聚丙烯纖維混凝土噴層在礦業(yè)工程中的應(yīng)用

姚傳勤

（安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南232001）

摘要：隨著煤炭開采向深部發(fā)展,地壓顯現(xiàn)十分明顯,圍巖變形量大,巷道破壞嚴(yán)重,對安全 生產(chǎn)和經(jīng)濟效益產(chǎn)生較大的消極影響。采用普通混凝土噴層,施工后不久易出現(xiàn)裂縫,甚至逐 漸發(fā) 展到剝落和掉塊,喪失了對圍巖的封閉和支護作用,特別是在一批新型可伸長錨桿相繼問世以 后,這一不匹配問題更加突出。將聚丙烯纖維作為煤礦巷道混凝土噴層的輔助加強筋，能有 效的解決這一難題。通過對聚丙烯纖維混凝土噴層的工業(yè)性試驗研究可知，聚丙烯纖維有效 提高了噴射混凝土的粘聚性，使噴層抗拉強度高、韌性好，且有效降低混凝土的回彈率和用 量，施工工藝簡單。由于不增加施工難度和工程費用，且力學(xué)性能優(yōu)良質(zhì)量可靠，在煤礦錨 噴巷道支護中的應(yīng)用前景十分廣闊。

關(guān)鍵詞：新型混凝土；噴層；噴層混凝土應(yīng)力

中圖分類號：TD353文獻標(biāo)識碼：A[WT]文章編號：16721098(2008)02002604

The Application of Polypropylene Fiber Concrete

Spray Layer in Mining Engineering

YAO Chuanqin

(School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science and T echnology，Huainan Anhui 232001,China) Abstract: With coal exploitation depth rise strata pressure obviously increases,which causes big deformation of the surrounding rocks and disastrous damage ofroadways. It has very negative effects both in safety and economic aspects. Clas sic concrete spray layer cracks, even peels off and drops in blocks easily soonafter it is done, which fails to confine and support the surrounding rocks. Theproblem of classic concrete spray layer mismatching with anchors becomes more se rious with appearance of new type of extensible anchors. An effective solution t o this problem is to apply polypropylene fiber concrete, a new compound material , as an auxiliary reinforcing bar to concrete spray layer. The industrial experi ments of polypropylene fiber concrete spray layer indicated that polypropylene f iber concrete enhances the spray concretes cohesion, and the spray layers ex tension strength and its flexibility increase. The rebound ratio and dosage of c oncrete decrease. Polypropylene fiber concrete simplifies concrete spray technol ogy. Without adding any additional performing difficulty or cost, polypropylenefiber concrete with excellent mechanical property and reliable quality has goodprospect of application in roadway support by anchoring in coal mines.

Key words:new type of concrete; spray layer; stress of spraylayer concrete

隨著礦山建設(shè)向深部發(fā)展，將會遇到越來越多的軟巖地層，這類巖體中的地下工程地壓顯現(xiàn) 十分明顯，圍巖變形量大，巷道破壞嚴(yán)重，對安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。根據(jù)觀測研究，發(fā)現(xiàn) 普通混凝土噴層常出現(xiàn)斷裂、剝落甚至坍塌現(xiàn)象，這是由于普通混凝土噴層具有彈脆性的特 點，不能很好地適應(yīng)巷道變形的要求，因此錨噴支護的重要措施是改善混凝土的整體力學(xué)性 能，使噴射混凝土能夠適應(yīng)巷道變形要求。將聚丙烯纖維作為煤礦巷道混凝土噴層的輔助加 強筋，能很好的解決這一難題［1］。

1噴射聚丙烯纖維混凝土的特點

1.1化學(xué)物理特性

聚丙烯纖維是切割后短而細(xì)的分散性纖維, 是由多種高性能摻合物構(gòu)成的一種新型建筑材料 （見表1）。

表1聚丙烯纖維的化學(xué)物理特性

性能指標(biāo)吸水率/%

密度/(kg?m-3)纖維長度/mm熔點/℃

燃點/℃熱導(dǎo)率 耐酸堿性

抗拉強度/MPa無 0.9112～64160～175590低強350～770 1.2特點

噴射纖維混凝土是在噴射混凝土中摻入高性能合成纖維, 它除有噴射混凝土抗壓、 抗拉、抗 剪、抗彎和粘結(jié)強度高的優(yōu)點外,還具有以下特點：① 增大一次噴射的厚度,形成更厚的噴 射混凝土層；② 具有更高的粘稠性,大幅度降低混凝土回彈,降低成本；③阻止混凝土因收 縮而產(chǎn)生龜裂現(xiàn)象,提高抗?jié)B性能、抗凍融性能；④ 合成纖維作為混凝土的微加強筋系統(tǒng), 增大其抗沖擊能力,明顯提高抗彎曲強度,使其疲勞強度可提高3 倍以上；⑤ 同金屬網(wǎng)相比, 纖維更易于運輸、儲存和使用,泵送容易,不會損傷設(shè)備；⑥ 纖維以三維方式均勻自動分布 在混凝土中,不需要改變原混凝土配合比,纖維能抗酸堿腐蝕,沒有銹蝕問題,能改善混凝土的 水密性,對主筋形成保護,可延長混凝土的壽命；⑦ 采用水降解紙袋包裝,該包裝直接投入攪 拌機,攪拌時間不超過5 min ,即可使纖維均勻分布于拌和料中。正是噴射聚丙 烯纖維混凝土具有上述優(yōu)點,它才被越來越廣泛地應(yīng)用于建筑、交通、水工、軍事、土木及 各種構(gòu)筑物的加固補強和保護［2］。

2噴射纖維混凝土施工工藝

2．1工程概況

淮北礦業(yè)集團桃園礦7244工作面位于四采區(qū)上山南翼二階段，為72煤第四個工作面，其上 方為7242采空區(qū)。該巷道原設(shè)計為錨帶網(wǎng)支護，由于地壓大，頂?shù)装鍘r石及兩幫煤體松軟破 碎，巷道變形破壞嚴(yán)重。如果繼續(xù)沿用原支護形式，必然造成巷道邊施工，邊修復(fù)的被動局 面，不但影響巷道進尺，而且還對礦井安全造成嚴(yán)重威脅。因此，必須改變原支護形式，采 用適合巷道圍巖變形特點的新型支護體系即：錨桿、掛繩、噴漿、注漿、錨索一體化的支護 形式,簡稱錨注支護來解決上述難題。

2.2施工工藝

噴射原則自下而上,先凹后凸,旋狀噴射,環(huán)環(huán)相連,圈圈相壓。(1) 準(zhǔn)備工作噴射前, 先用高壓水(風(fēng)) 清洗受噴面,待噴射機到位調(diào)試后,再采用先注水后通風(fēng)疏通管路。

(2) 拌和料 纖維嚴(yán)格按摻量加入, 必須采用強制式攪拌機, 無論采用何種方法摻 加纖維,攪拌時間長短以纖維能夠均勻分布為宜,一般為3～5 min。

(3) 上料開機后要連續(xù)上料,保持料斗飽滿,料斗口設(shè)一活動15 mm 孔徑篩網(wǎng), 以濾除超徑骨料進入機內(nèi)。

(4) 操作順序先注水,后送風(fēng),再進料,根據(jù)受噴面噴出混凝土情況,控制注水量。

(5) 噴射順序應(yīng)分段、分片、分塊進行。每片均自下部開始水平方向呈旋環(huán)狀移動噴射, 并 往返一次噴射,然后向上移動,依次循環(huán)進行噴射纖維混凝土作業(yè)。噴射前,要對受噴面凹洼 處先噴找平。

(6) 最佳噴射距離與角度噴頭出料口至噴面距離視供風(fēng)壓力大小隨 時調(diào)整,干噴機以0.6～1.0 m 為宜,濕噴機以1.2～1.8 m為 宜,噴射料束以垂直受噴面為佳。

(7) 噴射料束運動軌跡螺旋環(huán)狀水平移動, 一圈壓一圈, 圈徑約300 mm,行間搭接約300～500 mm。

(8) 噴射料旋轉(zhuǎn)速度及一次噴厚以2～3s 轉(zhuǎn)動一圈為宜,一次噴射厚度以不墮落時的臨界狀態(tài)或所需厚度確定。一般噴 射纖維混凝土一次噴厚不小于50 mm ,由于外加劑的作用,待其初凝后可回頭再 次噴射直至達到要求厚度。

(9) 高壓風(fēng)、水控制水灰比由熟練噴射手控制,以噴出的混凝土濕潤光澤、粘塑性好、無 干 斑流淌現(xiàn)象為標(biāo)準(zhǔn),否則就需要調(diào)整風(fēng)、水壓力。一般噴射機水壓控制在0.2～0.25 MPa,風(fēng)壓控制在0.12～0.15 MPa;濕噴機(TK961型) 水壓控制在0.6～0.8MPa ,風(fēng)壓控制在0.4～0.5 MPa 。

(10) 發(fā)現(xiàn)斷水、停電或斷料處理措施噴頭應(yīng)迅速撤離受噴面,嚴(yán)禁用高壓風(fēng)、水沖擊未終 凝的混凝土。

(11) 養(yǎng)護由于噴射層一般較薄,加之外表面系數(shù)大,因此,噴射纖維混凝土2 h后澆水養(yǎng)護,養(yǎng)護時間不小于14 d,要經(jīng)常保持潮濕狀態(tài)［3］。

3現(xiàn)場試驗量測結(jié)果

根據(jù)軌回二聯(lián)巷實際圍巖情況和現(xiàn)場施工情況安排，現(xiàn)場試驗段選在距A2控制點向南32~52 m（第一段）、 52~72 m（第二段）、 72~92 m（第三段）。其中第一段為普通混凝土噴層，噴厚100 mm；第二段為纖維混 凝土噴層，噴厚100 mm,纖維摻量為0.9 kg/m；第三段也為纖維 混凝土噴層，噴厚100 mm，纖維摻量為1.2 kg/m。 現(xiàn)場試驗選 擇了三個監(jiān)控量測斷面， 斷面位置均位于各段中部， 對各區(qū)段的施工全過程分別進行了圍 巖壓力、 噴層混凝土應(yīng)力、 回彈損失率的監(jiān)控量測（見圖1～圖2，表3）。

其相比，A2+62和A2+82（纖維混凝土噴層）斷面處圍巖壓力均較小，且分布均勻。這 是由于在巷道開挖后，隨著時間推移，因纖維混凝土噴層具有較好的變形能力，噴層與圍巖 一起變形，釋放部分圍巖壓力，巖體自承能力有所提高。因此，與普通混凝土相比，作用在 纖維混凝土噴層上的壓力有所減小，且較為均勻。玹/d

處混凝土的力學(xué)性能。

為了研究聚丙烯纖維對噴射混凝土回彈率的影響，現(xiàn)場對噴射普通混凝土與噴射聚丙烯纖維 混凝土采用干噴法和同一個風(fēng)、水壓參數(shù)，由同一個熟練噴射手在淮北礦區(qū)桃園煤礦7244巷 道拱部選擇1～4點進行現(xiàn)場噴射混凝土試驗。測試方法為每噴3 m混凝土， 收集回彈量(見表2)。

表2噴射混凝土回彈損失率檢測結(jié)果

工程概況噴射部位實際拌和混凝土重/kg回彈混凝土重/kg回彈 損失率/%平均回彈損失率/%未摻纖維混凝土摻入纖維混凝土巷道拱部1巷道拱部2巷道拱部3巷道拱部47 2 51.67 293.77 214.17 215.61 603.31 565.21 192.51 224.522.11 21.4616.5316.9721.8916.75結(jié)果表明，摻入聚丙烯纖維 后，提高了噴射混凝土的粘聚性，能有效降低混凝土的回彈率，比普通混凝土噴層的回彈率 降低了5.14％，降低了混凝土的用量，節(jié)約了成本。同時加入纖維后，還能增加混凝土噴層 的一次噴射厚度，降低了工人勞動強度。

4結(jié)論

（1） 噴射混凝土中加入聚丙烯纖維后，提高了混凝土的粘聚性，使得混凝土回彈 率降低了5.14％，減少了混凝土用量，節(jié)約了成本。

（2） 聚丙烯纖維混凝土噴層支護段各測點圍巖壓力值較小，分布均勻，實現(xiàn)了圍巖壓力重 分布，施加在混凝土噴層上的壓力減小。

（3） 聚丙烯纖維混凝土噴層應(yīng)力小于普通混凝土噴層應(yīng)力，且分布較均勻。

（4） 聚丙烯纖維混凝土抗折強度明顯提高。

綜上所述，噴射聚丙烯纖維混凝土將以其優(yōu)良的力學(xué)性能、可靠的質(zhì)量和低廉的價格受到越 來越多的礦業(yè)建設(shè)者的清漣，在煤礦巷道支護中的應(yīng)用前景十分廣闊。

參考文獻：

［1］龐建勇,郭蘭波.軟巖巷道網(wǎng)殼噴層新技術(shù)［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003， 5(32)：508510.

［2］朱永全， 劉勇， 劉志春，等. 聚丙烯纖維噴射混凝土性能和襯砌試驗［J ］. 巖石力學(xué)工程學(xué)報， 2004，(10)：3 3763 380.

［3］童建軍.聚丙烯纖維網(wǎng)濕噴混凝土施工方法［J］.鐵道建筑，2004(11)：3 739.

［4］賀常樂，歐志華.聚丙烯纖維混凝土的研究現(xiàn)狀及探討［J］.廣東建材，200 5（6）：89.

［5］陳磊，陳太林.聚丙烯纖維混凝土動態(tài)力學(xué)性能試驗研究［J］.混凝土與水 泥制品，2005（1）：4142.

(責(zé)任編輯：何學(xué)華)