用于吸附掌子面溢出瓦斯的复合材料及其施工方法与流程

本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种用于吸附掌子面溢出瓦斯的复合材料及其施工方法。

背景技术：

随着隧道建设规模扩大、数量的增多，越来越多的隧道穿越瓦斯积聚区山脉，瓦斯安全问题日益突出。隧道瓦斯涌出主要来源于掌子面处的岩层揭露，会引起中毒、窒息、燃烧、爆炸等多种灾难性后果。根据瓦斯赋存形式的不同，瓦斯涌出的形式分为缓慢渗入、快速涌入和突出等，其中突出最为强烈，危害最大。公路、铁路隧道施工时的开挖揭露面积大，施工过程中的爆破、机械振动等因素会综合导致瓦斯溢出量增多，且瓦斯在封闭的地下环境中难以消散，容易积聚引起浓度超标，威胁施工作业人员正常呼吸，甚至诱发爆炸，因此隧道施工中瓦斯管理与控制十分关键。目前，通风是保障瓦斯隧道施工安全的最主要途径，但隧道工程常用的压入式或巷道式通风中污风均沿着隧洞以开放气流形式向洞外排出，因此粉尘、瓦斯等有害介质呈一种开放型定向扩散状态，导致隧道整体长期处于有毒有害气体环境中。尤其当掌子面瓦斯涌出量极大时，大量的瓦斯直接沿隧洞向外流动，存在灾害扩散隐患。

针对掌子面揭露时瓦斯涌出量过大引起的潜在危害，目前的办法主要是超前地质钻探与通过钻孔超前排放瓦斯，以减少掌子面开挖时的瓦斯溢出量。但是，瓦斯仍然会以气体的形式扩散至隧道内部。当岩层瓦斯含量较高时，超前排放也具有一定危险性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种用于吸附掌子面溢出瓦斯的复合材料及其施工方法，施工方便，能够主动吸附掌子面内围岩溢出的瓦斯，确保隧道施工安全。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种用于吸附掌子面溢出瓦斯的复合材料，包括活性炭纤维粉、粘稠剂、发泡剂，所述活性炭纤维与粘稠剂的质量比为1：3～1：6，所述活性炭纤维与粘稠剂混合得到稠化溶液，所述稠化溶液与发泡剂的质量比为20：1～40：1。

优选的，所述粘稠剂由三聚氰胺甲醛溶液与水按质量比1：2～1：5混合而成。

优选的，所述活性炭纤维的纤维直径为10～13微米。

优选的，所述发泡剂为单组分聚氨酯泡沫剂。

本发明还提供一种用于吸附掌子面溢出瓦斯的复合材料的施工方法，包括以下步骤：

（一）复合材料备料：将活性炭纤维和粘稠剂按照比例混合形成含有活性炭的稠化溶液；将含活性炭的稠化溶液与发泡剂按比例称量备用；

（二）向掌子面围岩内注入复合材料，注入步骤如下：

（1）掌子面开挖与瓦斯检测：对围岩实施爆破与开挖作业，按施工计划开挖至隧道掌子面时，通过瓦斯检测系统与设备评估瓦斯气体的溢出量水平，并观察煤系岩体中岩体空隙的发育程度；

（2）封闭掌子面：当掌子面瓦斯溢出量较大时，对掌子面喷射5～10cm厚的气密性混凝土层，对瓦斯气体进行封闭；

（3）超前钻孔与袖阀管安装：在气密性混凝土层上按1.0～2.0m的间距超前钻孔，钻孔延伸至围岩内；将袖阀管安装在超前钻孔内，并采用塑胶泥将袖阀管的外露端与气密性混凝土层之间的空隙填充密实；袖阀管的侧壁上预先钻有若干个溢浆孔；

（4）将备好的含活性炭的稠化溶液及发泡剂分别注入双液注浆泵的第一浆料罐及第二浆料罐内，启动双液注浆泵，将含活性炭的稠化溶液及发泡剂注入双液注浆泵的空气室内，在空气作用下进行搅拌发泡，制成胶体泡沫状活性炭复合材料；

（5）掌子面超前注入：启动双液注浆泵将活性炭复合材料按0.5～1.0mpa的注浆压力沿着注浆管注入到袖阀管内，并沿着袖阀管侧壁上的溢浆孔进入煤系岩体围岩的岩体空隙中；每根袖阀管内达到规定注入量时，即可结束；在袖阀管的端部安装止浆塞。

优选的，所述双液注浆泵通过浆料管与袖阀管相连，所述浆料管的一端通过第一接头与双液注浆泵的出口相连、另一端通过第二接头与袖阀管的端部相连。

优选的，所述双液注浆泵包括泵体及第一浆料罐、第二浆料罐，所述泵体内设有混合室和空气室，第一浆料罐、第二浆料罐分别用于盛装含活性炭的稠化溶液及发泡剂；第一浆料罐、第二浆料罐均与混合室连通，所述混合室的出料口与空气室连通，所述空气室的出料口与第一接头相连。

优选的，所述空气室与空气泵相连，用于搅拌进入空气室内的含活性炭的稠化溶液与发泡剂至充分发泡。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过将活性炭纤维粉与粘稠剂、发泡剂混合得到胶体泡沫状活性炭复合材料；利用双液注浆泵经注浆管道注入隧道掌子面的围岩间隙内，能封堵岩溶裂隙或空腔，利用活性炭充分吸附岩层中游离的瓦斯，同时在岩体表面形成胶体覆盖层，达到持久有效地抑制瓦斯涌出的目的。本发明施工方便，将活性炭复合材料超前注入掌子面后部岩层中，可以在开挖揭露之前降低围岩中的瓦斯浓度，有效降低掌子面开挖过程中瓦斯突出的风险，同时减小岩体开挖揭露后的瓦斯释放量，更具主动性和有效性，降低隧道施工的安全隐患。

附图说明

图1是本发明实施例中注浆装置的工作状态图；

图2是图1中的a-a剖视图；

图中：1、第一浆料罐，2、第二浆料罐，3、活性炭复合材料，4、双液注浆泵，41、混合室，42、空气室，43、空气泵，5、注浆管，51、第一接头，52、第二接头，6、袖阀管，7、钻孔，8、塑胶泥，9、围岩，10、掌子面，11、围岩空隙，12、煤系岩体，13、瓦斯气体，14、气密性混凝土层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种用于吸附掌子面溢出瓦斯的复合材料，包括活性炭纤维粉、粘稠剂、发泡剂，所述活性炭纤维与粘稠剂的质量比为1：3～1：6，所述活性炭纤维与粘稠剂混合得到稠化溶液，所述稠化溶液与发泡剂的质量比为20：1～40：1。复合材料制作时，所用活性炭纤维粉、粘稠剂、发泡剂的具体要求如下：

（1）活性炭纤维：由木质、煤质和石油焦等含碳原料经过热解、活化加工制备而成，是一种高性能瓦斯吸附材料，纤维直径一般在10～13微米、外表面积大、微孔丰富且分布窄、易于与瓦斯气体接触、扩散阻力小，吸附速度快，尤其对低浓度甲烷的吸附能力极强。

（2）粘稠剂：由三聚氰胺甲醛溶液与水按照1：3的质量比混合而成，用途为使得活性炭纤维胶结为具有一定孔隙度的骨架结构。其中，三聚氰胺甲醛溶液与水的质量比例根据隧道围岩内部的裂隙特征确定，取值范围在1：2～1：5之间，裂隙张开度小或缝隙填充度高时，应适当地增大水的比例。

（3）发泡剂为单组分聚氨酯泡沫剂，使用前保存在耐压气雾罐中，喷出后沫状聚氨酯物料会迅速膨胀并与空气发生固化反应形成泡沫。

制备复合材料的具体步骤包括称量、混合、发泡、固化。以下为一个具体实施例中活性炭复合材料的制备步骤：

首先，将活性炭纤维和粘稠剂按照1：5质量比例掺和形成具有一定浓度活性炭纤维的稠化溶液。其中，活性炭纤维的质量确定方法为，首先根据围岩内部单位体积岩体的瓦斯含量、掌子面开挖面积、超前注入深度，计算需要吸附的瓦斯质量；然后根据活性炭纤维对瓦斯的吸附比例，计算需要的活性炭纤维质量。

然后，将含活性炭的稠化溶液与发泡剂按照30：1质量比例在空气作业下进行物理机械搅拌发泡，制成胶体泡沫状活性炭复合材料。所得活性炭复合材料最终形成一种三维网状结构的多孔材料。采用该配方制取的活性炭复合材料主要适用于岩层含水量低而瓦斯富集的煤系地层。活性炭复合材料通过袖阀管超前注入在隧道掌子面的围岩中。

本发明还提供上述用于吸附掌子面溢出瓦斯的复合材料的施工方法，具体包括以下步骤：

（一）复合材料备料：将活性炭纤维和粘稠剂按照比例混合形成含有活性炭的稠化溶液；将含活性炭的稠化溶液与发泡剂按比例称量备用；

（二）向掌子面围岩内注入复合材料，注入步骤如下：

（1）掌子面开挖与瓦斯检测。对围岩9实施爆破与开挖作业，按施工计划开挖至隧道掌子面10时，通过瓦斯检测系统与设备评估瓦斯气体13的溢出量水平，并观察煤系岩体12中围岩的岩体空隙11的发育程度。

（2）封闭掌子面。当掌子面瓦斯溢出量较大时，在袖阀管钻孔安装前，应对掌子面喷射5～10cm厚的气密性混凝土，对瓦斯气体13进行封闭。

（3）超前钻孔与袖阀管安装。根据煤系岩体12中的空隙发育程度，评估袖阀管扩散范围，例如影响范围为0.5～1.0m时，超前钻孔7间距设计为1.0～2.0m。超前钻孔7施作完成之后，安装袖阀管6，并采用塑胶泥8将袖阀管6的出露端与气密性混凝土层14之间的空隙填充密实。

（4）制备活性炭复合材料的基料，分为a液和b液，a液为活性炭纤维与粘稠剂掺和形成的稠化溶液，b液为发泡剂。根据超前钻孔7的布设间距、隧道瓦斯气体12涌出量水平，确定配制比例。在一个具体实施例中，粘稠剂三聚氰胺甲醛溶液与水的质量比例为1：3；活性炭纤维与粘稠剂的质量比例为1：5；稠化溶液与发泡剂的质量比例为30：1。具体配制过程如下：

1）称重。计算并称取质量m的活性炭纤维；称取5/4m的三聚氰胺甲醛溶液、15/4m的水，掺和均匀形成5m的粘稠剂；称取1/5m的发泡剂注入到第二浆料罐2内。

2）混合。将质量m的活性炭纤维和质量5m的粘稠剂充分拌合形成均质的活性炭纤维稠化溶液1注入到第一浆料罐1内，活性炭纤维稠化溶液的质量为6m。

3）发泡。在双液注浆泵4的混合室41中将质量6m活性炭纤维稠化溶液1与1/5m的发泡剂2混合形成含有多相组分的混合浆液。

4）固化。混合浆液进入双液注浆泵4的空气室42中，空气泵43不断地向空气室42中的混合浆液引入空气，充分搅拌，形成胶体泡沫状的活性炭复合材料3。

（5）掌子面超前注入。采用第一接头51将双液注浆泵与注浆管5的一端连接，采用第二接头52将注浆管5的另一端与隧道掌子面9的袖阀管6连接。活性炭复合材料3经注浆管5进入袖阀管6，再通过袖阀管6上均布的溢浆孔进入煤系岩体12的岩体空隙11中。将一定量的活性炭复合材料3按一定注浆压力注入后，注浆压力一般控制在0.5～1.0mpa。在袖阀管6的端部安装止浆塞，止浆塞应能经受注浆压力。控制好材料注入量，即每根袖阀管内已达到规定注入量时，就可结束；若孔口压力已达到规定压力值，但注入量仍不足时，也应停止注入。

（6）注入效果检查。注入结束后，应对注入效果进行检查，如未达到要求，应进行补孔注射。分析注入记录，看每个孔注入压力、注入量是否达到设计要求，以材料注入量估算扩散半径，分析是否与设计相符。

通过上述操作后，活性炭复合材料3在一定的时间内高效地吸收围岩的岩体空隙11中的瓦斯气体13，同时覆盖煤系岩体12起到抑制瓦斯气体13涌出的作用。掌子面继续掘进。待岩体中的瓦斯浓度降低后，进行开挖与支护作业，掌子面继续掘进。

以下为另一个实施例中活性炭复合材料的制备步骤：

1、将活性炭纤维和粘稠剂按照1：3质量比例掺和形成具有一定浓度活性炭纤维的稠化溶液。其中，活性炭纤维的直径选用13微米；粘稠剂由三聚氰胺甲醛溶液与水按照1：5的质量比混合而成。

2、将含活性炭的稠化溶液与发泡剂按照20：1质量比例在空气作业下进行物理机械搅拌发泡，制成胶体泡沫状活性炭复合材料。活性炭复合材料通过袖阀管超前注入在隧道掌子面的围岩中。

采用上述胶体泡沫状的活性炭复合材料吸附围岩间隙溢出瓦斯具有以下有益效果：

（1）活性炭材料对甲烷等瓦斯成分具有非常好的吸附能力，吸附率高，使用寿命长，制备方法简单，材料成本低，适合大规模生产。

（2）所述活性炭复合材料经注浆管道注入含瓦斯岩层后，能封堵岩溶裂隙或空腔，利用活性炭充分吸附岩层中游离的瓦斯，同时在岩体表面形成胶体覆盖层，达到持久有效地抑制瓦斯涌出的目的。

（3）相比通风措施，通过将活性炭复合材料超前注入掌子面后部岩层中可以在开挖揭露之前降低围岩中的瓦斯浓度，有效降低掌子面开挖过程中瓦斯突出的风险，同时减小岩体开挖揭露后的瓦斯释放量，更具主动性和有效性。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

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