煤矿双模式湿喷混凝土工艺流程及配合比研究.pdf

2 0 1 5 年 第 1 1期 (总 第 3 1 3期 ) Nu m b e r 1 1 i n 2 0 1 5 ( T o t a l N o 3 1 3 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACT I CAL TECHNOLOGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 1 1 0 3 6 煤矿双模 式湿 喷混凝 土工 艺流程及 配合 比研 究 邹成松 ， 成 云海 ，田厚强 ，王维德 ， 张超超 ( 安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室， 安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 ) 摘要： 制约湿喷混凝土技术在煤矿推广的关键问题是工艺流程不合理 、 材料配合比不稳定 ， 设计合理的湿喷混凝土工艺流程 及研究定量配合 比技术至关重要 。 针对立井、 斜井( 胶轮车运输) 两种不同矿井开拓形式的工程背景 ， 设计了“ 地面配料 + 井下搅 拌和湿喷” 、 “ 地面配料 、 搅拌 + 井下湿喷” 两种湿喷 昆 凝土模式 ， 满足了矿井 的不同开拓方式， 研究 了外加剂性能及配合比定量 控制技术。 与于喷混凝土技术进行了技术经济对比分析 ， 研究表明湿喷工艺明显提高了工作效率及混凝土强度 ， 降低了回弹率 及施工现场粉尘浓度 。 研究成果可为湿喷混凝土技术在类似条件下的煤矿推广应用提供参考借鉴。 关键词 ： 湿喷混凝土 ； 外加剂 ； 配合比； 工艺流程 中图分类号： T U 5 2 8 0 6 2 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 1 1 0 1 3 4 0 3 R e s e a r c h o n d u a l p r o c e s s o f we t s ho t c r e t e a n d mi x p r o p o r t i o n i n mi n e ZOU Ch e n gs o n g，CHENG Yu n ha i，TI AN Ho u q i a n g，WANG We i d e，ZHANG Ch a o c ha o ( T h e Ke y L a b o r a t o r y o f S a f e a n d Hi g hE ffic i e n c y Mi n i n g o f Mi n i s t r y o f E d u c a ti o n ， An h u i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y， H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 ， C h i n a ) Abs t r a ct ： Un r e a s o na b l e p r o c e s s a n d u ns t a b l e ma t e r i a l mi x t u r e r a t i o a r e t h e r e s t r a i n i n g f a c t o r s o f p o p u l a riz a t i o n o f the we t s p r a y i n g c o n c r e t e t e c h n o l o g y i n c o a l mi n e I t i s c r u c i a l f o r we t s h o t c r e t e t e c h n o l o g y t o d e s i g n t h e r e a s o n a bl e p r o c e s s a nd s t u d y th e q u an t i t a t i v e m i x p r o p o r t i o n F o r t h e e n g i n e e r i n g b a c k g r o u n d s o f v e r t i c a l s h a f t d e v e l o p me n t a n d i n c l i n e d s h a f t d e v e l o p me n t ( r u b b e r ti m v e h i c l e a n s p o rta t i o n ) i t d e s i g n e d the“ b a t c h i n g o n t h e g r o u n d+mi x i n g c o n c r e t e a n d we t s p r a y u n d e r g r o u n d mi n e ”a n d“ b a t c h i n g a n d mi x i n g o n the g r o un d+we t s p r a y u n d e r g r o u nd c o a l mi n e ” t wo we t s p r a y i ng c o nc r e t e mo d e s whi c h me t the de v e l o p me n t o f t h e mi n e I t a l s o s t u d i e d the a dd i t i v e p e rfo r ma n c e a n d mi x p r o p o r t i o n c o n tro l t e c h n o l o g y Co mp a r e d wi th d ry s h o t c r e t e i n t e rm s of t e c h n o l o g y a n d e c o n a n y， the r e s u l t s h o we d t h a t we t s pu r t i n g t e c h n o l o g y o bv i o u s l y i mp r o v e d t h e wo r k e ffi c i e n c y a n d c o n c r e t e s t r e n gt h， i t a l s o r e d u c e d the r e b o u n d r a t e a n d t he d u s t c o n c e n t r a t i on i n c o n s t ru c ti o n s i t e Re s e a r c h r e s ul t s h a v e a c e r t a i n r e f e r e n c e m e a n i n g fo r i t s a p p l y i n s i mi l ar mi n e c o n d i - ti on s Ke y wor ds： we t s h o t c r e t e； a d d i t i v e； mi x p r o p o r t i on； t e c h n o l o g i c a l p r o c e s s 0 引言 在类似条件下的煤矿推广应用提供参考借鉴 。 近年来 ， 湿喷 昆 凝土技术 以其生 产效率高 、 施工 过程 粉尘及 回弹率低 、 工程 质量好 等诸多优势 ， 不仅可 以作为 永久支护 ， 而且也能用 于掘进 工作面 的临时支护 等， 具有 广泛的适应性 。 在我 国水 电、 水利及地铁等大 断面地下工 程中已得到较广泛应用 。 但 由于湿喷混凝 土工艺流程较复 杂 、 设备及外加 剂价格 相对较高 ， 目前在我 国煤 矿巷道支 护 尚处于起步 阶段。 课题 组在 山东省设计 产能最 大 的煤 矿 一 新 巨龙煤矿及 山西省同煤集 团的千万 吨级 的同忻煤 矿开展的湿喷混凝土支护技术进行示范研究 ， 取得了 良好 应用效果 ， 为应用推广提供 了宝贵 的现场经验。 为适应 不 同矿井条件 ， 设 计 了“ 地 面配料 +井下搅拌 和湿喷” 、 “ 地 面配料 、 搅拌 +井下湿喷 ” 两种湿 喷混凝 土模式 。 研究 了 湿 喷混凝土外加剂性能及配合 比定 量控制技术 ， 并与干喷 混凝土技术进行了技术经济对 比分析 ， 为湿喷混凝土技术 1 双模 式湿喷 混凝 土工艺流程 针对 湿喷混凝 土工艺 流程复杂 现状 ， 为 简化工 艺流 程 、 提高适应性 ， 以新 巨龙煤矿 、 同忻煤矿 两种不 同矿井开 拓形式 的工程背景 ， 分 别设计 了“ 地面配料 +井下搅拌和 湿喷” 、 “ 地面配料 、 搅拌 +井下湿 喷” 两种湿 喷混凝 土模 式 。 1 1 地 面配料 十井下搅拌和 湿喷模 式 新巨龙煤矿是立井开拓 ， 湿喷混凝土工艺流程设计 总 体思路是在地面将砂子 、 石子按 比例配好 ， 然后在井下 加 水 、 水泥 、 减水剂搅拌 ， 最后将搅拌 好的混凝土输送到湿喷 机进行湿喷作业 。 根据井下混凝土搅拌方式 的不同 ， 先 后 研制 了井下集 中式搅拌站 ， 螺旋式定量配水运输车 搅拌 两种 昆 凝土搅拌装备 。 收稿 日期： 2 0 1 5 0 2 0 9 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 1 7 4 0 0 2) ； 山东省 矿山灾 害预 防控制 国家重点实验室培育基地开放基金 资助项 目( MD P C 2 0 1 2 K F 0 2 ) 1 3 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 外加 剂性能及 配合 比控制技术研 究 湿喷混凝土外加剂主要有速凝 剂 、 减水剂及 水化剂 ， 在湿喷混凝 土施工中具有重要作用。 速凝剂的作用是加速 水泥水化硬化 ， 使混凝 土在很短时 间内形成 足够 的强度 ， 以保证快速支护的要求 。 湿喷混凝土采用的无碱液体速 凝剂与传统的铝酸盐粉状速凝 剂性能对 比见表 1 。 从表 中 可以看 出， 无碱液态速凝剂各项性能均明显优于铝酸盐粉 状速凝剂 。 高效减水剂可降低水灰 比， 保持混凝土坍落度 ， 使喷射混凝土具有高早强和长期强度 。 水化剂可使混凝土 在 3 4 h 到 3 d之内保持稳定 。 此外 ， 水灰 比对 于喷射混凝 土工程质量也尤为重要。 表 1 液态速凝剂与铝酸盐速凝剂性能对比 因此， 根据 J c 4 7 7 _2 o 0 5 喷射混凝土用速凝剂 、 J G J 5 5 -2 0 1 1 普通混凝土配合比设计规程 研究了水灰比 及速凝剂对初凝时间 、 终凝时间的影 响。 研究结果见表 2 。 传统的铝酸粉状盐速凝剂 、 无碱液体速凝剂在不同水灰 比 下与初 、 终凝时间的关系如图 7 。 表 2 凝结时间测试记录表 从 图6中可 以看 出， 无碱液体 速凝剂初 、 终凝 时间明 显低于铝酸盐粉状速凝剂。 速凝剂初凝 、 终凝 时间随水灰 比增 大而明显延长 ， 水灰 比 0 5时初 、 终凝 时间是 水灰 比 0 4 5时的 2倍左右。 当水灰 比 0 5时， 凝 结时间 明显 减 慢 ， 会导致喷层易剥落 、 开裂及 回弹率增高 。 因此 ， 水灰 比 的合理范 围为 0 4 5 0 5 。 水 灰 比 图7水灰比对凝结时间影响 通过大量的现场工业试验及试验室试验 ， 确定 了以下 最优配合 比为水泥： 水： 砂子： 石子： 速凝剂： 减水剂： 水化剂 为 1 0 0 ： 4 5 ： 1 5 0 ： 2 2 5 ： 7 ： 1 ： 0 8 。 如果是短距离 运输 昆 凝 土， 则不需要加水化剂 。 干 喷混凝土工艺中水泥 、 石子 、 砂 子由 人工控制加入 ， 随机性大 ， 材料配合 比不易控制。 水则 是在 喷头处完全凭工人 的经验加入 ， 无法保证水 的定量 ， 水灰 比极不稳定 ， 造成混凝土匀质性非 常差 。 粉状速凝剂往往 是在施工现场直接倒入 干料 中 ， 然后 人工拌和 ， 速凝剂 既 不能保证定量加入 ， 也无法与 干料 均匀混合 ， 严重影 响了 喷射混凝土的性能。 此外 ， 由于速凝剂在 于料搅拌时添加 ， 因石子 、 砂子含有水分 ， 速凝剂短 时间 内吸收水分在未 喷 射时分解其速凝成分， 影响凝结时间， 降低了混凝土早期 强度 。 而湿喷混凝土工艺通过 机械化配料 、 搅拌 、 喷射 ， 实 1 3 6 现了各环节的定量配合比。 具体定量控制技术如下： ( 1 ) 地面配料机的两个储料仓下方都配有电子秤装 置 ， 保证了砂子 、 石子 的定量加入 ； ( 2 ) 选用袋装水泥 ， 每袋 2 5 ， 人工定量加入 ； ( 3 ) 对 于螺旋式定量配水输送车搅拌混凝土 ， 内部有 水箱和 中空管状螺旋杆 ， 螺旋杆轴上均匀设置有多个 出水 孔 ， 水箱里的水通过智能控制 系统 能进行定量添加 ， 从 而 保证水灰比定量控制； 对于地面搅拌机， 在搅拌机旁建了 一 个水仓 ， 并连 了一 根水管通 到搅 拌机。 拌制混凝 土所需 的水是 由水泵通过节流阀送至喷水管 ， 节 流阀可调节水的 流量 ， 保证了水 的定量加入 ， 水灰 比得到定量控制 ； ( 4 ) 高效减水剂在搅拌时， 利用测量容器定量添加 ； ( 5 ) 液态速凝剂通过蠕 动泵在喷 嘴处定 量加入 ， 高压 风管在喷头处 与输送速凝剂软管相连 ， 并将液态速凝剂雾 化 ， 然后再经过 环形 注入器注入到混凝土 中， 保证 了速凝 剂与混凝土充分混合。 3 湿喷 、 干喷混凝土技 术经济比较 湿喷 、 干喷混凝土综合技术 经济指 标 比较见表 3 。 从 表 中可看 出， 考虑喷射混凝土 回弹率及 喷厚 等 因素 ， 两者 成本基本持平 ； 相 同水泥 、 砂子 、 石子等材料 条件下 ， 湿 喷 混凝土 1 d 抗压强度是干喷混凝土的 5 6倍 ， 2 8 d 抗压强 度提高了 4 5 7 5 ， 能有效保证 巷道围岩稳定 性 ， 并 可减 少喷层厚度 1 0 2 0 ； 湿 喷混凝土工艺配合 比实现 了定 量控制 ， 提高 了混凝土的匀质性 ， 回弹率 大幅度降低 ， 有效 节约成本 ； 井下空气质量 大大改善 ， 有 效的保护 了施 工人 员的身体健康 ； 此外 ， 湿喷 昆 凝土工艺 生产效率是干 喷工 艺的 3倍以上 ， 加快 了施工进度。 下转第 1 4 1页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 通混凝土碳化试验的方法试验 的， 由前期 已知海砂海水 混 凝土需要的养护 时间要 比普 通素混凝 土久 ， 在 2 8 d后抗 压强度还在提升 ， 所 以本次海砂海水混凝土碳化后抗压 强 度作 出的结论可能不准确 ， 对 于海砂海水混凝土碳化试验 的方法还需进一步研究 。 3 结论 ( 1 ) 随着海水掺量的增加 ， 即含盐量的增加 ， 混凝土 的 坍落度近似线性增大 ， 流动性变大 ， 黏聚力变差 。 ( 2 ) 随着贝壳掺量的增加 ， 海砂海水混凝土 的坍落度 都逐渐变小 ， 保水 性变 差。 因此 ， 在配 制海砂 海水混凝 土 时 ， 为保证 良好 的和易性能 ， 应适 当增 加砂率和拌 和水用 量 ， 尽量选用贝壳含量较少的海砂作为混凝土原材料 。 ( 3 ) 含盐量的增加 ， 对海砂海水混凝土强度影 响不大 ， 但是与传统混凝土相比 ， 海砂海水混凝土早期强度有所下 降， 下降幅度在 2 0 左右， 随着龄期的增加 ， 最终海砂海水 混凝土强度与传统混凝土强度相 当。 ( 4 ) 贝壳含量对混凝 土的强度有一定 的影 响 ， 但不 显 著 ， 贝壳含量 的增加 ， 混凝土抗压强度有减小的趋势。 相 比 较而言 ， 在相 同条件下 ， 贝壳 含量对混凝土强 度等级高 的 混凝土( 如试验 中 C 5 0海砂海水混凝土 ) 强度影 响要 明显 些， 贝壳的存在使得高等级混凝土强度较传统同等级素混 凝 土强度缩水较大。 ( 5 ) 在利用海砂海水配制混凝土， 应延长混凝土养护 的时间 ， 保证混凝土达到要求强度 ， 此外 ， 海砂在 使用前应 上接第 1 3 6页 表 3湿 喷、 干 喷混凝 土 综合技 术经 济 比较 4结 论 ( 1 ) 根据立井 、 斜井 ( 胶 轮车运输 ) 的不 同工程背 景 ， 将整个湿喷? 昆 凝土工艺分为地面和井下 两个工作 系统 ， 根 据矿井条件不同 ， 设计 了“ 地 面配料 +井下搅 拌和湿喷 ” ， “ 地面配料 、 搅拌 + 井下湿喷” 两种湿 喷混凝 土模式 。 研制 了搅拌运输罐车及螺旋式定量配水输送 车 ， 可满足混凝土 的搅拌和运输 ， 优化 了施工工 艺流程 、 提高 了湿 喷技术在 煤矿应用 的适应性 。 ( 2 ) 湿喷混凝土工艺材料实现 了定量 配合 比， 有效提 高了混凝土匀质性 。 通过大量的现场工业试验及试验室试 验 ， 确定 了最优 配合 比为水 泥： 水： 砂 子： 石子 ： 速凝剂 ： 减 水剂： 水化剂为 1 0 0 ： 4 5 ： 2 0 0 ： 2 0 0 ： 7 ： 1 ： 0 8 。 如果是短距离运 输混凝土至湿喷机 ， 则不需要加水化剂。 ( 3 ) 湿喷混 凝 土 1 d抗 压强 度是 干喷混 凝 土的 5 6 过 5 0 i i ra 筛 ， 筛去 5 0 mm 以上的颗粒。 这样可 以降低贝 壳含量 ， 保证混凝 土性能。 ( 6 ) 优选海砂海水混凝土的抗渗性在相 同条件下要稍 好 于普通素混凝土 ， 这主要是 由于混凝土 中的盐分结晶导 致混凝土孔 隙变小 ， 混凝土变密实 ， 提 高了混凝 土 的抗渗 性能 ， 这对将海砂 海水混凝土运用 于沿海 城市 ， 水利工程 的 目标无疑是有利 的， 因此 ， 本试验 的结果 为海砂海水在 工程建设 中应用提供了实践依据。 ( 7 ) 在与普通素混凝土 3 、 7 、 1 4 、 2 8 d的碳化深度对 比 中， 优选海砂海水混凝土 的抗碳化能力在碳 化初期 略差于 传统混凝土 ， 后期要强于传统混凝土 ， 对此 ， 海砂海水混凝 土需要较长养护龄期的原因可能对试验结果影 响较大 ， 但 根据碳化后期海砂 海水混凝土 的抗碳化性 能依 然强于传 统混凝土 ， 可以推 断 ， 海砂海 水混 凝土的抗碳化 能力要强 过传统混凝 土 ， 海砂海水混凝 土抗碳 化的性 能不仅阻碍二 氧化碳对混凝土的入侵 ， 也会 阻碍其 他对混凝土有害的离 子 ， 物质的入侵 ， 间接 的提高了混凝土的耐久性 ， 在后期与 F R P筋不考虑筋的腐蚀情况下结合使用 ， 更 能发挥 出其性 能的优势。 第一作者： 邢丽( 1 9 7 6一) ， 女 ， 副教授， 博士后 ， 主要从 事钢结构 节点及新型混凝土材料及结构方面的研究。 联系地址 ： 杭州市拱墅 区树人街 8号 浙江树人大学城建 学院 ( 3 1 0 0 1 5 ) 联 系电话 ： 1 3 1 1 6 7 8 8 2 1 6 倍 ， 2 8 d 抗压强度提高了 4 5 7 5 ， 回弹率及作业地点粉 尘浓度都大 幅度下降 ， 生产效率是 干喷法 的 3倍 以上 ， 加 快 了施工进度 。 显著改善作业环境 ， 防止职业病 矽肺病 ( 尘肺病) 的发生。 参 考 文献 ： 1 马忠诚 ， 江斓， 马井雨， 等 喷射混凝土技术及其速凝剂的发展 J 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 1 2 ) ： 1 2 6 1 2 8 2 任禹， 成云海， 王贯东， 等 湿喷混凝上力学性能试验分析及高 应力巷道支护应用 J 混凝土 ， 2 0 1 3 ( 3 ) ： 1 2 8 1 3 0 ， 1 3 3 3 3胡林 煤矿井下湿式混凝土喷射机技术的研究与应用 J 煤炭 科学技术， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 7 ) ： 9 一l 1 ， 8 2 4 韩斌 ， 王贤来， 文有道， 等 不良岩体巷道的湿喷混凝上支护技 J 中南大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 0 ， 4 1 ( 6 ) ： 2 3 8 1 2 3 8 5 5 安徽 理工 大学 一种 矿 用螺 旋 式定 量配 水输 送 车： 中 国， 2 0 1 3 1 0 6 8 1 2 3 4 2 P 2 0 1 4 0 3 2 6 r 6 王贯东 ， 周明， 徐成亮 MY E C O A l t e r a 湿喷机在煤矿井下的应 用 J 煤矿开采 ， 2 0 1 0 ， 1 5 ( 6 ) ： 7 3 7 4 ， 8 2 7 赵 国 金 一 种 矿 井 用 混 凝 土 搅 拌 运 输 罐 车 ： 中 国， 2 0 1 4 2 0 5 1 7 8 6 2 7 P 2 0 1 41 2 2 4 8 马忠诚， 江斓， 马井雨， 等 喷射混凝土技术及其速凝剂的发展 J 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 1 2 ) ： 1 2 6 1 2 8 第一作者： 邹成松( 1 9 9 0一) ， 男， 硕士研究生 ， 从事巷道混凝土支 护研究。 联系地址： 安徽省淮南市舜耕中路 1 6 8号 安徽理工大学能源与 安全学院( 2 3 2 0 0 1 ) 联 系电话 ： 1 8 9 6 3 7 7 3 0 3 5 1 41 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m