方樹(shù)林

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013； 2.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013； 3.煤炭資源高效開(kāi)采與 潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013； 4.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

噴射混凝土技術(shù)20世紀(jì)早期在英美等國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始試用[1]，40年代即開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)研究和試驗(yàn)，50年代已經(jīng)在金屬礦山、煤礦、水利水電、土木工程以及地下支護(hù)結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用。礦井噴射混凝土是指用噴射機(jī)將混凝土混合物高速噴射到巷道巖壁上，待其凝結(jié)硬化產(chǎn)生強(qiáng)度特性后達(dá)到支護(hù)圍巖的作用。它與普通混凝土支護(hù)最大的區(qū)別在于不需要模板，而是直接使用噴射機(jī)將混凝土噴向受噴巖面[2]，在一定條件下具有技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠、速度快、成本低、質(zhì)量好、適用范圍廣等一系列顯著特點(diǎn)[3]。礦井實(shí)際生產(chǎn)中，噴射混凝土技術(shù)可在不同圍巖、不同規(guī)模、不同用途的井下巷道中，做臨時(shí)支護(hù)、永久支護(hù)、結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)以及冒落修復(fù)等應(yīng)用[4-10]。

近年來(lái)，隨著實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對(duì)噴射混凝土基本力學(xué)性能的試驗(yàn)方法、強(qiáng)度指標(biāo)的確定和影響因素的分析等相關(guān)方面的研究也不斷深入，形成了諸多試驗(yàn)成果。高喜才等[11]制備了4種齡期混凝土試件，采用掃描電鏡觀測(cè)其微觀形貌，并進(jìn)行單軸壓縮力學(xué)特性測(cè)試，分析了混凝土損傷累積過(guò)程中連續(xù)超聲波參數(shù)變化規(guī)律。王嘉旋等[12-13]分別研究了高性能纖維噴射混凝土和矸石基噴射混凝土的力學(xué)性能。張戈[14]詳細(xì)研究了配合比參數(shù)、礦物摻合料、聚乙烯醇纖維、速凝劑摻量等因素對(duì)摻入無(wú)堿速凝劑噴射混凝土性能的影響規(guī)律，提出了高性能噴射混凝土組成設(shè)計(jì)方法。王家濱等[15-16]分別考慮水膠比、粉煤灰和鋼纖維影響，研究了噴射混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度經(jīng)時(shí)變化規(guī)律以及滲透性、耐久性特點(diǎn)，并建立了相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型。文獻(xiàn)[17]基于軸拉法力學(xué)原理，設(shè)計(jì)了一種拉拔填有混凝土和錨桿或錨索的套筒的方法，簡(jiǎn)捷地實(shí)現(xiàn)了對(duì)二者黏結(jié)強(qiáng)度的測(cè)試。李培濤[18]研究了20～50 ℃的不同溫度環(huán)境下噴射混凝土進(jìn)行物理性能和強(qiáng)度特性、抗壓破壞本構(gòu)關(guān)系模型、粘結(jié)性能和耐久性。丁莎[19]圍繞微觀性能、力學(xué)性能、滲透性3個(gè)方面，通過(guò)試驗(yàn)研究了噴射混凝土不同配合比對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的影響。汪在芹等[20]采用自行設(shè)計(jì)的室內(nèi)濕噴混凝土性能檢測(cè)方法，開(kāi)展了噴射混凝土的力學(xué)、抗裂及施工性能試驗(yàn)研究。

由上可見(jiàn)，單軸抗壓強(qiáng)度是衡量噴射混凝土性能的一個(gè)重要指標(biāo)，目前對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究多來(lái)自實(shí)驗(yàn)室，很少來(lái)自煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)室無(wú)法真實(shí)還原混凝土的噴射工藝和養(yǎng)護(hù)環(huán)境，而煤礦井下特殊的地質(zhì)環(huán)境，如埋藏深、地壓大、煤塵多、有淋水、濕度大，一定程度上影響了噴射混凝土強(qiáng)度的變化規(guī)律。因此，本文以內(nèi)蒙古某礦井底車場(chǎng)錨噴支護(hù)巷道工程為依托，采用“噴射大板法”，在井下現(xiàn)場(chǎng)將施工用的噴射混凝土制成標(biāo)準(zhǔn)試塊，開(kāi)展不同齡期條件下的單軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)定煤礦真實(shí)環(huán)境下的噴射混凝土強(qiáng)度參數(shù)。

1 工程概況

內(nèi)蒙古某礦目前正處于基建時(shí)期，回風(fēng)立井井筒現(xiàn)已竣工，正在施工井底車場(chǎng)。此次試驗(yàn)即選取風(fēng)井馬頭門及東西兩翼總回風(fēng)大巷作為試驗(yàn)對(duì)象，其巷道布置如圖1所示。試驗(yàn)巷道平均埋深約600 m，溫度19 ℃左右，濕度98%左右，設(shè)計(jì)沿3-1煤層頂板掘進(jìn)。3-1煤層位于延安組第二巖段頂部，煤層傾角1°～5°，平均厚度2.91 m。煤層頂板主要為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，底板主要為砂質(zhì)泥巖。

圖1 試驗(yàn)巷道布置Fig.1 Layout of test roadway

試驗(yàn)巷道斷面呈半圓拱形，墻高1.80 m，拱高2.85 m，掘進(jìn)斷面23.0 m2。巷道支護(hù)方案為“錨網(wǎng)索噴”，巷道開(kāi)挖后第一步先噴厚約50 mm的混凝土，及時(shí)封閉表面圍巖，然后采用直徑22 mm、長(zhǎng)度2 400 mm的錨桿支護(hù)淺部圍巖，并附加鋼筋網(wǎng)護(hù)表，同時(shí)采用直徑22 mm、長(zhǎng)度4 300 mm的錨索支護(hù)深部圍巖，最后復(fù)噴150 mm左右厚度的混凝土至巷道成型，噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25。試驗(yàn)巷道支護(hù)形式如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)斷面Fig.2 Cross section of test roadway supporting design

(1)噴射混凝土原材料及配合比。水泥采用P.O.42.5(32.5 MPa)普通硅酸鹽水泥；砂子采用堅(jiān)硬的中、粗砂，粒徑0.5～2.0 mm，含水率控制在5%～7%，含泥量不大于3%；石子采用堅(jiān)硬耐久的卵石或碎石，粒徑不應(yīng)大于15 mm；水采用pH值大于4、SO42-的含量低于1%的生活用自來(lái)水；采用BR-S5型速凝劑，摻量為水泥質(zhì)量的2.5%～4.0%。噴射混凝土配置按照水泥∶砂子∶石子∶水∶速凝劑=1.00∶1.76∶2.16∶0.43∶0.05，稱重偏差為水泥2%、砂子3%、石子3%、速凝劑1%。

(2)噴射工藝。巷道掘出后先初噴混凝土及時(shí)封閉圍巖，然后進(jìn)行錨網(wǎng)索支護(hù)，考慮到施工工藝銜接，又能盡快封閉圍巖，確定噴射混凝土滯后錨網(wǎng)索支護(hù)的距離不超過(guò)20 m。根據(jù)相關(guān)作業(yè)規(guī)程[21]和技術(shù)措施[22]，噴射混凝土設(shè)備選用氣動(dòng)濕噴機(jī)，供氣壓力應(yīng)保持在0.12～0.18 MPa的低氣壓范圍，可降低骨料回彈；噴頭處水壓應(yīng)比氣壓高0.1 MPa左右，保證水流充分濕潤(rùn)混凝土混合料；水灰比控制在0.4～0.5，初噴時(shí)可適當(dāng)減少石子摻量；噴頭方向：當(dāng)噴頭噴射方向與受噴面垂直，并略向剛噴射的部位傾斜時(shí)，回彈量最小。除噴巷幫側(cè)墻下部時(shí)，噴頭的噴射角度可下俯10°～15°外，其他部位噴射巷道頂部時(shí)，要求噴頭的噴射基本上垂直于頂部圍巖受噴面，噴距450～600 mm；噴射巷道幫部時(shí)，噴頭的噴射角度下俯不超過(guò)10°，噴距300～500 mm；噴射厚度，初噴30～50 mm，復(fù)噴150～170 mm，總厚度200 mm。

2 噴射混凝土現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

為了反映噴射混凝土的真實(shí)強(qiáng)度，了解現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的區(qū)別，故在煤礦井下施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行噴射混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試。根據(jù)《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范(GB 50086—2015)》[22]，噴射混凝土試塊現(xiàn)場(chǎng)取樣采用“噴射大板法”，即在井下將混凝土拌合物噴制成大板，然后將其切割成標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，分別在井下和地面實(shí)驗(yàn)室2種環(huán)境中養(yǎng)護(hù)試塊。

具體步驟和要求：①在地面預(yù)制好長(zhǎng)450 mm、寬350 mm、高120 mm的木試模，其中一小邊為敞開(kāi)狀；②將試模帶到井下試驗(yàn)巷道取樣點(diǎn)，使其與底板呈80°夾角(敞開(kāi)邊朝下)斜立于墻腳，放置牢靠；③將噴射機(jī)噴頭對(duì)準(zhǔn)試模，自下而上逐層噴射混凝土，噴滿后，用抹刀將混凝土表面刮平，移至養(yǎng)護(hù)點(diǎn)。

方案1：井下現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境養(yǎng)護(hù)(溫度19 ℃、濕度98%)，分早期和后期2種齡期，早期分6、12、18和24 h四個(gè)時(shí)間段，后期直接養(yǎng)護(hù)至28 d。

方案2：將噴滿混凝土的試模升井至地面，置于實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)箱標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)(溫度20±2 ℃、濕度95%±1%)，直接養(yǎng)護(hù)至28 d。

以上2種方案的混凝土養(yǎng)護(hù)至規(guī)定時(shí)間后脫模，對(duì)脫模后形成的混凝土大板用切割機(jī)切割成100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，立方體試塊的允許偏差為：邊長(zhǎng)不大于±1 mm，直角不大于2°，最后用SYE-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

噴射大板法制成的標(biāo)準(zhǔn)試塊如圖3所示。

圖3 “噴射大板法”現(xiàn)場(chǎng)制作混凝土試塊Fig.3 "Shotcrete large plate method" for making concrete test blocks on site

3 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

混凝土試塊單軸壓縮加載設(shè)備采用SYE-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)：最大試驗(yàn)力2 000 kN；測(cè)力分度值：①0～60 kN，0.2 kN/小格；②0～150 kN，0.5kN/小格；③0～300 kN，1.0 kN/小格；示值精度±1%；活塞最大行程150 mm；活塞上升速度0～50 mm/min；圓試樣夾持范圍為(φ5～φ32)mm；主機(jī)的外形尺寸為820 mm×550 mm×1 960 mm；測(cè)力機(jī)外形尺寸1 200 mm×750 mm×1 800 mm。扁試樣夾持范圍為0～25 mm；拉伸夾頭間最大距離(包括活塞行程) 為700 mm；上下壓力板間最大距離(包括活塞行程)為700 mm；主機(jī)質(zhì)量約1 800 kg，測(cè)力機(jī)質(zhì)量約500 kg。

試驗(yàn)前，將立方體試塊表面擦拭干凈，然后把試塊置于試驗(yàn)機(jī)下壓板正中間，保證二者中心垂直對(duì)準(zhǔn)，開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，使上壓板與試塊接觸，調(diào)節(jié)壓力機(jī)油門保持連續(xù)均勻加壓，加壓速度控制在0.3～0.5 MPa/s，當(dāng)試塊開(kāi)始急劇變形、接近破壞時(shí)，停止試驗(yàn)機(jī)油門，直至試塊完成破壞，記錄此時(shí)試驗(yàn)機(jī)油表讀數(shù)，即為試塊的破壞荷載。據(jù)破壞荷載，按照式(1)計(jì)算抗壓強(qiáng)度：

(1)

式中，fcc為混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度；F為試塊破壞載荷；A為試塊承壓面積。

值得注意的是，按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50081—2002)》[23]規(guī)定，當(dāng)采用非標(biāo)準(zhǔn)試件(標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，最終測(cè)得的強(qiáng)度值應(yīng)乘以相應(yīng)的尺寸換算系數(shù)。試驗(yàn)采用的試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，對(duì)應(yīng)的換算系數(shù)為0.95。

試驗(yàn)過(guò)程如圖4所示。

圖4 噴射混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程Fig.4 Test process of compressive strength of shotcrete

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

4.1 24 h抗壓強(qiáng)度

井下實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常要求混凝土強(qiáng)度越早發(fā)揮作用越好，這樣就能達(dá)到及時(shí)支護(hù)圍巖的效果，因此較高的混凝土早期強(qiáng)度對(duì)支護(hù)意義重大。以6 h為單位，分別測(cè)出6、12、18和24 h混凝土的抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)表1。

表1 噴射混凝土24 h早期抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 24 hours early compressive strength test results of shotcrete

運(yùn)用最小二乘法對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到噴射混凝土的24 h抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線，如圖5所示。

圖5 噴射混凝土24 h早期抗壓強(qiáng)度變化曲線Fig.5 Change curve of the 24 hours early compressive strength of shotcrete

對(duì)曲線進(jìn)行回歸分析，得到噴射混凝土早期抗壓強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系為[24]：

fcc=0.19e0.13t,0≤t≤24 h

(2)

式中，fcc為噴射混凝土抗壓強(qiáng)度；t為混凝土噴射完成小時(shí)數(shù)。

(1)噴射混凝土24 h抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間呈指數(shù)式增長(zhǎng)規(guī)律，前期增長(zhǎng)緩慢、后期增長(zhǎng)迅速，這與水泥水化速度和速凝劑凝結(jié)時(shí)間有關(guān)。

(2)24 h強(qiáng)度的最終值為3.68 MPa，占設(shè)計(jì)強(qiáng)度的18.4%，說(shuō)明噴射混凝土能及早、及時(shí)支護(hù)圍巖，這對(duì)控制巷道變形、維持巷道安全有重要作用。

4.2 28 d抗壓強(qiáng)度

立方體28 d抗壓強(qiáng)度是混凝土強(qiáng)度指標(biāo)的判定標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)對(duì)井下現(xiàn)場(chǎng)采用“噴射大板法”制成的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，分井下和實(shí)驗(yàn)室2種環(huán)境養(yǎng)護(hù)至28 d后，測(cè)出的抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表2。

(1)所有試驗(yàn)的8批混凝土試樣測(cè)試強(qiáng)度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，即C25等級(jí)，且數(shù)據(jù)離散性不大，最大強(qiáng)度為28.2 MPa，最小強(qiáng)度為25.2 MPa，平均為26.6 MPa。

(2)同一批次的混凝土試樣，實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)下測(cè)試的強(qiáng)度均比井下現(xiàn)場(chǎng)條件養(yǎng)護(hù)下測(cè)試的強(qiáng)度要大，其中東翼井底車場(chǎng)和回風(fēng)大巷試樣標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度比現(xiàn)養(yǎng)強(qiáng)度分別大0.5 MPa和0.2 MPa，西翼井底車場(chǎng)和回風(fēng)大巷試樣標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度比現(xiàn)養(yǎng)強(qiáng)度分別大0.9 MPa和0.3 MPa，前者比后者增大0.8%～3.3%，平均增幅1.8%，原因與井下溫度低、濕度大有關(guān)，這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)室標(biāo)養(yǎng)條件下測(cè)試的結(jié)果比真實(shí)值偏大。

表2 噴射混凝土28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 28 days compressive strength test results of shotcrete

(3)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果更接近真實(shí)值，其原因是室內(nèi)實(shí)驗(yàn)無(wú)法真實(shí)模擬混凝土的噴射工藝和養(yǎng)護(hù)環(huán)境，所以采用“噴射大板法”現(xiàn)場(chǎng)制作混凝土并在井下環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，是獲得噴射混凝土真實(shí)強(qiáng)度的正確途徑之一。

5 結(jié)論

為真實(shí)還原煤礦巷道噴射混凝土的施工工藝和養(yǎng)護(hù)環(huán)境，通過(guò)采用“噴射大板法”在井下現(xiàn)場(chǎng)將施工用的噴射混凝土制成標(biāo)準(zhǔn)試塊并在井下環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，開(kāi)展不同齡期條件下的單軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)定煤礦真實(shí)環(huán)境下的噴射混凝土強(qiáng)度參數(shù)。

(1)噴射混凝土24 h早期抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間呈指數(shù)式增長(zhǎng)規(guī)律，前期增長(zhǎng)緩慢、后期增長(zhǎng)迅速，24 h強(qiáng)度終值為3.68 MPa，占設(shè)計(jì)強(qiáng)度的18.4%，說(shuō)明噴射混凝土能及早、及時(shí)支護(hù)圍巖，這對(duì)控制巷道早期變形、維持巷道安全有重要作用。

(2)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得的噴射混凝土28 d抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)離散性小，抗壓強(qiáng)度25.2～28.2 MPa，平均26.6 MPa，是設(shè)計(jì)強(qiáng)度的106.4%。

(3)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的噴射混凝土抗壓強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果存在0.8%～3.3%的差異，后者偏大，前者更接近真實(shí)值，所以采用“噴射大板法”現(xiàn)場(chǎng)制作混凝土并在井下環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，是獲得噴射混凝土真實(shí)強(qiáng)度的正確途徑之一。