湿喷混凝土力学性能试验分析及高应力巷道支护应用.pdf

2 0 1 3 年 第 3期 (总 第 2 8 1 期 ) Nu mb e r 3 i n 2 01 3( To t a 1 No．2 81 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHNOLOGY 湿喷混凝土力学性能试验分析及高应力巷道支护应用 任禹 ’ ，成云海 ，王贯东 ，刘大 同 。 ，赵国金 ，朱萌萌 ( 1 ． 安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 ；2 ． 新汶矿业集团公司，山东 新泰 2 7 1 2 1 9 ； 3 ． 大同煤矿集团有限责任公司 技术中心 ，山西 大同 0 3 7 0 0 3 ；4 ． 大同市龙煤煤矿机械销售有限公 司，山西 大同 0 3 7 0 0 3 ) 摘要： 针对 目前煤矿深井巷道干喷混凝土易开裂 、 掉渣问题 ， 结合高应力巷道支护结构高强 、 高韧 的要求 ， 开展湿喷混凝土力 学性能试验及工程应用研究。 首先对干、 湿喷混凝土材料进行了对比， 选择了适宜高应力巷道支护的喷混凝土材料 ， 然后通过对 比试验 ， 研究试验室配置以及现场喷射干 、 湿喷混凝土之间的力学性能差异 ， 结果表明： 相对于干喷混凝土 ， 湿喷混凝土的抗压 、 抗拉 、 抗折 、 黏结强度都得到显著提高 ， 且第一天强度提高尤其明显 ， 对避免混凝土体开裂 、 掉渣非常有效 。 最后经过一段时间试 验巷道的观测 ， 干喷混凝土巷道已经出现开裂 ， 而湿喷混凝土巷道依然完好 ， 取得了良好的支护效果。 关键词： 深井巷道 ；干喷混凝土；开裂 ；湿喷混凝土；强度 中图分类号： T u5 2 8 ． 5 3 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 3 — 0 1 2 8 — 0 3 E x p e r i m e n t a l a n a l y s i s o n m e c h a n i c s pr op e r t i e s a n d a p p l i c a t i o n o f h i g h s t r e s s r o a d w a y o f we t s h o t c r e t e R E NY u ， C H E N GY o n — h a l ， W AN GG u a n — d o n g 2 , L I UD a — t o n g 3 ,． Z H AOG u o - j i n 4 , Z H UMe n g - me n g ( 1 ． Co l l e g e o f E n e r g y a n d S a f e ty， 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， Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ， C h i n a ； 2 ． Xi n we nM i n i ngGr o up， Xi nt a i 2 71 21 9， Ch i n a；3． Dato ngMi ni n gGr o u pCo ． ， Lt d． ， Dato n g0 3 7 00 3， Ch i n a； 4 ． Dato n g L o n g Co a l Mi n e Ma c h i n e r y S a l e s C o ． ， L t d ． ， Da t o n g 0 3 7 0 0 3 ， Ch i n a ) Abs t r a c t ： F o r d r y s h o t c r e t e e a s i l y c r a c k a nd l o s e d r e g s i n d e e p mi n e r o a d wa y a t pr e s e n t ， t h e r e q u i r e me n t s o f h i g h s tre n g t h a n d t o ug h — n e s s o f s u p p o r t s t r u c t u r e i n h i gh s t r e s s r o a d w a y ， me c h a n i c s p r o p e r t i e s e x p e r i me n t and a p p l i c a t i o n s tud i e s o f w e t s h o t c r e t e w e r e p e r f o r me d ． Fi r s t of a l l ， ma t e r i a l c o mpa r i s o n b e t we e n d r y an d we t s h o t c r e t e a nd s e l e c t e d s ho t c r e t e ma t e r i a l s t o fit f o r hi g h s tre s s r o a dwa y．Th e n， t h e i1 q e — c h a ni c a l p r o p e rti e s di f f e r e nc e s b e tw e e n d r y a n d we t s ho t c r e t e a l o n g wi t h l a bo r a t o ry ma d i n g an d fie l d s h o t c r e t e we r e s t ud i e d b y us i n g c o m— para t i v e t e s t ． Th e r e s ul t s s h o we d t h a t t he c o mp r e s s i v e， t e n s i l e， fle xu r a l a nd b o nd s t r e n g t h i nc r e a s e d e v i de n t l y i n c o mpa r i s o n wi t h dry — s p r a y c o n c r e t e ．F i r s t d a y s ~ e n gh i n c r e a s e d m o r e p r o n o u n c e d a n d c a n e ff e c t i v e l y a v o i d c o n c r e t e c r a c k i n g and dre g i n g ． T h e d ry s h o t c r e t e r o a d w a y c r a c k e d wh i l e we t s h o t c r e t e s t a y e d t h e s a me， wh i c h s ho we d pr e f e r a b l e s u p po rti ng e ffe c t a fte r a p e r i o d of t i me r o a d wa y t e s t o b s e r v a t i o n． Keyw or ds： de e pmi n e r o a d wa y； d r y s ho t c r e t e； c r a c k； we t s h o t c r e t e； s t r e ng t h 0 引言 目前煤矿深部巷道普遍采 用干喷法( 或潮 喷混凝 土 ， 以下简称干喷混凝 土 ) 喷混凝土 ， 由于干喷法水灰 比不易 控制 ， 加入的粉状速凝剂性能不 良及难 以定量 ， 导致混凝 土强度不稳定 ， 最终强度损失 能达到 3 0 ％～ 4 0 ％， 平 常洒水 养护往往不能定 时 、 定量 ， 也使喷混凝土抗压 、 抗拉和抗折 强度降低 ， 导致干喷混凝土不能适应深井高地应力区域破 碎围岩支护 ， 在围岩大变形条件下 ， 出现脆性破坏 ， 喷层容 易开裂 、 掉渣 ， 威胁人身安全[ 1 】 。 这是我国深井巷道支护面 临的较广泛工程 问题 。 为了解决这个 难题 ， 选 用湿喷法 来改善 喷混 凝土性 能 。 湿喷法不同于以往的干喷法 ， 湿喷法是按一定的配合 比 将水泥 、 骨料和水搅拌好 ， 然后借助各种类型的湿喷机械 ， 将湿式拌 和好 的混凝土 ， 通过输料软管输送到喷嘴 ， 并 在 喷嘴处添加 液体速凝剂 ， 用压缩空气补给能量 ， 使拌合 物 形成料束， 从喷嘴喷射到围岩面上[2 ] 。 与传统的干喷法相 比， 湿喷法将水泥 、 砂子 、 石子 、 水 、 各种添加剂预先搅拌在 一 块 ， 从而得到精确控制 ， 而且湿喷混凝土选择养护剂养 护可大大减少初期 收缩 ， 增加黏结强度 ， 能有效地改善混 凝土的综合力学性能 。 本试首先对干 、 湿喷材料组成进行对 比分析 ， 然后通过试验室和现场试验研究 ， 综合 比较干喷 混凝土和湿喷混凝土的力学性质 ， 确定湿喷混凝土解决混 凝土体开裂 、 掉渣问题 的合理实施方案。 1 干、 湿喷混凝土试验室对比研究 1 ． 1 原材料 干 、 湿喷要求的混凝土材料 ， 水泥 ： 采用 P 04 2 ． 5 级水 泥 ； 砂 子 ： 采用坚硬耐久 的中、 粗砂 ， 细度模数大于 2 ．5 ； 石 子 ： 选用粒径为 5 ～ 1 2 mm的碎石 。 干 、 湿喷混凝土材料在 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 9 — 0 5 基金项 目：国家 自然科学基金项目( 5 1 1 7 4 0 0 2 ) ； 国家重点基础研究发展规划( 9 7 3 ) 项 目( 2 0 1 0 C B 2 2 6 8 0 0 ) 1 2 8 不 同水 泥 图 4 不同水泥对 P C 3 ～ P C 5分散能力的影响 不 同 水 泥 图 5 不同水泥对 P C 3 。 P C 6 。 P C 7分散能力的影响 由图 3 可以看 出， P C 1 ～ P C 3的分散能力在 C 1 水泥 中 的最低 ， C 3 最高 ， C 2居 中； 在 C 1 、 C 2 和 C 3 水 泥中 ， 三者分 散能力的大小顺 序分别为 ， P CI < P C 2 < P C 3 ， P C I < P C 2 = P C 3 ， P C 1 < P C 3 < P C 2 。 可见 ， 从初始分散能力的角度 考虑 ， P C 2 和 P C 3 超塑化剂相较于 P C 1 具有较 高的适应性 ， P C 2和 P C 3 的适应性相 近。 这表 明， 侧链 聚合度的增加 ， 有利于适应能 力 的增加 ， 但增加到 2 5以后则相差不大。 由图 4可以看 出， P C 3 - P 5 超塑化剂在 C1 中的分散能 力最低 ， 在 c 3中的分散能力最高 ， 在 c 2的分散能力居中 ； P C 3和 4 在各水泥 中的分散能力较为接近 ， 5 在 c1 中的 分散 能力有所提高 ， 在 C 2和 C 3中 ， 分散能力有 所下降 。 这表 明 ， 从初 始分散能力的角度考虑 ， 分子量 的增加有利 于适应性 的提高。 由图 5 可以看出 ， P C 3 、 P C 6 和 P C 7 超塑化剂在 C 1 中的 分散能力最低 ， C 3 最高 ， C 2 居 中； P C 6 分散能力在从 c 1 到 C 3中几乎呈直线上升， MA A ／ MA A． MP E G比下降后， c l 和 上接第 1 3 0页 从 2 0 0 8 年开始 ， 项 目组在我 国新汶 、 大同等矿 区施工 应用湿 喷法 ， 取得 了 良好 的支护效 果 ， 解决 了很多干喷法 不能解决的难题 。 但是 目前我国仍欠缺这种技术 ， 湿喷法 的 研究对未来我国煤矿井下支护具有重要的作用 。 参 考文 献 ： 【 1 ]毕远志 ， 孔～凡 ， 蔡东红 ， 等． 高韧性纤维混凝土在深部软岩巷 道支护中的应用 煤炭学报， 2 0 1 0 ， 3 5 ( 1 2 ) ： 1 9 6 9 — 1 9 7 3 ． 『 2 ]2 韩斌 ， 王贤来 ， 文有道 ， 等． 不 良岩体巷道的湿喷混凝土支护技 术f 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 4 ． f 3 13 马忠诚， 汪澜， 马井雨， 等． 喷射混凝土技术及其速凝剂的发展叨． 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 1 2 ) ： 1 2 6 — 1 2 8 ． [ 4 】程改艳． 谈高效减水剂与混凝土之间的相互影响[ J ] _ 山西建筑 ， C 2 的分散能力有所提高 ， C 3的分散能力相差不大， 也即， 超 塑化剂的适应能力上升 ； MA A ／ MA A _ MP E G比继续下降后 ， c 1 的分散上升 ， C 2和 C 3的则略有下降 ， 但三者 的差距减 小 ， 这表 明， 此时超塑化剂的适应能力进一步提高。 从以上 的 分析可知 ， 从初始分散能力 的角度考虑 ， MA A d A A ． MP E G 比的下降有利于提高超塑化剂的对水泥的适应能力。 3结论 ( 1 ) 水泥的细度对长侧链的聚羧酸系超塑化剂分散能 力的影响程度小于短侧链聚羧酸 。 随主链聚合度的减小 ， 超 塑化剂 的分散能力逐渐减小 。 具有较高 M AA ／ MA A— MP E G 比可使 的超塑化剂的分散能力降低 ， 并可增大 由比表面积 增加所引起的分散能力的降低。 ( 2 ) 侧链聚合度的增加 ， 有利于适应 能力 的增加 ， 但增 加 到 2 5以后则相差不大。 对 于初始分散能力而言 ， 分子量 的增加有利于适应性的提高 。 MA A ／ MA A ． MP E G比的降低 有利于提高超塑化剂的对水泥的适应能力 。 参考文献 ： ⋯ 1 陈建奎0 昆凝土外加剂的原理与应用【 M 】 - ] 京 ： 中国计划出版 社 ， 1 9 9 7 ： 2 - 3 ． 【 2 ]熊大玉， 王小虹． 混凝土外加剂【 M】 _ 1 匕 学工业出版社， 2 0 0 2 ： 1 0 — 1 4． 【 3 ]M E H T A P K， A I T C I N P C ． P r i n c i p l e s u n d e r l y i n g p r o d u c t i o n o f h i g h — p e rf o r m a n c e c o n c r e t e [ J ] ． C e m e n t C o n c ret e a n d A g g r e g a ￡ e ， 1 9 9 0 ， 1 2 ( 2 ) ： 7 1 — 7 3 ． 【 4 】 石人俊． 混凝土外加剂性能剂应 用[ M ] ． 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 1 9 8 5： 1 2 7 —1 3 2． 【 5 】S A KAI E， I S HI D A A， OHT A A．Ne w t r e n d s i n d e v e l o p me n t o f c h e mi — c a l a d mi x t u r e s i n J a p a n [ J ] ．J o u rna l o f Ad v a n c e d Co n c r e t e T e e h n o l o — g Y ， 2 0 0 6 ， 4 ( 2 ) ： 2 1 1 — 2 2 3 ． 作 者简 介 ： 联系地址 ： 联系电话 ： 熊卫锋( 1 9 8 1 一 ) ， 男， 工程师。 北京市顺义区顺平路沙岭段甲 2号 北京东方雨虹技 术中1 ~( 1 0 1 3 0 9 ) 1 3 581 9 51 3 2 0 2 0 1 2 ， 3 8 ( 1 4 ) ： 1 1 5 ． [ 5 ]5 王贯东 ， 周明， 徐成亮 ， 等 ． M Y 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 ． [ 6 】程伟峰 ， 林星平 ， 丁一宁 ， 等．掺硅粉、 钢纤维湿喷混凝土的工程 应用研究[ J ] ．岩石力学与工程学报 ， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 1 1 ) ： 2 3 2 1 — 2 3 2 8 ． [ 7 ]富恩久 ， 吴村 ， 黄荣辉 ， 等 ． 混凝土养护 方法的选择[ J 】 ． 混凝土 ， 2 0 0 5 ( 4 ) ： 1 0 — 1 1 ． 作者简介 联 系地址 联 系电话 ： 任禹( 1 9 8 7 一 ) ， 男， 硕士研究生 ， 从事巷道混凝土支护 研究。 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 ) 1 3 6 8 5 5 45 9 2 6 1 33