混杂纤维混凝土喷层在锚网喷支护中的研究应用.pdf

2 0 1 0年第 1 2期 煤炭 工程 混 杂纤维混凝土 喷层 在锚 网喷支护 中的 研 究应 用 毕远志 ，傅清 国 ，陈季斌 ，胡金华 ( 1 江南大学，江苏 无锡2 1 4 1 2 2 ； 2 上海大屯能源股份公司，江苏 徐州2 2 1 6 0 0 ) 摘要 ：针对煤矿深井巷道支护结构要 求高强高韧 的特点，提 出了将 高韧性合成 ( 粗) 纤维 与高弹模纤钢纤维混杂掺加到水泥基材料 中形成复合水泥基材料 ，通过喷射工艺在 围岩表面形成 支护层与锚杆、锚 索形成共同支护体的施工方案 ，结合孔庄煤矿深部巷道施工的实例，对施工中 遇到的纤维的选择 、纤维掺量的确定、喷层厚度确定、纤维掺加工艺等关键技术进行 了论述 ，并 给 出 了支护 效果 和经 济效 益分 析 ，为该技 术 的推 广提 供 借鉴 。 关 键词 ：支护结 构 ；深 井 ；韧性 材料 ；合 成 ( 粗 ) 纤维 中图分类号 ：T D 3 5 3 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 6 7 l 一 0 9 5 9 ( 2 0 1 0 ) 1 2 - 0 0 7 5 - 0 4 Re s e a r c h a n d App l i c a t i o n o f M i x e d Fi b e r Sh o t c r e t e La y e r t o Bo l t St e e l M e s h S ho t c r e t i ng S upp o r t B I Y u a n z h i ，F u Q i n g g u o ，C HE N J i b i n ，H U J i nh u a ( 1 J i a n g n a n U n i v e r s i t y ，Wu x i 2 1 4 1 2 2，C h in a ；2 S h a n g h a i D a t u n E n e r g y C o m p a n y L t d ，Xu z h o u 2 2 1 6 0 0，C h i n a ) Abs t r a c t：Ac c o r d i n g t o t h e hi g h s t r e n g t h a n d h i g h t e n a c i t y f e a t ur e s r e q ui r e d b y t h e s up p o r t s t r u c t u r e o f t h e de e p mi ne r o a d w a y i n t h e c o a l m i n e ，t h e h i g h t e n a c i t y s y n t h e t i c( t h i c k )fi b e r a n d t h e h J g h e l a s t i c m o d u l u s s t e e l fi b e r w o u l d b e m i x e d a n d a d d e d t o t h e c e me n t b a s e ma t e r i a l t o f o r m t h e c o mp l e x c e me n t b a s e ma t e r i a 1 T h e s h o t c r e t i n g t e c h n i q u e a p p l i e d t o for m a s u p p o r t l a y e r o n t h e s u r r o u n d i n g r o c k s u r f a c e o f t h e mi n e r o a d w a y a s w e l l a s t h e b o l t a n d a n c h o r w o u l d b e a p p l i e d t o f o r m a c o mb i n e d s u p po r t c o n s t r u c t i o n pl a n I n c o mbi n a t i o n wi t h t h e c o n s t ruc t i o n c a s e o f t h e de e p mi n e r o a d wa y i n Ko n g z hu a ng Mi n e，t h e pa p e r s t a t e d t h e de t e r mi n a t i o n o f t he fibe r s e l e c t i o n a n d fi be r a d d e d q ua n t i t y， t h e de t e r mi n a t i o n o f t h e s h o t c r e t i n g l a y e r t h i c k ne s s，t h e fib e r mi x i ng t e c h ni q ue a n d o t he r k e y t e c hn o l o g y i n t he c o ns t ruc t i o n o p e r a t i o n Th e p a p e r p r o v i d e d t h e s u p p o r t e f f e c t s a n d t h e e c o n o mi c b e n e fi t a n a l y s i s wh i c h c o u l d p r o v i d e t h e r e f e r e n c e s t o t h e p r o mo t i o n of t h e t e c h n o l og y Ke y w o r d s ：s u p p o rt s t ruc t u r e ；d e e p m i n e s h a f t ；t e n a c i t y m a t e r i a l ；s y n t h e t i c( t h i c k )fi b e r 在深井条件下开采 ，巷道 围岩表 现出工程 软岩 的特 性 ， 即在工程力作用下 能产 生显 著塑性 变形 ，出现非 线性大 变 形 的特点 。深井支护要求支护结构要有一定 的变形量 ( 支护 前期 ) 和 支护 强度 高 ( 支 护 的后期 ) 。 目前 煤 矿深 部岩 巷 普 参 考 文 献 ： 辇 _机 理 及 预 坝 中 1 李建 民，张 壮 路 ，张瑞 玺赵 各 庄 矿 深 部带 压 开 采 评 价 5 钟亚平开滦煤 矿防治水综 合技术 研究 M 北京 ：煤 炭 J 煤 炭学报 ，2 o 0 5，3 。 ( 5 ) ：5 5 0-5 5 3 6 钟- E 亚平 ，李建,2 民 0 0 开 滦 矿 区 煤 矿 综 合 防 治 水 技 术 理 论 与 实 践 2 赵铁锤华北地 区奥灰 水综 合防治 技术 M -北 京 ：煤 炭 J 煤炭科学技术 ，2 0 0 6，3 4 ( 1 ) ：1 21 5 工业出版社，2 0 0 6 7 刘衍高深部开采区导水断层防水煤柱合理留设探析 J 3 虎维岳矿山水害 防治理论 与方法 M 北京 ：煤 炭工业 煤 矿开采 ，2 0 0 8 ，1 3 ( 1 ) ：2 1 2 2 出版社， 2 0 0 5 ( 责任编辑 张宝优) 收稿 日期 ：2 0 1 0 0 8 0 4 基 金项 目 ：建设部立项科研研究项 目 ( 0 8一K 41 7 ) 作者简介：毕远志( 1 9 5 8一) ，男 ，吉林洮南人 ，副教授 ，1 9 9 5年毕业于中同矿业大学 ，现在江南大学环境与土木工程 学 院主要从事岩土工程及地下工程 支护材料研 究和教学工作。 7 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 0年 第 1 2期 遍采用锚 网喷 支护 ，素混凝 土 喷层 抗 拉强 度低 、韧性 差 ， 在 围岩大变形条 件下 ，出现脆性 破坏 ，喷层 容易脱 落使 支 护失效和威胁人身安全。为解决这个难题 ，研究高强度、 高韧性的纤维混凝土材料来改善锚网喷混凝土喷层性能的 课题被提 了出来 。我 同煤 矿深 部开 采 巷道 长 达 1 8 0万 m。 在目前的支护方式下，巷道在服务期间内屡遭破坏，需多 次翻修。对深部开采矿井巷道每年的修复费是一笔很大的 开支 ，这种状况不仅影 响 了矿 井正常 生产 而且影 响了企业 的经济效益，因此对深部高应力巷道支护方法与支护材料 的研究 ，对我国煤矿安全高效 生产具有 重要 的应用价值 。 1 试 验巷 道概 况 试验巷道是孑 L 庄 煤矿 1 采 区上部车场行人 回风石 门、 轨道下 山上部车场巷道 ，试验巷道 总长 2 0 0 m，其 中：合成 ( 粗 ) 一钢纤维混凝 土巷道长 为 1 0 0 m，对 比巷道长为 1 0 0 m。 巷道埋深为 8 2 0 m。巷道 围岩 裂隙发育 ，滑 面 比较多 。巷道 净宽为4 0 m，巷道净高为 3 5 m，原设计喷射素混凝土厚 度 1 ( x 】 m m。现采用全断面锚网梁 +喷射纤维混凝土 +锚索 支护 ，具体参数如 下 ：全 断 面使 用左 旋螺 纹钢锚杆 进行 支 护 ，锚杆规格均为 中 2 02 2 0 0 m m，其间排 距 为 ：8 0 0 mm 8 0 0 mm。初喷后铺 网 打锚杆 。锚 索为 中l 7 8 mm钢绞 线 ， =8 0 0 0 mm，每排 3根 ，间排距 为 1 8 mm1 6 mm，梁 用 钢筋焊成梯子间 ，钢筋直径为 1 6 m m。 2 混杂纤维混凝土喷层的应用 2 1纤维的 遴选 根据深井巷道的支护要求，对市场能够买到的工程纤 维进行遴选，本着经济适用的要求选用了合成( 粗 ) 纤维、 钢纤维按不 同配 比进行试验最终确定 。 1 )合成 ( 粗 ) 纤 维 ，直径 5 0 HD8 0 0 m，该 种纤维 的密 度 为 0 9 1 c m ；抗 拉 强 度 大 于 4 5 0 M P a ；弹 性 模 量 为 7 3 G P a ；无 吸 水 性 ；无 味；强 抗 酸 碱 性 ； 当 量 直 径 为 0 5 ra m；断裂伸长率 为 8 ；分 散 性 良好 ；对 人 体 安 全性 好，且具有性价比高，适合工程大面积推广的特点。 2 )钢纤维取材比较容易，也是性价比较高的高弹模纤 维，适合大面积的推广。钢纤维选用波浪型钢纤维，纤维 长 度 为 3 5 m m，长 径 比为 5 06 0 ，平 均 极 限 抗 拉 强 度 8 0 0 MP a以上 ，密度为 7 8 5 f m 。 2 2 合成( 粗) 纤维与钢纤维配比的选择 2 2 1 试块条件 为 了比较混杂纤维对高性能混凝 土增 强 、增韧 的效 果 ， 选用不 同配合 比组合进行 了试验 ：基准 C 3 0素混凝 土( 用 C 表示 ) 、合成 ( 粗) 纤维增强混凝土 ( 用 P c表示 ) 、钢纤维增 强混凝土( 用 s c表示) 和合成( 粗) 纤维与钢纤维混杂纤维 混凝土 ( 用 S P C表示 ) ，纤维掺量为体积 比，见表 1 。 2 2 2 试验结果分析 1 )抗压强度和抗折强度。在混凝土中掺人纤维后，混 7 6 凝土抗压强度 和抗折强 度均得 到不 同程度 的改变 ，见表 2 。 在三种加纤维混凝土中混杂纤维( 合成( 粗) 纤维 十钢纤维) 的增 幅最 大 ，抗 压 强 度提 高 了 3 9 8 ，抗 折 强度 提 高 了 4 5 4 ，同时加入 单一 的纤维 ，抗 压 、抗折强度 均有提 高， 说明纤维对混凝土可以起到微筋材的作用。 2 )弯曲韧性。纤维混凝土除了可提高混凝土的抗压强 度外 ，更重要 的是 可显 著改善混 凝土 的韧性 。试 验梁尺 寸 为 4 0 HD m m1 o o m m1 0 0 m m。不同混凝 土的韧性 对 比如图 1 所示。从图 1 可以看出，素混凝土 C的脆性极强，从实验 现象来看 ，只有 0 3 mm的位移便开始断裂，且裂缝一经出 现便迅速产生破坏 断裂。而 S P C纤 维混凝 土则表 现 出极好 的韧性 ，曲线所包 围 的面积最 大 ，明显表现 出增 强增韧性 能叠加 的优势 。韧性明显高于掺加单一纤维 的 2种混凝土 ， 弯 曲荷载一挠度 曲线下包 围的 总面积最 大。表现 出吸收 破 坏 冲击能量 的能力更强 的特点 。 表 1 混凝土配合比 表 2 不 同种类混凝土 的力学性能 Z 延 雹 扑 图 1 不 同混凝土弯 曲荷载一 绕度 曲线 2 3 纤 维混凝 土喷层 厚度 的确 定 2 3 1 纤 维混凝 土喷层厚度 的确定方法 松动圈围岩是锚杆支护的主体，松动圈岩体的碎胀力 ( 简化为重力) 由锚杆承受。喷层起局部支护作用 ，即锚杆 问的表面支护，控制锚杆间非锚 固区危石的坠落的压力， 还有围岩应力的重新分布而带来的附加应力，附加应力计 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 第 l 2期 煤炭工程 算是复杂 的，所 以喷层厚 度大 多依据 工程类 比法 确定 。此 次试验在参考了孑 L 庄煤矿素混凝土喷层厚度的基础上，根 据地质 资料 ，按表 3中力 学 参 数 确 定 围 岩级 别 ，再 根 据 锚杆喷射混凝土支护技术规范 选择喷层厚度 ，还要考虑 岩石坚硬性岩体 完整性 、结构 面特征 ，地 下水 和地应 力确 定围岩的级别。孑 L 庄煤矿试验巷道为类围岩，根据 锚 杆喷射混凝土支护技术 规范 查 出预定 支护 参数 。论 文用 F L A C有限差分计算软件对初选的支护参数进行支护效果模 拟验算 ，最后确定喷层的厚度和其他支护参数，完成喷层 厚 度设 计。 2 3 2 不同纤维混凝土喷层厚度支护效果的计算机模拟 喷浆方 案选 择先 初 喷 3 05 0 m m 的素 混凝 土 ，然 后分 别按 喷射厚 度为 8 0 m m、1 0 0 mm、1 5 0 ra m 的纤维混 凝土 和原 设计喷射 l O O m m素混凝土进行对比，锚杆、锚索支护参数 不变 ，评价巷道支护的稳定性。论文采用 F L A C数值模拟 进行分 析。 表 3围岩力学参数 1 )原设计支护方式稳定性评价。在原设计支护方案 下，巷道的表面位移量 ，如罔 2所示。从 图 2可以看 出。 在原支护下巷道顶板下沉量、底鼓量、左帮移近量、右帮 移近量分别为 4 0 m m、3 5 ra m、3 1 m m、3 1 mm。巷道 围岩 的垂 直应力在两帮及两底角集中，两帮距巷道周边 1 4 m处有最 大集 中应力 3 2 5 M P a 。巷道 围岩 的水平 应力 在顶 底板 及两 底角集中，顶部距巷道周边 2 m处有最大集中应力 1 5 MP a ， 底部距巷道周边 2 5 m处有最大集中应力 1 8 MP a 。 3 0 0 0 20 0 0 毒 1 0 0 0 0l0 o 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 2 4 6 8 1 O 时步 1 0 3 图 2 原 支护 下巷道 围岩表 面位 移 2 )不同的纤维混凝土喷浆厚度。在纤维混凝土厚度 为 8 0 mm时，巷道顶板下沉量、底鼓量、左帮移近量、右 帮移近量分别为3 2 ram、3 4 ra m、1 9 ra m、1 9 m m。巷道围岩的 垂直应力在两帮及两底角集中，两帮距巷道周边 1 2 m处有 最大集中应力 3 0 M P a 。巷道围岩的水平应力在顶底板及两 底角集中，顶部距巷道周边 2 m处有最大集 中应力 1 5 MP a ， 底部距巷道周边 2 5 m处有最大集中应力 1 7 5 MP a ；在纤 维混凝土厚度为 1 0 0 ra m时，巷道顶板下沉量、底鼓量、左 帮移 近 量、右 帮 移 近 量 分 别 为 2 9 m m、3 5 mm、1 7 m m、 1 7 mm。巷道两帮塑性区在 1 2 m左右，两帮距巷 道周边 1 1 m处有最大集中应力 3 0 M P a 。巷道 围岩的水平应力在顶 底板及两底角集中，顶部距巷道周边2 m处有最大集中应力 1 4 5 MP a ，底 部 距 巷 道 周 边 2 5 m 处 有 最 大 集 中 应 力 1 7 5 MP a ；在纤维混凝土厚度为 1 5 0 m m时，巷道顶板下 沉量、底鼓 量、左帮移近量、右帮移近量分别为 2 6 m m、 3 5 m m、1 5 mm、1 5 m m。巷道两帮塑性区在 1 2 m左右，底 板塑性区在 2 1 m左右，顶板塑性区在 0 6 m左右。巷道围 岩的垂直应力在两帮及两底角集中，两帮距巷道周边 1 m处 有最大集中应力 3 0 M P a 。巷道围岩的水平应力在顶底板及 两底角 集 中，顶部距 巷道 周边 2 m 处有最 大集 中应力 1 5 MP a ，底部距巷道周边2 5 m处有最大集中应力 1 7 5 MP a 。 从以上的模拟结果来看，在纤维混凝土喷层厚度在 8 0 m m时顶部支护 已经满 足要求 ，边墙 的位移量偏 大 ，当边 墙喷层厚度达到 1 0 0 m m时已经满足了工程的要求。因此喷 层厚度选择为拱部 8 0 ram，边墙 l O O mm。 2 4纤维掺入 工 艺 1 )机械设备。混合料搅拌机采用螺旋式纤维搅拌机 。 型号为 C J L一5 J ，该机型是专为煤矿井下搅拌纤维研制， 体积小，适合煤矿井下空间条件 ，生产能力 5 m h ；混凝 土喷射机采用潮喷工艺，选择 E S P一6型混凝土喷浆机，满 足生产能力为6 m h ；耗风量 8一l O re。 ；适胶骨比为 1 ： 41 ： 5 ；工作风压 0 1 8 0 6 MP a 。 2 )纤维掺人工艺。由于井下条件的限制，先在地面用 螺旋搅拌机将石子、黄沙和纤维按配 比进行搅拌，装入矿 77 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭 工程 2 0 1 0年第 1 2期 车送人井下施工现 场。在井 下与水 泥和 添加剂进 行搅 拌直 接送到喷浆机里喷 射到岩 面上 。混凝 土 配合 比称 重每 次配 量按 照半湿式搅 拌 工艺进行 ，满 足潮 喷工艺 要求 ，控制 砂 子 和石子 的含水量在 8 1 0 。 2 5 纤维喷层 支护 效果 分析 试验分二 段进 行 ，第 一段 是 对 比段 为喷 射 素混凝 土 ， 第二段为喷射纤维混凝土段。素混凝土试验对比段冈为材 料韧性比较差与围岩的耦合性不好 ，应力比较易集 中，出 现拉应力点 比较多 ，经观 测 ，喷层破 坏 主要 是拉 应力 和剪 应力破坏，应力变化情况如图3所示。该试验段在巷道掘 出 1 7 0 d时 出现 了开 裂 ，在 3 4 0 d时 已经 破坏需 要维修 ，同 一 时间纤维混凝土试 验段 南于纤 维混凝 土韧性 好 ，町以通 过变形释放部分压力 ，使应力不易集中，实现了与锚杆的 耦合支护 的效 果 ，围岩 易于达 到稳定 。另 外纤维 混凝 土的 抗拉、抗剪能力提高比较大。尽管喷层应力相对较大，但 并没有超 出纤维喷 层 的强度 。因此 从矿压 显现 的情况来 看 喷层依然是完好的 ，在巷道使用两年后没有 出现开裂 现象 。 时 】 ， d -I- 右拱墙 一 右拱腰 +拱顶 一左拱腰 一左拱墙 图 3 素 混凝 土段应 力变化 3 经济效益分析 目前孔庄煤矿在深部 一 8 0 0 m水平 开采的锚 网梁喷支护 巷道的初次修护周期为一年。而高韧性纤维混凝土试验巷 道经过两年半 观测 ， 目前 巷道 完好 ，无 开裂 ，据保 守估计 至少还可 以推迟两 年以上 不用修 护 ，修护期 推迟 了三年半 以上，据统计纤维混凝土巷道比素混凝土巷道每米多投入 4 8 0元，喷素混凝土巷道维修一次可持续使用两年半左右， 孔庄煤矿 目前 重新锚 喷 支护 外加 注浆 ，支护 直接 材料 费 、 注浆和人工费用为 3 5 0 0元，三年半巷道可节约费用 3 0 2 0 元 m，经济效益十分显著。 4结语 成( 粗 ) 纤维 ( 与钢纤维混合 ) 水泥基 复合材料 ，具有 很好 的 强度 、韧 性 ，抗 拉 、抗剪 强 度 高 ，适 合 深 井 巷 道 围岩 的 支护。 2 )通过类 比法 、有限元 软件模拟分析 法 ，根据 围岩位 移量确定纤维混凝 土喷层 厚度 ，可 以节约 喷层材 料 ，预测 支护效果 。 3 )由于井下条件的限制 ，采取了地面掺加纤维，控制 砂石的含水量 ，井下 掺加 水泥 、添加 剂的方法 ，实现 喷浆 料机 械搅 拌均匀 ，含水 量控 制在 8 1 0 ，粉尘 减少 了 5 0 以上 ，工人的劳动环境得到了改善。 4 )通 过矿 压显 现观测证 明纤维混凝土试验段 由于纤维 混凝 土韧性 好 ，可 以通 过喷层 变形 释放部分 压力 ，使应 力 不集中 ，实现了与锚 杆的耦合 支护 的效果 ，围岩稳定性 好 于素混凝 土试 验段 。 5 )经统计 分析纤维混凝 土巷道 比素混凝土巷 道每米多 投入 4 8 0元 ，三年半巷道可节约维护费用 3 0 2 0元 m，经济 效益 十分显著 。 参考文献 1 1 通过 近两年半 井下 试验监 测 ，纤维混凝 土试 验巷道 喷 层没有出现开裂和脱落现象，同时施工的素混凝土巷道对 1 2 比段在施工一年后 因巷 道开裂 脱落进 行 了修 护 ，试验取 得 1 3 了较好效果 ，总结如下 ： 1 )经过不 同纤维材料不 同配 比的试验分析证明混杂合 7 8 何满朝，等软岩工程力学 M 北京：科学出版社， 2 O o 4 李德忠 ，夏新川 ，韩家根 ，等深 部矿井开采技 术 M 徐州 ：中国矿业大学 出版社 ，2 0 0 5 侯朝炯 ，吕晓俭 ，等深部工程 围岩特征及非线 性动态力 学设计理念 J 岩石 力学 与 工程 学报 ，2 0 0 2 ，2 4 ( 8) ： l 21 5 1 2 2 4 祝顺 义纤维 混凝土在 软岩巷道 支护 中的应用研 究 J 工程设计与建设 ，2 0 0 4，3 6 ( 1 ) ：1 8 2 1 毕远志 ，孑 L 一凡，华渊 ，等改性合成( 粗 ) 对混凝土增强 增韧 性 能 影 响 的试 验研 究 J 建 筑 节 能 ，2 0 0 7，3 5 ( 1 2)：3 64 O P S u k o n T e n s il e b e h a v i o r o f h y b r i d fib e rr e i n f o r c e d c o n c r e t e J A d v a n c e s i n C e m e n t R e s e a r c h ，2 0 0 4，( 3 ) ：1 1 51 2 2 黄承逵 ，车轶 ，王伯听混 杂纤维混凝 土的力学性能及抗 渗性 能 J 建筑材料学报 ，2 0 0 8，( 2 ) ：8 9 9 3 朱海堂 ，高丹盈 ，王占桥混 杂纤维高强 混凝 土断裂性 能 试验研究 J 建筑结构学报 ，2 0 1 0 ，3 1 ( 1 ) ：4 1 4 6 J G T 3 0 6 4 1 9 9 9 ，钢纤维混凝土 S Di a s D P， T h a u ma t u r g o C F r a c t u r e t o u s h n e s s o f g e o p o l y me t r i e c o n c r e t e s r e i n f o r e e d w i t h b a s a l t fi b e r s J C e m e n t a n d Co n c r e t e C o mp o s i t e s ，2 0 0 5， 2 7：4 95 4 大连理工大学纤维混凝土结构技术规程 M 北京：中 国计划 出版社 ，2 0 0 4 G B 5 0 0 8 6 2 0 0 1 ，锚杆喷射混凝土支护技术规范 S 王其胜钢纤维混凝土增强作用及在 软岩巷道支护 中的应 用 J 辽宁工程技术大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 9 ，2 8 ( 3 ) ： 3 3 7 3 4 0 ( 责任编辑张宝优) i 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m