、脱层，直接影响支护效果。

（3）质量控制难受井下作业环境和操作人员素质的限制，对现有喷浆料的配比及混合工艺无法实施有效控制，喷涂层质量难以保证。

（4）回弹率高干（潮）喷施工，物料与水在喷出口处汇合，未经过搅合工艺，水泥的粘结作用不能充分发挥，直接导致喷射回弹率居高不下，人力、物力浪费严重。

（5）致密性差现有喷浆料本身的致密性和防渗性较差，目前的工艺只能用加厚喷涂层的办法防渗水，大幅度增加了巷道支护成本。

而现有喷浆料喷涂的厚度越厚，脆性也越大，就越容易开裂，甚至脱落。

（6）粉尘大传统干（潮）喷施工作业粉尘较大（粉尘浓度在50～80 mg ∕ m3），水泥粉尘是一种吸水性很强的物质，吸入肺部后不易分解、代谢，是矿工得肺矽病的主要原因。

3. 改性喷浆材料湿喷技术的特点采煤业发达国家煤矿井巷不少采用湿喷技术施工，表面喷浆材料则用丙烯酸酯聚合物改性水泥和混凝土。

这种改性技术和施工方式主要优异性概括起来如下：（1）改性水泥和混凝土具有抗压强度、粘结强度、防渗性优异等特点。

（2）改性水泥和混凝土具有较好的弹性模量，喷涂层不易开裂。

（3）降低作业粉尘浓度（降低至5～10mg ∕ m3），消除了对工人健康的危害。

（4）回弹率低。

干喷时，混凝土回弹率可达30%以上。

采用湿喷技术，回弹率可降低到10%以下。

（5）有效克服普通水泥和混凝土致密性差的缺陷，防止风化。

（6）工程质量容易控制。

湿喷时，由于聚灰比、水灰比易于控制，水泥和混凝土和化程度高，故可大大改善喷射水泥和混凝土的匀质性。

聚合物水泥砂浆混凝土（PCC）：聚合物改性水泥和混凝土是通过聚合物在水泥或混凝土与填料间形成具有较高粘合力的膜，并堵塞混凝土内的空隙来实现混凝土高性能化的。

水泥水化与聚合物成膜同时进行，普通水泥和混凝土在水化反应过程中会消耗水，原先存在水的地方会形成空隙和微裂纹，在添加聚合物后，具有一定弹性的聚合物大分子会沿着缝隙和微裂纹方向延伸，部分填充空隙和微裂纹，阻止微裂纹进一步扩张，降低空隙率，从而阻止水的渗透，又提高了形变性能，防止龟裂。

同时，添加的聚合物在水泥和混凝土中自身也会固化，形成连续的聚合物分子网状结构，并吸附在无机胶材料的周围，从而达到增强的效果。

PCC的强度是其使用的一项重要指标，研究表明当P/C（聚灰比）为某一值时，强度出现极大值，进一步增加聚合物时，强度则会下降，当P/C低于某一值时，会出现比普通水泥砂浆混凝土强度低的情况。

聚合物用量取决于成本及性能，一般聚合物占水泥5～10% m/m。

水泥砂浆掺入聚合物后原来所具有的部分网络结构被橡胶所填充，水泥与砂子的界面由橡胶起粘结作用，因橡胶本身的高弹性，降低了砂浆的吸水率和干燥收缩力，从而提高了它的抗龟裂性，喷涂层不易开裂。

聚合物的加入对水泥砂浆混凝土的水化程度没有显著影响，实验表明聚合物对水泥砂浆混凝土有明显的减水作用，水灰比主要取决于混凝土的流动性，水灰比增加时，抗折强度降低，抗渗性变小。

水灰比一般在30～45%m/m。

聚合物水泥砂浆混凝土由于加入聚合物后，很容易在PCC表面上形成一层膜，湿固化时间将缩短，干固化时间延长，一般采用湿固化3～5天，干固化21～28天。

本项目旨在开发一种具有以上特性的高分子聚合物改性的水泥和混凝土喷浆材料及用该材料在煤矿井巷施工的设备——湿式混凝土喷射机和湿式水泥浆喷射机。

4. 我国改性水泥和混凝土的研究水平及在煤炭系统应用的意义我国从60年代初开始研究应用聚合物改性水泥和混凝土，但由于聚合物生产成本较高，产品质量不能完全满足要求，研究处于低谷。

随着我国化学工业不断发展，从80年代开始，这一领域的研究重新得到重视。

对各种聚合物改性的效果、改性机理、聚合物与水泥、水泥水化产物之间的作用机理等从理论上进行了较深入的研究，并在众多水利工程及地面建筑项目中应用，已接近世界先进水平。

我国是世界采煤大国，煤炭系统受体制及历史改革的限制，整体技术应用水平相对落后。

随着科学技术的进步、人本主义的提高、环保意识的增强，在我国煤炭系统推广聚合物改性水泥和混凝土湿喷技术，对节约资源、改善井下作业环境、提高喷浆支护效果不仅有重大的现实意义，更有深远的历史意义。

二、研究开发内容研究开发的主要内容包括以下四项：1. 聚合物改性混凝土研制（1）研究混凝土改性用聚合物的种类及其用量对成品力学性能（抗压强度、抗折强度、抗拉强度、抗渗性）的影响：聚合物选用丙烯酸酯类聚合物，合成聚合物的分子结构、玻璃化温度、分子量和分布等特性是聚合物的种类选择的关键。

（2）研究聚合物改性混凝土的聚灰比及水灰比对成品力学性能的影响：聚合物改性混凝土的强度是其使用的一项重要指标，当P/C（聚灰比）为某一值时，强度会出现极大值，进一步增加聚合物时，强度则会下降，当P/C低于某一值时，会出现比普通水泥砂浆混凝土强度低的情况，找到最佳聚灰比。

（3）聚合物改性混凝土中各种添加剂（速凝剂、减水剂、增粘剂、早强剂、防水剂等）种类及其用量的筛选和确定。

（4）聚合物改性混凝土的固化养护工艺条件的优化（湿固化和干固化天数）。

聚合物水泥砂浆混凝土由于加入聚合物后，很容易在PCC表面上形成一层膜，湿固化时间将缩短，干固化时间延长，找到最佳湿固化和干固化天数。

2. 聚合物改性水泥研制聚合物改性水泥的开发内容及手段与聚合物改性混凝土研制类同：（1）研究水泥改性用聚合物的种类及其用量对成品力学性能的影响。

（2）喷浆用聚合物改性水泥的聚灰比及水灰比对成品力学性能的影响。

（3）聚合物改性水泥中各种添加剂种类及其用量的筛选、确定。

（4）聚合物改性水泥的固化养护工艺条件的优化。

3. 湿式混凝土喷射机研制研制一种用上述聚合物改性混凝土在煤矿井巷施工的设备。

研究聚合物改性混凝土输送和喷射过程中的流变特性；研究风动和电动双动力源的转换及喷射机停机时的快速清洗机构。

4. 湿式水泥浆喷射机研制研制一种用上述聚合物改性水泥在煤矿井巷施工的设备；研究聚合物改性水泥输送和喷射过程中的流变特性及新型湿式水泥浆喷射机停机时的快速清洗机构。

三、主要经济技术指标、项目最终目标1、研发项目的经济技术指标（1）聚合物改性混凝土的性能与原用混凝土在同等面积及支护强度（终凝后抗压强度4 MPa）要求下，聚合物改性混凝土的喷射厚度比原来减少40％，改性物料的直接成本增加不超过20%；若聚合物改性混凝土的喷射厚度减少20％，抗压强度增加，则物料的直接成本基本持平。

此外，聚合物改性混凝土的抗弯强度、抗冲击强度及弹性模量与原用混凝土相比将有明显的增强。

（2）聚合物改性水泥的性能聚合物改性水泥的致密性增加，弹性模量约在10GPa，耐渗水；要求封闭用聚合物改性水泥喷射厚度控制在（5～10）mm左右，成本控制在混凝土喷浆料的1/3。

（3）湿式混凝土喷射机的性能适应于大巷聚合物改性混凝土湿喷作业的需要，采用风动和电动双动力源；生产效率2～3 m3/h；水平输送距离≥40m，垂直距离≥30m；回弹率平均≤10%。

（4）湿式水泥浆喷射机的性能适应于煤巷封闭及局部复喷需要的聚合物改性水泥浆湿式喷射机，采用单一风动动力源；生产效率1～2 m3/h；水平输送距离≥30m，垂直距离≥20m；回弹率平均≤10%，设备重量控制在200kg左右，便于搬运。