金川镍矿高效机械化湿喷混凝土技术的应用.pdf

第 6 8 卷第 4 期 有 色 金 属 ( 矿山部分) d o i ： 1 0 3 9 6 9 J i s s n 1 6 7 1 - 4 1 7 2 2 0 1 6 0 4 0 1 5 金川镍矿高效机械化湿喷混凝土技术的应用 张小庆 ， 姚 松 ， 马志慧 ， 王 贺 ( 1 北京科技大学 土木与环境工程学院， 北京 1 0 0 0 8 3 ；2 河北省矾 山磷矿有限公司， 河北 张家 1= 0 7 5 6 0 0 ) 摘要 ： 为解决金川镍矿巷道支护过程 中喷射 混凝 土层强 度达不 到设计要 求 、 施工效率 低 、 回弹率 高等 问题 ， 开展 了推广机械化 湿喷混凝 土技术的研究和实践 ， 并取得了丰富的研究成果 。针对 已成功应用 在金J I I 镍 矿的机械 化湿喷混凝土技术 ， 从原材料 的选用 、 配合 比设计 、 设 备配套 、 工 艺流程 、 湿 喷关键技 术等 方面做 了详细介 绍 ， 可供 类似工程参考 。 关键词 ： 湿喷混凝土 ； 抗 压强度 ； 配合 比； 工艺流程 中图分类号 ： T D 3 5 3 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 4 1 7 2 ( 2 0 1 6 ) 0 4 0 0 6 2 0 4 Ap p l i c a t i o n o f t h e Hi g h Ef f i c i e n t W e t S h o t c r e t i n g Te c h n o l o g y i n J i n c h u a n Ni c k e l M i n e ZHANG Xi a o q i n g ，YAO So ng ，M A Zh i hu i ，W ANG H e ( 1 S c h o o l o f Ci v i l a n d E n v i r o n me n t En g i n e e r i n g ，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 B e ij i n g，B e ij i n g 1 0 0 0 8 3，C h i n a ； 2 He b e i F a n s h a n Ph o s p h o r i t e Co ，L t d ，Z h a n Ni a k o u He b e i 0 7 5 6 0 0 ，Ch i n a ) ) Ab s t r a c t ：To s o l v e t h e p r o b l e m t h a t t h e s t r e n g t h o f s h o t c r e t e c a n n o t m e e t t h e d e s i g n e d r e q u i r e me n t s ， t h e e f f i c i e n c y o f c o n s t r u c t i o n i s t O O l o w a n d t h e r e b o u n d r a t e i s t o o h i g h ， s t u d y a n d p r a c t i c e t O p r o mo t e t h e Hi g h Ef f i c i e n t W e t S h o t c r e t i n g Te c h n o l o g y i n J i n c h u a n Ni c k e l Mi n e a r e c a r r i e d o u t a n d s o me r e s e a r c h r e s u l t s a r e o b t a i n e d Th i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e Hi g h Ef f i c i e n t We t S h o t c r e t i n g Te c h n o l o g y i n J i n c h u a n Ni c k e l Mi n e f r o m s e v e r a l f o l l o wi n g a s p e c t s ma i n l y ：s e l e c t i o n o f r a w ma t e r i a l s ，mi x p r o p o r t i o n ，e q u i p me n t ，p r o c e s s ， k e y t e c h n o l o g y o f W e t S h o t c r e t e ，wi t h t h e p u r p o s e o f p r o v i d i n g r e f e r e n c e f o r s i mi l a r p r o j e c t s Ke y wo r d s ：we t s h o t c r e t e ；c o mp r e s s i v e s t r e n g t h；mi x p r o p o r t i o n；p r o c e s s f l o w 喷射混凝土支护技术使用混凝 土喷射装备 ， 将 按照一定的配合比配合好的水泥、 砂石、 减水剂等混 凝土原料喷射到受喷面， 使其迅速凝 固成具有一定 抗压 、 抗 剪强 度 、 抗 拉 强 度 的支 护 结 构 ， 从 而 对 围 岩 起到一定的支护作用 j 。喷射混凝土技术大体可分 为两 种 ： 干喷 法 和湿 喷 法 。这两 种 方 法 的主 要 区 别 在 于水 与混合 料拌 合 的 时机 不 同 ， 干 喷 法 是将 干 的 混凝土混合料与水在 喷嘴处混合 ， 然后喷射到受喷 面 ， 而湿喷法喷射 的是 已经加水拌合好 的湿的混凝 土 拌合 料 2 。 目前 ， 全 世界 范 围 内 约 7 O 的喷 射 混 凝土均采用湿喷法施工， 其 中挪威 、 瑞典、 加拿大及 日本等很多国家 的湿喷混凝土 应用 已占据 主导地 位 ， 斯堪 的纳维亚半岛诸 国、 意大利等几乎是 1 0 0 的采用湿喷法施 工 。2 O世纪 8 O年代 以来 ， 湿喷 作者简介 ： 张小庆( 1 9 8 9 一) ， 男 ， 硕士 ， 采 矿工程专业 ， 主要研究 方 向 为软破 围岩工程加 固。 混凝土技术凭借其 粉尘少、 回弹率低 、 机械化程度 高、 物料配合 比可控性高等优点在我 国水利 、 水 电、 隧道等大断面地下工程建设 中得到了广泛的应用 ， 但在地下矿山工程 中的应用还处在推广 阶段 。从 国内情况来看， 我国 1 1 3万座各类矿 山中， 仅在板 庙 子金 矿 、 金 川镍 矿 、 梅 山铁 矿 、 金 山店铁 矿 、 首钢 杏 山铁矿 、 程潮铁矿 、 眼前 山铁矿等个别矿山开始采用 湿 喷 。 1 工程 背景 金川镍矿位于甘肃金 昌市 ， 是 中国三大多金属 共 生矿 之 一 。其 所 在 地 区历 经 强 烈 的地 质 构 造 运 动 ， 地质条件较差， 突出表现在地质构造复杂、 矿岩 结构面发育 、 矿岩破碎、 稳定性极差、 地应力较高 ， 因 此寻找解决巷道支护稳定性问题的方法成为 了矿区 发展中长期 而艰 巨的任务_ 4 。经 历了几十年 的研 究 ， 金川矿山在巷道支护方面积累了丰富的经验和 第 4期 张小庆等 ： 金 川镍矿高效机械化湿 喷混凝 土技术的应用 研究成果 ， 目前使用 的支护包括喷锚网支护、 巷道注 浆加固支护以及多种方式联合支护， 主要是以喷锚 网支护 为 主 5 。随着 开采 深度 的不 断增 加 ， 采 动 影响和采动范围的不断加大 ， 加上复杂的工程地质 条件 、 高地应力 、 矿岩破碎 、 采空 区充填水等多种不 利 因素的综合影响 ， 深部巷道 围岩表现出显 著的碎 裂蠕变特性， 巷道变形严重 ， 返修频繁， 巷道稳定性 问题变 得 越发 突 出 。 金川镍矿此前喷射混凝土工艺主要采用传统的 干喷工艺 ， 该工艺存在 回弹量大 、 粉尘浓度高 、 速凝 剂加入量不易定量控制、 混凝土喷射层的强度不 能 满足设计要求 、 施工效率低等问题 。鉴于上述原因， 金川镍矿引进国外带行走系统和遥控机械手的机械 化湿喷台车， 并组建 了配套的湿喷混凝土制备系统 、 运输系统 、 喷射系统 ， 推行 以湿喷混技术为核心 的高 效 机 械化支 护新 工 艺 ， 实 践 表 明该 工 艺 达 到 了 降低 支护成 本 和提 高支 护强 度 的 目的 。 2 湿喷混凝 土材料 与配合 比 2 1原材 料 1 ) 水泥 ： 水泥选择的原则为在保证质量的前提 下做到就近取材。根据金川镍 矿实际情况 ， 决定采 用金 昌水 泥 公 司 生 产 的 4 2 5级 水 泥 ， 表 观 密 度 为 3 1 1 0 。 k g m。 ， 水 泥用 量 大于 4 0 0 k g m。 。 2 ) 骨 料 ： 骨 料选 用 的是 当地河 砂 和绿 豆石 ， 根 据 P u t z me i s t e r 公 司湿喷台车的相关技术参数 ， 设计石 子最大 粒 不 大 于 1 6 mm； 细 骨 料 的细 度 模 数 为 3 0 5 。根据国外矿 山湿喷混凝土相 关经验 8 - 9 ， 砂 石比定为 7： 3 ， 级配曲线刚好落在最优上下限范围 内， 如 图 1所示 。 3 ) 速 凝剂 ： 采 用 的 是 巴斯 夫 公 司生 产 的 S A1 6 7 型速凝剂 。S A1 6 7是一 种适用 于湿 喷及 干 喷混凝 土的高性能无碱液体速凝剂 。使用该速凝剂可使一 次喷射层厚度达 1 5 O 4 0 0 mm， 混凝土 2 8 d降强 小 ， 耐 久性 好 。 4 )减 水 剂 ： 采 用 的 是 巴 斯 夫 公 司 生 产 的 RHE OP L US 2 6 R 型 混 凝 土 高 效 减 水 剂 。RHE O P L US 2 6 R新一代高效减水剂 ， 含有聚羧酸醚类聚 合物 ， 与传统高效减水剂相 比，具有出色的高减水 率。在高温环境下 ， 具有良好的坍落度保持能力 。 2 2配 合 比 配合 比的选取是 湿喷技术的关键 ， 其选取要兼 顾湿喷混凝土的可压送性、 可喷性、 强度等条件 。不 合理的配合比会导致湿喷混凝土在应用中出现压送 1 ( ) ( ) 9 0 0 8 0 ( 1 7 0 0 6 0 0 5 00 4 4 ) 0 3 0 0 200 1 ( ) 0 0 O 骨料粒度 n u n 图 1 骨料级配 曲线 Fi g 1 The c u r v e o f a g g r e g at e g r a d i n g 过程 中的堵管、 喷射后流淌 、 回弹率大 、 喷层强度达 不到设计要求等问题 ， 这不仅浪费材料 ， 还会影响施 工效率。为确定合理的配合比， 金川公 司联合北京 科技大学进行了大量 的室 内试验 和现场试验 ， 在满 足湿喷料浆坍落 度大于 1 5 0 mm， 湿喷混凝土层强 度 C 3 O要 求 的基础 上 ， 最终 确定 的配 合 比见表 1 。 表 1最佳配合 比 Ta bl e 1 Th e o pt i m um p r o p or t i o n 3 湿喷工 艺 3 1 工艺 流程 湿喷混凝土工艺流程图如 图 2所示 ， 可粗略分 为湿喷料浆 地表制备 、 湿喷料浆 运输 、 井 下湿 喷三 部 分 。 图 2施工工艺流 程图 Fi g 2 Pr o c e s s f l o w c h a r t 1 ) 湿喷料浆的制备 。骨料经过储料仓下面的电 子称量装置准确称量后 由传送装置传送到搅拌 室， 水泥掺量 由螺旋给料机智能 自动控制 ， 减水剂和搅 拌用水经由计量泵计量后加入搅拌槽 ， 启动搅拌装 置将湿喷料搅拌均匀。 第 4期 张小庆等 ： 金川镍 矿高效机械化湿喷混凝土技术 的应用 6 5 图 7喷 射 角 度 与 距 离 F i g 7 Th e i n j e c t i o n a n g l e a n d d i s t a n c e 1 ) 首先启动空压机 ， 然后启动速凝剂泵 ， 目测喷 嘴处 的风压 与 速凝 剂 的出料 情况 。 2 ) 检查确认风压与风量合适 ， 对于机械手 自动 喷浆 ， 所 需 风压 6 b a r ， 最小 风 量 1 0 1 2 m。 mi n 。 3 ) 不要 向岩面单纯喷射速凝剂， 否则会 造成混 凝 土 黏结 问题 。 4 ) 启 动混凝 土 泵 ， 低 速 运 行 几 个 行 程 之 后 调节 至正常泵速， 同时将喷嘴对准岩面开始喷浆。 3 2 5 养护 混 凝 土 喷 射后 ， 需要 进 行 长 时 间 的水 化 作 用 才 能硬化 ， 而适宜 的 温 度 和湿 度 是 水 化 作 用 所 必 须 的 两个必要条件 ， 因此为了保证混凝土有适宜的硬化 条件 ， 使其达到设计 强度 ， 就必须对混凝 土进行 养 护_ 1 。不正确的养护还会导致混凝土收缩开裂， 从 而影响混凝土的耐久性和抗渗性 。为控制衬砌表面 的收缩开裂 ， 金川镍 矿确定 的养护方式如 下 ： 喷射 1 h 后开始喷水养护 ， 每隔 4 h喷一次水 ， 连续养护 不少 于 1 4 d 。 3 3应 用效 果 对现场湿喷试验做数据收集统计 ， 与金川镍矿 之前采用的干喷法进行对比， 对 比结果见表 2 。 表 2技术指标 比较 Ta bl e 2 Co mp ar i s o n o f t e c hni c a l i nd e x e s 对 比结果显示 ， 湿喷法的生产效率提高 了近 3 倍 ， 粉尘 浓度 大 幅 降低 ， 回弹量 得 到 了有 效 控 制 ， 单 轴抗 压 强度 得 到 了大幅提 升 ， 满足 了工 程需 要 ， 虽然 湿喷法的成本相较于干喷法略高， 但是其在工程质 量 、 工程 效率 、 工 程安 全方 面 的优 势是 显而 易见 的 。 4 结 论 1 ) 合理地选取混凝土配合比能够有效地降低回 弹量、 增强支护强度 、 节约支护成本 、 提高支护效率 。 经过大量的室内试验和现场试验 ， 得出适合金 川镍 矿的湿喷料 配 合 比为 ： 水泥 4 4 0 k g m3 ， 细砂 1 2 3 0 k g m3 ， 绿豆石 5 2 7 k g m 3 ， 减水剂 1 ， 水灰 比 0 4 9 。 2 ) 从湿 喷技术 在金川镍 矿 的实 际应 用情况来 看 ， 显著提高了金川镍矿巷道支护的劳动生产率， 降 低了生产成本 ， 改善 了作业环境 ， 具有较好 的经济效 益 和社会 效 益 。 3 ) 目前 我 国矿 业 技 术 正 在 飞 速 发展 ， 对施 工效 率 、 作业环境、 施工质量 的要求一步步提高 ， 可以预 见湿喷混凝土技术在地下矿山逐步推广并取代干喷 法 是必 然 的趋势 。 参 考 文 献 1 韩 斌 ， 武拴军 ， 李宏业高效机 械化湿 喷混 凝土技术及 其在地 下矿 山的应用 J 金属矿 山，2 0 0 9 ( 5 ) ： 2 3 2 6 2 何文 敏 ， 陈拴 发 ， 张 学 钢新 拌湿 喷混 凝土 的性能 检 测研 究 J 混凝土 ，2 0 1 3 ( 3 ) ： 9 2 9 5 3 关宝树隧道及地下工程湿喷混 凝土支护技 术 M 北 京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 9 4 刘 同有金川岩石力学与工程地 质的研究 J 岩石力学 与工 程学报 ，1 9 9 6 ， 1 5 ( 2 ) ： 9 7 1 0 1 E s 陈仲杰 ， 杨金维金川矿区深部高应力碎胀蠕变岩体支 护对策 J 金属矿 山，2 0 0 5 ( 1 ) ： 1 8 2 2 E 6 王贤来 ， 姚维信 ， 韩 斌金川矿区高应力破 碎岩体条件 下 的巷 道支护技术 J 矿业研究与开发 ，2 0 0 4 ， 2 4 ( 3 ) ： 3 8 4 1 E 7 高 谦 ， 吴永博 ， 王思敬金川矿区深部 高应 力矿床 开采关键技 术研究与发展 J 工程地质学报 ，2 0 0 7 ， 1 5 ( 1 ) ： 3 8 4 9 8 L EE S ，KI M D，RY U J ， e t a 1 An e x p e r i me n t a l s t u d y o n t h e d ur a b i l i t y o f h i g h p e r f o r ma n c e s h o t c r e t e f o r p e r m a ne n t t u n ne l s u p p o r t J T u n n e l l i n g a n d Un d e r g r o u n d S p a c e Te c h n o l o g y ， 2 0 0 6， 21 ( 3) ：4 3 1 4 3 5 r 9 MALMGREN L，N0RDLUND E，R0LUND S Ad h e s i o n s t r e n g t h a n d s h r i n k a g e o f s h o t c r e t e J Tu n n e l l i n g a n d Un d e r g r o u n d S p a c e Te c h n o l o g y，2 0 0 5， 2 0 ( 1 )： 3 3 4 8 1 o 陈新 贵浅谈 混凝 土试 件标 准 养护 的条件 J 四川 建材 ， 2 O1 3 ， 39 ( 2)： 37 3 8