特厚冲积层钻井井壁高强高性能混凝土配制研究及其应用.pdf

第 1 6卷第 3 期 2 0 0 7 年 3 月 中 国 矿 业 CHI NA M I NI NG M AGAZI NE V0 1 1 6，No 3 M a r c h 2 0 0 7 科 技 纵 横 特厚冲积层钻井井壁 高强高 性 能混凝 土配制研 究及 其应 用* 姚直书 程桦 宋海清 ( 安 徽理 工 大学 土木 工程 系 淮 南 2 3 2 0 0 1 ) 摘 要 ： 针 对特厚 冲积层 钻井 壁的施工条件 和性 能要求 ，提出 了钻井井壁 高强高性能混凝土 的配 制 原则 和配制 途径 ，在大量试验的基础上选择 了原材料 ，进行 了 C6 o c 7 o钻井井 壁高 强高性能 混凝土 的 配制试 验，得 到了优 化配合 比，井 成功地应用于工程中。 关键词 ： 特厚冲积层 钻井井壁 高强 高性能混凝土 配制试验 中圈分 类号 ：TQ1 7 2 文献标识码 ：A 文章编号 ： 1 0 0 4 -4 0 5 1( 2 0 0 7 )O 3 0 O 7 7 一O 3 PREPARATI oN AND APPLI CATI ON oF HI GH S TRENGTH AND HI GH PERFORM ANCE CoNCRETE oF DRI LLI NG S HAFT LI NI NG I N S PECI AL DEEP ALLUVI UM Ya o Zh i s h u Ch e n g Hu a S o n g Ha i q i n g ( 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 Te c h n o l o g yHu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ) Ab s t r a c t ：Ai mi n g a t c o n s t r u c t i o n c o n d i t i o n a n d p e r f o r ma n c e r e q u i r e me n t o f d ril l i n g s h a f t l i n i n g i n s p e c i a l d e e p a l l u v i u m ，t h e p r e p a r a t i o n p ri n c i p l e a n d p r e p a r a t i o n a p p r o a c h o f h i g h s t r e n g t h a n d h i g h p e rfo rm a n c e c o n c r e t e o f d r i l l i n g s h a f t l i n i n g a r e b r o u gh t f o r wa r d On t h e b a s e o f a g r e a t d e a l t e s t ，t h e r a w a n d p r o c e s s e d ma t e ri a l s a r e c h o s e a n d p r e p a r a t i o n t e s t s o f C6 o c7 o h i g h s t r e n g t h a n d h i g h p e rfo rm a n c e c o n c r e t e o f d r i l l i n g s h a f t l i n i n g a r e d o n e Th e o p t i mi z i n g m i x i n g r a t i o s a r e g a i n e d a n d h a v e b e e n s u c c e s s f u l l y a p p l i e d i n e n g i ne e r i n g pr a c t i c e Ke y wo r d s ：S p e c i a l d e e p a l l u v i u m Dril l i n g s h a f t l i n i n g Hi g h s t r e n g t h a n d h i g h p e rfo rm a n c e c o n c r e t e Pr e p a r a t i o n t e s t 1 引言 板集矿井是国投新集能源股份有限公司正在兴 建的大型矿井。该矿设计有主、副、风三个 井筒， 其中主井井 筒设计 净 直径 6 2 m，穿 过表 土层 厚 5 8 4 1 0 m；副井井筒设计净直径 7 3 m，穿过表土 层厚 5 8 0 9 3 m；风井井筒设计净直径 6 5 m，穿过 表土层厚 5 8 3 8 0 m。三个井筒表土段均采用钻井法 施工 。特别是副井 ，采用 AS 1 2 8 0 0新型煤矿竖井 钻机 施 工 ，钻 孔 毛 直径 达 1 0 8 m、钻 井 深 度 达 6 4 2 6 m。如此大直径的深井 ，在 国内外钻 井法凿 井历史上尚属首次。 由于该矿井三个井筒穿过 的冲积层特厚 、井筒 *基金项 目：安徽省 自然科 学资金项 目资助 ( 0 5 0 4 4 0 5 0 2 ) 收藕 日期 ： 2 0 0 6 1 O 一2 O 作者简介 ：姚 直书( 1 9 6 7 一) 安徽舒 城人教授 直径又大 ，井壁受力十分不利 ，为抵御强大的地压 作用 ，必须要采用高强井壁结构。根据井壁设计理 论和试验研究成果可知n ，提高钻井井壁承载能力 的最有效措施 ，就是提高井壁 中的混 凝土强度等 级。为此 ，井壁设计 中，采用 了 C 6 0 C 7 0高强高 性能混凝土，这也是 目前国内外钻井井壁使用强度 等级最高的混凝土。 虽然在我国的桥梁、水利和高层建筑等一些地 面工程中，已使用过 C 6 0 C 8 0高 强高性 能混凝 土。 ，但其施工条件和性能要求与钻井井壁混凝土 存在着一定差别。 。因为板集煤矿地处僻远农村， 附近无商品混凝土搅拌站 ，且钻井井壁混凝土用量 较小 ，只能由施工单位 自己拌制 ，技术力量相对薄 弱。为抵御特厚表土层 的强大地压作用，井壁设计 厚度已达 1 0 m，属 于大体积混凝土工 程，混凝土 浇筑初期水化热高，内外温差大，井壁混凝土极易 维普资讯 中 国 矿 业 第1 6 卷 产生温度裂缝 。当井壁漂浮下沉到底后 ，在特厚冲 积层高压水 ( 大约 5 8 MP a )长期作用下 ，原有 裂隙必将产生扩展 ，甚至导通 ，这将大大降低井壁 的承载力 和 耐久性 ， 因此 ，钻 井 井 壁 要 采 用 防 裂 、 抗渗高性能混凝土 。另外 ，由于施工速度快 ，浇筑 的混凝土要在 1 0 h左右拆模 。为此 ，下面对特厚 冲 积层钻井井壁高强高性能混凝土进行了研制。 2 高强高性能混凝土的配制 2 1 配制原则 针对板集矿 井钻井井壁 的施工条件和性 能要 求 ，要求钻井井壁混凝土应具有早强、高强 、低水 化热、抗裂和防渗功能 ，以防止因温度应力产生裂 缝而影响井壁的强度和耐久性 。具体应满足 以下配 制原则 ：混凝土浇筑后 ，1 0 h左右可拆模；配 置工 艺 简 单 ； 混 凝 土 塌 落 度 控 制 在 1 2 0 1 8 0 mm，以满 足混凝 土 浇筑 工艺 ； 低水 化 热， 高耐久性 ；防裂、抗渗 。 2 2 配制方法 高强高性能混凝土的主要特点是强度高 、耐久 性好 、变形 小 ，强度 等 级达 到 或超 过 6 0 MP a 。 采用常规工艺 配制高强高性 能混凝 土 的一般途径 是 ：采用高效复合减水剂 、矿物掺合料和优质骨料 等 。 ( 1 )掺入高效复合减水剂 在普通混凝土中，用水量 比水泥水化所需 的用 水量要大得多 。一般水泥水化所需 的用水量较少 ， 而实际施工时用水量较多。在混凝土硬化后 ，多余 的水在水泥石中以及水泥石和集料的界面区域形成 大量的各种空隙，以及因混合料泌水和混凝土收缩 所引起大量微孔和微孔缝 ，这些缺陷是导致混凝土 强度下降和其他性 能指标低劣的根本原 因。因此 ， 尽可能减少和消除这些缺陷 ，改善混凝土的结构 ， 是配制高强高性能混凝土 的关键问题 ，其基本措施 就是选择性能优异的高效复合减水剂。 ( 2 )掺入矿物掺合料 随着混凝土技术 的进步 ，微 集料( 矿物掺合 料)已成为现代高性能混凝土继外加剂之后 ，必不 可少的第六组分。国内、外常用的微集料主要是优 质粉煤灰 、磨 细矿渣 、沸 石粉、硅粉或 其复合物 等。一般微集料具有填充效应 、形态效应和火山灰 效应 ，掺入后对高性能混凝土某些性能有较大的改 善 。在本次钻井井壁高强高性能混凝土的研制试 验中，就掺入 了硅 粉、磨 细矿渣和粉煤 灰 的复合 物 。 ( 3 )采用优质骨料 对于高强高性能混凝土 ，细骨料宜选用质地坚 硬、级配 良好的河砂或人工砂 ，其细度模数在 2 9 3 2为好 ，含 泥量不 应 大于 1 5 。 粗骨料的性能对高强高性能混凝土的抗压强度 及弹性模量起到决定性的制约作用 ，如果粗骨料强 度不足 ，其它提高混凝土强度手段 的效果较差。同 时，石子级配也是十分重要的，如 目前大多数煤矿 井 壁混凝 土 多 采 用 规 格 为 2 0 4 0 mm 碎 石 ，甚 至 粒 径更 大 ，且主要 为 鄂式 破碎 机生产 的 ，针 片状 含 量太高 ，碎石粒形差 ，严重地影响了混凝土的工作 性和强度 ，难 以配制出高强高性能混凝土。 所以，对 强度等级 C 6 0混凝土 ，其 粗骨料 的 最大粒径不应大于 3 1 5 mm。对高于 C 6 0等级的混 凝土 ，其粗骨料的最大粒径不宜大于 2 5 mm。且必 须要 采用 反击 式或 锤式 破碎 机生 产 的粒形好 和 连续 级 配的碎 石 。 3 原材料选择 本次配制特厚冲积层钻井井壁 C 6 0 C 7 0高强 高性能混凝土 ，主要采用海螺牌 P O 4 2 5和 P O 5 2 5 R普通硅酸盐水泥，其为早强型普通硅酸盐水 泥 ，以其配制的混凝土早期强度高且水化热相对较 低 ，比较适应于配制特厚冲积层钻井井壁高强高性 能混凝 土 。 试验所用的细骨料为河南淮滨中砂 ，其细度模 数为 2 9 。粗骨料 主要采用凤阳石灰岩碎石 ，为 5 2 5 mm连续粒级 ，筛分情况如表 1 所示 ，其压碎 指标值为 5 9 。 表 1 凤 阳石灰 岩碎石 级配试验结果 对于特厚冲积层钻井井壁高强高性能混凝土的 特殊使用环境 ，在原材料一定情况下 ，选择性能优 良的外加剂至关重要 。通过初选 6个厂家 8种高效 复合减水剂进行相容性试验 ，最后确定采用淮南 中 凯合成材料有限公司生产的 NF型高效能复合外加 剂 。 试验所用的矿物掺合料分别为 ：山西东义铁合 金厂生产的硅粉，其比表面积达 2 5 0 0 0 0 c m。 g ，主 要化学成分见表 2 ；合肥钢铁集 团精建材有限公司 生产的磨细矿渣 ，比表面积为 3 8 0 0 c m。 g ，其化学 维普资讯 第 3期 姚直 书等 ：特 厚冲积层钻井井壁高强高性能混凝土配制研究及其应用 7 9 成分见表 2 。粉煤灰 为淮 南平圩 电厂生产 的 I级 灰 ，其需水量 比为 8 9 ，烧失 量为 0 9 5 ，S O 。 含量为 0 2 9 ，细度为 4 。 表 2 硅粉和磨 细矿渣化学成份 ( ) 4 试 验结 果及 其分 析 根据混凝土配合 比设计规程 ，求得 C 6 0和 C 7 0 混凝土的配制强度分别为 6 9 8和 7 9 8 MP a 。 通过正交试验得到特厚冲积层钻井井壁 C 6 0 C 7 0混凝土配合 比，如表 3所示。 表 3 钻 井井壁 C 6 O C 7 O混凝土配合比 对于以上配合比，首先通过质检部门和现场进 行验证性试验 ，结果如表 4所示。由表 4可见，该 配合 比3 d抗压强度达到设计值 的 7 5 ；7 d抗压强 度达到设计值的 9 O ；2 8 d抗压强度达到配制强度 值 ，完全能满足特厚冲积层钻井井壁高强高性能混 凝土的性能要求 。 表 4 钻井井壁高强高性能混凝土验证 结果 5 工程应用情况 通过前面大量的配制试验研究工作 ，得到了板 集矿井特厚冲层钻井井壁高强高性能混凝土的优化 配合比，并进行 副井井壁实际施工 。由于 C 7 0高 强高性能混凝土将是国内钻井井壁使用强度等级最 高的混凝土 ，为了确保混凝土的加工质量 ，华煤建 设有限公司除建立 了较为先进 的混凝土搅拌系统 外 ，还制定了完整的质量管理体系 ，主要技术措施 如下 ： 严把原材料 质量关 。所有原材料均要有 出厂检验单和合格证 ，到达现场的材料需抽样进行 复检 ，合格后方能使用。特别是在选择石子方面 ， 改变了两淮矿区钻井井壁以往一直使用单粒径碎石 的局面 ，而改用连续级配 ，并全部使用反击式破碎 机 生产 的石 子 ，因为该 种破 碎方式 在生 产过 程 中机 器能 自动除尘 ，碎石干净 ，针片状含量特别少 ，能 满足高强高性能混凝土配制要求。加之连续级配能 更好地发挥混凝土骨架作用 ，不易产生离折 ，混凝 土和易性好 。 混凝土的拌制 ，必须注意原材料 、 外加剂的投料顺序 ，严格控制配料量。正确执行搅 拌制度 ，由于矿物 掺合物较 多 ，必须延 长搅拌 时 间 ，搅拌时间比普通混凝土延长 1倍 。 准确控 制用水量 ，砂 、石中的含水率应及时测定 ，并按测 定值调整用水量及砂 、石用量 。 冬季施工，确 保混凝土入模温度不低 于 1 5 。并对井壁采取保 温措施。 精确计量 ，骨料称量误差小于 2 ，胶 凝材料和外加剂称量误差控制 1 以内。 C 7 0高强高性能混凝土在板集矿井副井特厚冲 积层下部 3 1 节井壁中首次使用 ，并全部达到验收 强度 。 6结束语 通过配制试验研究，得到了钻井井壁高强高性 能混凝土的工程配合 比。在采取一系列有效技术措 施后 ，在 目前国内钻井最深、直径最大的板集副井 钻井井壁中，成功地应用 了 C 6 0 - C 7 0高强高性能 混凝土，取得了显著的社会经济效果 。 在钻 井井壁 中使用 C 7 0高强高性 能混凝 土， 这是我国 目前钻井井壁使用强度等级最高 的混凝 土 ，工程成功应用 ，对我国特厚表土层钻井井壁的 设计和施工 ，具有重要的推广应用价值。 _ 参考文献 ( 1 姚直 书，程桦 ，杨俊杰深表 土中高强钢筋混凝土井壁力 学性能的试验研究 J 煤炭学报，2 0 0 4 ， 2 9( 2 )：1 6 7 1 7 1 ( 2 朱清江高强高性能混凝 土 的研 制与 应用 M 北京 ：中 国建材工业 出版社 ，1 9 9 9 ，7 ( 3 沈季 良，等简明建井工程手 册 M 北京 ：煤 炭工业 出 版社 ，2 0 0 3 ，1 ( 4 姚燕新 型高性 能混凝 土耐 久性研究 与工 程应用 M 北京 ：中国建材工业出版社 ，2 0 0 4 ，1 ( 5 中国土木工程学会高强混凝土委员会高 强混凝土结构与施 工指南r M 北 京。中国建筑工业出版社 ，2 0 0 1 ，3 维普资讯