宋艷清，張建偉，侯思羽

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木與交通工程學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004； 2.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450046; 3.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300354)

0 引 言

井下破碎巖體巷道的支護(hù)研究一直是井下支護(hù)的難題[1-3]，破碎巖體巷道一般強(qiáng)度較低，開(kāi)挖后巖體變形較大，支護(hù)難度大，國(guó)內(nèi)針對(duì)破碎巖體巷道的掘進(jìn)、支護(hù)開(kāi)展了大量的研究工作，為本次研究積累了豐富的研究成果。祁赟樸等[4]針對(duì)某礦松軟破碎巖體采準(zhǔn)工程支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用水力膨脹式錨桿和鋼管混凝土支架采準(zhǔn)巷道進(jìn)行支護(hù)，取得了較好的支護(hù)效果;王賢來(lái)等[5]對(duì)金川公司軟弱破碎巖體巷道的各種支護(hù)方式的支護(hù)效果進(jìn)行了詳細(xì)論述，為軟弱破碎巖體巷道支護(hù)技術(shù)提供了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn);鄭重等[6]通過(guò)分析破碎巖體巷道破壞形式，提出采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合與二次加強(qiáng)支護(hù)的技術(shù)方案，并起到了良好的支護(hù)作用。眾所周知，混凝土通常呈弱堿性和堿性，由于酸堿中和，因此，混凝土對(duì)酸性環(huán)境十分敏感，在眾多影響混凝土耐久性的因素中，按重要性排序依次為：鋼筋銹蝕、凍害、酸性侵蝕，相關(guān)研究結(jié)果表明，在酸性條件下，混凝土性能遭到劣化破壞，同時(shí)，酸性環(huán)境加速了混凝土中鋼筋的腐蝕速度[7-9]。白銀有色集團(tuán)深部銅礦位于白銀市，前期采用露天開(kāi)采，后轉(zhuǎn)入井下開(kāi)采，在井下開(kāi)采過(guò)程中，由于巖體強(qiáng)度較低，巖體破碎且遇水后出現(xiàn)泥化膨脹現(xiàn)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，巖體涌水具有腐蝕性，造成用于支護(hù)的鋼筋、錨桿大量銹蝕喪失支護(hù)能力，部分巷道出現(xiàn)大量冒頂、片幫，迫使生產(chǎn)中斷，針對(duì)腐蝕條件下破碎帶巷道支護(hù)方案的研究迫在眉睫。

1 酸性水對(duì)井下巷道支護(hù)的腐蝕原理

1.1 酸性水形成過(guò)程

深部銅礦有塊狀含銅黃鐵礦型和浸染狀(包含少量脈狀和網(wǎng)脈狀)黃銅礦型兩類(lèi)，這兩類(lèi)均屬于火山巖黃鐵礦型銅礦床，其中前者含硫占42.82%以上，后者含硫占17.88%。通過(guò)分析，礦井下的酸性水的形成原因主要是礦床中存在較高硫分與空氣中的氧相互作用、滲透的結(jié)果，酸性強(qiáng)弱與形成的酸性產(chǎn)物濃度有關(guān)。自然界普遍存在的黃鐵礦氧化反應(yīng)是導(dǎo)致酸性水產(chǎn)生的主要因素。黃鐵礦是自然界中分布最廣、數(shù)量最多的硫化物,它可以出現(xiàn)于幾乎所有的地質(zhì)體中，尤其煤、銅、鉛和鋅等礦床。

(1)

Fe2++1/4O2+H+→ Fe3++1/2H2O

(2)

當(dāng)pH值介于2.3～3.5之間時(shí)，F(xiàn)e3+沉淀成氫氧化鐵和黃鉀鐵礬，使小部分Fe3+溶解同時(shí)降低pH值，反應(yīng)方程式見(jiàn)式(3)。

Fe3++3H2O → Fe(OH)3+3H+

(3)

在酸性水形成之后，式(2)產(chǎn)生的Fe3+會(huì)繼續(xù)氧化其他的黃鐵礦物，產(chǎn)生H+，反應(yīng)方程式見(jiàn)式(4)?；谏鲜龌瘜W(xué)反應(yīng)，穩(wěn)定的Fe3+氧化黃鐵礦的完全反應(yīng)方程式見(jiàn)式(5)。氧化黃銅礦的完全反應(yīng)方程式見(jiàn)式(6)。

FeS2+14Fe3++8H2O→

(4)

FeS2+15/8O2+13/2Fe3++17/4H2O→

(5)

CuFeS2+ 3O2+4Fe3++2H2O→

(6)

此外，在多種金屬硫化礦物共生的條件下，或因混晶、雜質(zhì)、缺陷等引起同種礦物內(nèi)部結(jié)晶構(gòu)造有差異時(shí)，在潮濕的環(huán)境中，其氧化還原電位的差異將產(chǎn)生原電池放電作用，促使電位低的礦物或晶體部分溶解。通過(guò)上述化學(xué)反應(yīng)，促使井下形成酸性水腐蝕環(huán)境。

1.2 酸性水強(qiáng)度

礦井下腐蝕嚴(yán)重的區(qū)域，主要分布在東部315行線和西部900行線附近，分別取了三個(gè)水樣，地點(diǎn)分別為：五中段1 375 m水平900行線振動(dòng)放礦機(jī)處、三中段1 535 m水平900行線溜井處、四中段1 487 m水平315進(jìn)路中部。對(duì)收集的三個(gè)水樣按試驗(yàn)要求進(jìn)行了編號(hào)，編號(hào)分別為11-21-1、11-21-2、11-21-3，主要對(duì)送檢水樣中的pH值和F-、Cl-、Cu2+濃度進(jìn)行檢測(cè)，表1為深部銅礦井下酸水強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果。

表1 酸性水強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果Table 1 Acid water intensity test results

1.3 酸性水對(duì)巷道支護(hù)的破壞機(jī)理

礦山井下支護(hù)一般為混凝土支護(hù)、錨桿支護(hù)、鋼絲網(wǎng)支護(hù)等，由表1的檢測(cè)結(jié)果可知，深部銅礦井下涌水pH值介于3.6～2.7之間，屬于強(qiáng)酸性溶液。并且礦井水中含有大量的F-、Cl-、Cu2+，在酸性環(huán)境下，F(xiàn)-與水中的H+結(jié)合，會(huì)形成類(lèi)似HF的溶液，該溶液會(huì)與含SiO2的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而井下噴射混凝土支護(hù)中，水泥中含有大量的SiO2，SiO2與HF的反應(yīng)見(jiàn)式(7)。

4HF+SiO2=SiF4+2H2O

(7)

反應(yīng)生成的SiF4為氣體，破壞了混凝土的結(jié)構(gòu)，降低了混凝土支護(hù)的強(qiáng)度。同時(shí)，由于涌水中含有Cu2+，在酸性條件下，F(xiàn)e元素會(huì)與涌水中的Cu2+發(fā)生氧化還原反應(yīng)，F(xiàn)e反應(yīng)生成溶于水的Fe2+，而井下用于支護(hù)的錨桿的主要成分為Fe元素，井下涌水對(duì)錨桿及其鋼筋形成了嚴(yán)重的腐蝕，降低了錨桿和鋼筋的強(qiáng)度和整體性，同時(shí)，由于F-、Cl-的存在，會(huì)加速對(duì)錨桿和鋼筋的腐蝕。

2 粉煤灰抗腐蝕混凝土

2.1 抗腐蝕性混凝土添加劑

2.2 粉煤灰添加量的確定

為了確定在混凝土添加多少粉煤灰時(shí)其抗腐蝕性能最佳，開(kāi)展了不同粉煤灰含量的混凝土在干濕循環(huán)酸性侵蝕條件下的強(qiáng)度試驗(yàn)，粉煤灰的化學(xué)成分和物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2和表3。

表2 靖煤電廠的粉煤灰礦物組成Table 2 Composition of fly ash minerals in Jingmei power plant

表3 粉煤灰物理力學(xué)指標(biāo)Table 3 Physical and mechanical indicators of fly ash

為了最大程度地模擬深部銅礦井下酸性水環(huán)境對(duì)混凝土支護(hù)材料的腐蝕過(guò)程，試驗(yàn)酸性腐蝕溶液采用井下酸性涌水。為了確定最佳的粉煤灰添加量，分別在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制備粉煤灰摻量占膠凝材料總質(zhì)量百分比為0%、10%、15%、20%、25%、30%、35%的7組混凝土試樣，每組6塊，試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體，將制備好的試樣在干濕循環(huán)酸性腐蝕條件下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。表4為單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，圖1為不同粉煤灰添加量下混凝土試塊在干濕循環(huán)酸性腐蝕條件下強(qiáng)度變化曲線。從圖1可以看出，隨著粉煤灰添加量的增加，混凝土試塊28 d抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為先減小后增大再減小的趨勢(shì)，粉煤灰添加量在0%～15%之間，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)，粉煤灰添加量在15%～20%之間，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)，粉煤灰添加量在20%～35%之間，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)，當(dāng)粉煤灰添加量為20%時(shí)，混凝土試塊強(qiáng)度最大。

表4 單軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Uniaxial compression strength test results

圖1 試樣強(qiáng)度變化曲線Fig.1 Sample strength curve

從上述分析可以看出，當(dāng)粉煤灰添加量為15%時(shí)，混凝土強(qiáng)度最低，分析其原因，可能是由于粉煤灰與水泥混合不均勻所致，從試塊破壞后的情況來(lái)看，粉煤灰大多位于混凝土試塊的上部，影響了試塊的整體強(qiáng)度，從而導(dǎo)致添加量在15%時(shí)試塊強(qiáng)度偏低。

2.3 水化機(jī)理分析

粉煤灰在形成的過(guò)程中，經(jīng)歷了高溫、冷卻，其結(jié)構(gòu)中存在一定量的玻璃質(zhì)物質(zhì)，這些玻璃質(zhì)物質(zhì)存在一定的活性。粉煤灰對(duì)水泥水化過(guò)程的影響可以總結(jié)如下：首先水泥熟料在水化反應(yīng)過(guò)程中將產(chǎn)生Ca(OH)2，Ca(OH)2與粉煤灰中的活性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，上述兩個(gè)反應(yīng)過(guò)程相互影響。由于粉煤灰取代水泥導(dǎo)致水泥熟料減少，水灰比增大導(dǎo)致水泥熟料的水化作用增強(qiáng)，粉煤灰含量越高，水泥水化作用增強(qiáng)越明顯，粉煤灰二次水化反應(yīng)與Ca(OH)2生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，使粉煤灰表層形成C—S—H膠凝，增加了結(jié)合水含量，即正效應(yīng)，但隨著粉煤灰含量的不斷增加，水泥熟料的含量必將減少，水泥熟料的減少將降低水泥的水化反應(yīng)，導(dǎo)致水泥強(qiáng)度降低，即負(fù)效應(yīng)。因此，粉煤灰-水泥體系中，存在粉煤灰添加量的合理值，既能促進(jìn)粉煤灰二次水化反應(yīng)生成C—S—H膠凝，同時(shí)又能保證水泥熟料的水化反應(yīng)強(qiáng)度。

3 井下破碎段巷道支護(hù)方案

3.1 原支護(hù)方案

深部銅礦350線穿脈巷道圍巖及其破碎，且該區(qū)域井下涌水較多，涌水呈酸性，如前文所述，具有較強(qiáng)的腐蝕性，對(duì)混凝土和錨桿等支護(hù)材料形成強(qiáng)烈腐蝕，從而破壞穿脈巷道的整體穩(wěn)定性，該區(qū)域的巷道經(jīng)支護(hù)后巷道始終發(fā)生破壞，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查后發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域的巷道采用的支護(hù)方式為鋼筋混凝土支護(hù)聯(lián)合錨桿支護(hù)方式，巷道襯砌厚度為300 mm，鋼筋網(wǎng)間距為400 mm×400 mm，豎筋為Φ18螺紋鋼，橫筋為Φ10圓鋼，錨桿采用Φ18螺紋鋼，錨桿長(zhǎng)度2 m，錨桿間距600 mm×600 mm。該區(qū)域的巷道在支護(hù)后的初期，巷道穩(wěn)定性較好，但隨著支護(hù)時(shí)間的推移，混凝土支護(hù)體便發(fā)生開(kāi)裂脫落，混凝土中的鋼筋發(fā)生大量銹蝕，甚至部分區(qū)域內(nèi)混凝土支護(hù)全部脫落，用于支護(hù)的錨桿也被大量腐蝕，失去了支撐能力，造成該區(qū)域巷道發(fā)生冒頂和片幫，現(xiàn)行的支護(hù)方式難以抵抗井下酸性水的腐蝕，無(wú)法控制該破碎區(qū)域巷道變形，維持巷道穩(wěn)定。

3.2 抗酸性腐蝕支護(hù)方案

3.2.1 圍巖應(yīng)力分布

關(guān)于巷道圍巖開(kāi)挖后的應(yīng)力分布計(jì)算有很多方法，一般采用普式應(yīng)力拱理論進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式見(jiàn)式(8)。

qv=ρgh

(8)

式中：qv為均布垂直圍巖壓力強(qiáng)度，MPa；ρ為巖石密度，kg/m3；h為塌落拱拋物線矢高，m，其計(jì)算公式見(jiàn)式(9)。

(9)

式中：f為巖石普氏系數(shù)；b1為巷道等效半寬，m，其計(jì)算公式見(jiàn)式(10)。

(10)

式中：B為巷道開(kāi)挖寬度，m；H為巷道開(kāi)挖高度，m；φ為巖石內(nèi)摩擦角，°。

qh1為巷道頂面處水平圍巖壓力強(qiáng)度，MPa，其計(jì)算公式見(jiàn)式(11)。qh2為隧道底面處水平圍巖壓力強(qiáng)度，MPa，其計(jì)算公式見(jiàn)式(12)。

(11)

(12)

深部銅礦巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表5。將參數(shù)及巷道開(kāi)挖尺寸帶入式(8)～(12)中，計(jì)算得出巷道周?chē)膽?yīng)力分布，見(jiàn)圖2。

3.2.2 襯砌厚度

按照巷道開(kāi)挖后周?chē)鷩鷰r的最大應(yīng)力計(jì)算混凝土襯砌的厚度，混凝土襯砌厚度計(jì)算公式見(jiàn)式(13)。

(13)

式中：h為混凝土的襯砌厚度，m；R為等效圓半徑，m；fc為混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度，MPa；vk為安全系數(shù)，取值范圍在1.5～2.4之間；p為地壓計(jì)算的最大值，MPa。

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50010—2010)2015年版》中對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行了規(guī)定，其混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表6。

表5 凝灰?guī)r物理力學(xué)參數(shù)Table 5 Physical and mechanical parameters of tuff

圖2 破碎段巷道圍巖壓力分布圖Fig.2 Distribution of surrounding rock pressure in the roadway of the broken section

表6 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值Table 6 Standard value of concrete axial compressive strength

強(qiáng)度混凝土強(qiáng)度等級(jí)C15C20C25C30C35C40C45C50fck/MPa10.013.416.720.123.426.829.632.4

由表6可知，C25混凝土的強(qiáng)度為16.7 MPa，考慮到混凝土在井下的水化過(guò)程，本次計(jì)算中C25混凝土強(qiáng)度取12 MPa，那么根據(jù)計(jì)算出的襯砌厚度h≥95 mm。

為了防止井下酸性涌水對(duì)鋼筋產(chǎn)生腐蝕，根據(jù)《防腐規(guī)范》中關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋的混凝土保護(hù)層最小厚度的規(guī)定，并根據(jù)受力分析，最終確定混凝土保護(hù)層最小厚度為35 mm。

3.2.3 支護(hù)方案

最終確定該破碎段區(qū)域的支護(hù)方案為鋼筋混凝土支護(hù)方案，混凝土襯砌厚度為200 mm的C25抗腐性混凝土，混凝土的配合比為：水泥∶細(xì)骨料∶粗骨料∶水∶粉煤灰∶減水劑=350∶680∶1 100∶180∶85∶3.5。采用雙排分布鋼筋網(wǎng)，縱筋為16 mm的HRB400鋼筋，拉筋為直徑6 mm的HPB300拉筋，間距、排距均為250 mm。圖3為推薦的酸性水腐蝕條件下巷道支護(hù)方案。

3.3 支護(hù)成本比較

表7為新、舊支護(hù)方案每米巷道材料消耗量，表8為新、舊支護(hù)方案成本對(duì)比。由表8可知，舊方案支護(hù)用鋼材722.1元/m，新方案支護(hù)用鋼材387.5元/m，支護(hù)用鋼材成本降低334.6元/m，降低比例46.3%；舊方案支護(hù)襯砌材料成本532元/m，新方案支護(hù)襯砌材料成本518元/m， 砌材料成本降低14元/m，降低比例2.6%；新方案比舊方案支護(hù)總成本降低約348元/m，降低比例27.8%。

圖3 酸性水腐蝕條件下巷道支護(hù)方案Fig.3 Roadway support scheme under acidic water corrosion conditions

表7 新、舊支護(hù)方案每米巷道材料消耗量Table 7 Material consumption per lane of new and old support schemes

表8 新、舊支護(hù)方案成本對(duì)比Table 8 Cost comparison of new and old support schemes

4 結(jié) 論

1) 通過(guò)分析井下酸性腐蝕水的形成過(guò)程，對(duì)井下典型區(qū)域的酸性水成分進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)酸性水對(duì)巷道支護(hù)的破壞機(jī)理進(jìn)行了分析。

2) 通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，提出在混凝土中添加適量粉煤灰以提高混凝土的抗腐蝕能力。通過(guò)開(kāi)展不同粉煤灰添加量混凝土試件在干濕循環(huán)酸性腐蝕條件下養(yǎng)護(hù)28 d后的強(qiáng)度試驗(yàn)，最終確定粉煤灰添加量為20%時(shí)混凝土抗腐蝕能力最佳。

3) 通過(guò)對(duì)巷道的應(yīng)力分布進(jìn)行分析，在原支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，提出了酸性水腐蝕條件下巷道支護(hù)的優(yōu)化方案，通過(guò)計(jì)算比較，新方案比舊方案支護(hù)總成本降低約348元/m，降低比例27.8%，且支護(hù)效果遠(yuǎn)高于原支護(hù)方案，產(chǎn)生了較高的經(jīng)濟(jì)效益。