湿喷混凝土支护在贵州某金矿的应用.pdf

NONFE RR0US ME T AL S ENGI NE ERI NG d o i ： 1 O ． 3 9 6 9 d ． i s s n ． 2 0 9 5 — 1 7 4 4 ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． O 1 6 湿喷混凝土支护在 贵州某金矿的应用 髓 王建贾明涛 中南大学 资源与安全 工程 学院长沙 4 1 0 0 8 3 摘要 ： 湿喷混凝 土支护 工艺能有效 改善 围岩 的应力状 态 ， 同时具有粉 尘少 ， 回弹率低 ， 喷射质量高 等 优点 。介绍湿喷混凝土支护工 艺在贵州某金矿 的实际应用情况 ， 对 国 内其他 同类矿 山具 有借 鉴意义 。 关键词 ： 湿喷混凝土 支护工艺 ： 质量控制 ； 经济效益 中图分类号 ： T D 3 5 3 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 2 0 9 5 — 1 7 4 4 ( 2 0 1 4 ) 0 1 - 0 0 7 1 - 0 4 2 0世纪 6 0年代，西方开始采用湿喷混凝土支护技 术， 目前全世界地下矿山都已经开始使用这项技术。这 项技术在我国的应用起步较晚， 但其凭借高效率 、 高质 量的优势在我 国水利、 水 电、 隧道和地铁等大断面施工 中应用较为普遍， 然而在地下矿 山施工 中的应用尚处于 起步阶段【 ” 。 喷射混凝土作为巷道支护工艺， 具有连续、 快速的特 点，与纤维混凝土抗拉和抗弯强度高及变形能力较佳的 优势组合， 可以大大降低巷道衬砌结构尺寸， 增强巷道的 整体性能， 避免二衬混凝土背后不易密实的缺陷， 改善巷 道的安全性 。 1湿喷混凝土技术特点 湿喷混凝土是把水泥、 水、 砂石等骨料以及减水剂和 缓凝剂等按照一定比例加入搅拌装置充分混合，然后通 过湿喷机喷射加固围岩的过程『2 ] 。 湿喷混凝土的技术特点 有 5个方面： 1 )粉尘少，由于物料经由搅拌机预先搅拌 好，作业面环境较好； 2 )回弹低，通常情况下回弹率在 1 0 ％～ 2 0 ％， 能减少材料消耗； 3 1 物料比例可控性好， 各组 分物料在搅拌 时可以严格精确地按照设计 比例进行搅 拌； 4 ) 机械化效率高， 由于机械化水平高， 从拌料到喷浆， 采用机械化 设备 ，可 以减 少工人劳动强度 ，提 高作 业效 率 ； 5 )应用范 围广泛 ，其 不仅可 以用作巷道 的永 久性支 护， 还能用在巷道的临时性支护， 甚至可以处理冒落和垮 塌事故 。 湿喷混凝土具有 良好的力学性能， 外加速凝剂使用， 更能有效提高喷浆体的早期强度。喷浆层能及时支护和 加固围岩， 封闭围岩的张性裂隙和节理， 加固围岩的结构 面， 有效地发挥岩块问镶嵌、 咬合和 自锁作用， 从而提高 岩体 自身的强度p 叫。湿喷混凝土对围岩加固有 4个方面 的作用 。1 ) 支撑作用 。由于水泥砂浆 良好的力学性能， 凝 结速度快， 早起强度高， 与锚杆配合使用能有效的改善围 岩的松动和变形， 提高围岩的自承能力。2 ) 充填作用。由 于在高压风的作用下，浆体能以较高的速度喷射到围岩 上。 料浆能够有效填补围岩裂隙和节理， 改善围岩的整体 性能。 3 ) 隔绝保护作用。由于喷浆体凝结后能有效隔绝围 岩与空气的接触，避免围岩由于风化潮解而造成围岩的 剥蚀和岩体整体强度的降低。 4 ) 应力转换作用。 由于黏结 性很强的料浆喷射到围岩表面， 与围岩凝结成整体， 在结 合面上传递 各种应力 ，与 围岩形 成一个共 同作用 的承载 基 金项 目 ： 国家高技术 研究发 展计划( 8 6 3计划) 项 目 ( 2 0 1 1 AA0 6 0 4 0 7 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 3 — 0 6 — 2 7 作 者简 介 ： 王建( 1 9 8 8 一 ) ， 男， 江苏 南通人 ， 硕 士研 究生 ， 主要 从事数 字矿 山与智 能采 矿技术及 矿 山安全等方 面 的研 究。 有色金属工程 2 0 1 4年第4卷第 1 期71 N ONF E RR OUS ME T AL S ENGl NE ERl NG 体系， 把岩石荷载转变成为岩石承载， 改变了围岩消极让 压 的局面 。 2矿 区地质概 况 贵州某金矿矿区可划分为 3个工程地质岩组，即松 散岩组、 砂岩夹黏土岩半坚硬一 软弱岩组和黏土岩夹砂岩 半坚硬一 软弱岩组。矿区地层岩性较复杂， 矿体及项底板 围岩以薄至中厚层砂岩与薄层黏土岩为主，地质构造发 育， 风化作用强烈， 黏土岩软弱层及断裂破碎带影响岩体 稳定， 易发生垮塌， 属半坚硬软弱层状碎屑岩类矿床。巷 道变形表现出明显的软岩特性。主要开拓巷道断面规格 为 5 ． 0 mx 5 ． 5 1 3 "l ， 对 巷道进 行喷 锚联合 永久 性支 护 ， 巷道 侧帮喷射混凝土厚度为 5 0 ra n 1 ， 顶板喷射厚度为 7 5 mm， 图 1 为衬砌断面图。 应的技术要求【" 】 。 水泥， 湿喷混凝土水泥的选择通常选用强度等级不 低于 3 2 ．5 MP a的普通硅酸盐水泥， 水泥掺量不低于 4 0 0 k g ／ m 。掺入较多的水泥可以保证混凝土的和易性， 同时 还能提高喷浆体的强度。 砂石 ， 砂石 的选择至关重要 。骨料选 的过细和易性 好， 可泵性强， 但是喷浆体强度低。砂石粗大， 在喷浆石 容易堵管。最好选用坚硬耐久的中粗砂， 细度模数大于 2 ． 5 ， 其中直径小于 7 5 tx m的颗粒不超过 2 0 ％。石子的级 配大于 1 5 mm粒径控制在 2 0 ％以下， 其含泥量不得大于 1 ％ 。 水， 选取不含杂质的干净水源， 而且水中不能含有腐 蚀性离子。 纤维 ， 选用 聚丙烯合成纤 维， 一般添加 4 ． 5 ～ 9 ．0 k g ／ m 或者 0 ． 5 ％～ 1 ． 0 ％( 体积 百分 L L ) 。 速凝剂 ， 选用无碱速凝剂 。无碱速凝剂具有无碱 、 无 氯、 无毒且不腐蚀钢筋等优点， 对人体无伤害。它可以显 著地促进水泥水化作用和混凝土强度发展， 同时与水泥 具有很好的相容性。 减水剂， 选用聚羧酸系高性能混凝土减水剂。它具 有掺量少、 减水率高、 保坍性能好、 与水泥适应性强、 混凝 土收缩小等优点。 表 1喷混凝土主要技术参数 水灰 质量比 材料用量／ ( k g m 水泥 王 互王 型 鎏 型 丝 8 2 0 ． 0 8 8 0 ． 0 3 ． 5 2 3 5 ． 2 6．0 0 ．4 2 4 40 ． 0 图1 湿 喷 混 凝 土 衬 砌 断 面 4料浆制备设备与工艺 3工艺技术要求 湿喷混凝土支护的原材料的选取及各组分的配比对 于工程质量影响很大。参考国内外相关工程经验， 结合 现场试验结果确定湿喷配合比， 见表 1 。原材料选取按相 砂 该金矿采用如图2所示的混凝土搅拌系统配制湿喷 混凝土， 砂石配料通过大容积储料斗， 水泥计量采用高精 度全电子秤， 其他设备有螺旋机、 水泥储料罐、 气路控制 系统及 电气控制系统等 。生产能力 2 5 m3 ／ h ，搅拌功率 1 8 ， 5 k W， 提升功率 7 ． 5 k W ， 螺旋输送机功率 l l k W。配料 精度： 砂石骨料 2 ％， 水泥 1 ％， 供水 2 ％， 添 加剂 2 ％。 图 2 湿喷混凝土制浆设备连接 7 2工程设计 E n g i n e e r i n g De s ig n 湿 喷料 浆制备 中，砂 石 由工人用装载机 从搅拌站储 料库转运至搅拌站砂石仓。 水泥采用散装水泥， 水泥罐为 一 个 3 0 t 的立式水泥仓和两个 5 0 t 的卧式水泥仓，通过 高压风 由5 Ot 卧式水泥仓输送至 3 0 t 立式水泥仓，并由 螺旋给料机加入搅拌槽。 减水剂的添加通过流量泵实现， 添加量通过时间继电器对流量泵进行控制。 5喷射施工 5 ． 1工艺流程 矿 山建 立混 凝土综合搅拌站 。 水 、 聚丙烯纤 维及 骨料 在搅拌站制成和易性良好的浆体，由水泥罐车运往工作 面， 与移动喷浆车配合作业。 罐车卸料至喷浆车尾部的料 斗中，料浆在压力泵的作用下通过管道传送至喷浆车前 部的喷射机， 在高压风的带动下喷向岩面。 具体工艺流程 如图 3所示 。 图 3湿喷 工艺流程 5 ． 2 喷射过程质量技术控 制 风压控制。 喷射机处的工作风压对喷射质量至关重要。 风压过高， 则混凝土的喷射速度太快， 使得料浆回弹增加， 造成混凝土的浪费。风压过低 ， 混凝土的动能不够大， 造成 料浆压实力小， 混凝土密实度低， 强度受到影响。实际生产 表明， 工作风压控制在0 ． 1 0 - 0 ． 1 5 MP a时， 喷射效果良好。 料浆流的稳定性。 喷浆时应保证料浆流速稳定， 流量均 匀 。一方面， 均匀的流量使得喷浆手对于喷嘴与受喷面 的距 离能够有很好的把握，其次添加的速凝剂流量的大小也取 决于料浆流量的大小。 若料浆流不稳定， 则使得部分喷浆料 所混合的速凝剂含量较少，而其部分料浆所含速凝剂量偏 高。 速凝剂含量少， 料浆过湿， 造成料浆的脱落。 反之速凝剂 含量过多， 将使混凝土极限强度降低， 影响衬砌的稳定性。 喷嘴与巷道面间的角度。 实际作业表明， 当喷嘴应与 岩面垂直或成 1 0 。 ～ 1 5 。 夹角时， 无论是料浆的回弹率还是 喷浆体的密实度都能得到很好的控制，混凝土喷浆层的 质量高。所以喷浆手对于喷射角度的把握直接影响到最 终的混 凝土衬砌的强度。 喷嘴与岩面问的距离。喷嘴与岩面的距离取决于工 作风压的大小。 实际作业表明， 当两者之间的距离控制在 1 ． O - 1 ． 5 m 时喷射效果较好。当喷嘴与岩面过近，则料浆 与受喷面的撞击大， 回弹率大， 造成混凝土的浪费。若距 离过远则喷射料束不集中， 冲击力小， 喷层不密实。实际 作业过程中喷浆手应该把握好回弹率和喷层密实度这两 点进行操作。 喷嘴移动。实际喷浆时， 喷嘴在某处停留的时间不应 过久，否则不仅难以保证喷层厚度的均匀性，且回弹率 高。比较科学的喷射方法是垂直岩面将喷嘴稳定而系统 地作圆形或椭圆形移动。喷浆手所画的环形大小约为宽 5 0 c m， 高 2 0 c m。 拱部和侧帮的喷射 。 喷射顶面时 ， 由于受重力 的作用， 混凝土脱落及 回弹问题表现的尤为突出。 脱落是因为 喷层 过厚或料浆过湿， 因为新鲜混凝的抗拉强度低， 粘结力小。 当混凝土 自身所受重力大于其内部的粘结力时，则会脱 落。实际解决该问题的办法是采取分层喷射， 前后层喷射 的时间间隔约为2 h 。侧帮喷射作业采取的方式是从底脚 向上喷射， 这样使回弹的混凝土不裹入最后喷层。实际作 业时一次喷射的厚度在 5 0 IT l l2 q 左右， 此时喷层密实， 回弹 率低。 5 ． 3质量检查 外观检查。 矿山人员对巷道进行定期检查， 通常每月 一 次。 对于喷层开裂处标记并安排补喷。 尤其是巷道岔口 处， 开裂严重 的需撬除 灰皮 并进 行补 喷。 密实度检查。当喷层养护一定时间后， 技术人员可以 通过锤击听声法检查混凝土的密实度 。 对于空鼓、 脱壳处 需及时清理。 配合比检查。搅拌站操作人员应严格按照设计配合 比进行拌料，特殊情况下可以进行微调，水灰比控制在 0 ． 4左右， 并对实际配比进行记录。技术人员应每天检查 记录表。 强度检查。 技术人员每周对喷浆料进行抽检， 并制作 成混凝土试样， 进行抗压强度检测。 6 支护 效果及评价 通过混凝土湿喷封闭壁面，能有效防止顶板风化冒 落和垮塌。 如果配合高强度的树脂锚杆支护， 能大大改善 巷道的支护效果和作业安全条件。 实际应用表明， 巷道的 返修率从先前的 2 0 ％降低到 3 D／ 0 I 很好 的维护 了巷道 的稳 定性。实际效果如图 4所示 。 该金矿 的实 际应用表 明， 湿喷混凝土支护工 艺相对传 统 的干喷混凝土支护来说具有 明显的经济优势 ， 见表 2 。 表 2干湿喷混凝土技术经济 比较 有色金属工程 2 0 1 4 年第4 卷第 1 期7 3 、． ， ．