新型隔熱混凝土噴層支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

姚韋靖，龐建勇

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

?

新型隔熱混凝土噴層支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

姚韋靖，龐建勇

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

針對當(dāng)前礦井熱害問題，對深井熱源進(jìn)行了闡述，從噴射支護(hù)材料角度出發(fā)，選取陶粒、?；⒅?、粉煤灰作為隔熱材料，通過正交試驗(yàn)的方法，研制出一種新型隔熱混凝土；由功效系數(shù)法得出最佳摻量配比，在保證混凝土力學(xué)性能的前提下，提高了保溫隔熱性能，其導(dǎo)熱系數(shù)僅為普通混凝土的1/8。結(jié)合淮南礦區(qū)巷道錨噴支護(hù)工程，進(jìn)行了回彈損失、圍巖壓力、混凝土應(yīng)力和圍巖收斂的現(xiàn)場試驗(yàn)?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，該種隔熱混凝土材料不僅隔熱效果明顯，而且工作性能完全符合井下噴射混凝土的施工需要，有利于井下作業(yè)人員的安全和身心健康，具有良好的推廣和使用價值。

噴射混凝土；保溫隔熱；正交試驗(yàn);錨噴支護(hù)技術(shù)；工程應(yīng)用

1 研究背景

目前，噴射混凝土廣泛應(yīng)用于煤礦巷道錨噴支護(hù)工程中，但隨著開采深度日益增加，地溫呈線性增長趨勢，嚴(yán)重的高溫?zé)岷?，不僅影響礦山的開采效率，也嚴(yán)重威脅作業(yè)人員的生命安全。有關(guān)統(tǒng)計表明：工作面風(fēng)溫超過標(biāo)準(zhǔn)1 ℃，工作效率降低7%～10%，同時，風(fēng)溫在30～37 ℃以上的工作面，較30 ℃以下的工作面的事故率增加1.5～2.3倍[1]。

而目前，常用的井下降溫方法為機(jī)械制冷方式，主要是人工引入冷介質(zhì)，如地面、地下降溫系統(tǒng)、空氣冷卻器、人工制冷降溫技術(shù)等[2-6]。本文從支護(hù)材料角度出發(fā)，通過正交試驗(yàn)，研制出一種新型隔熱混凝土材料，其既具有保溫隔熱效果，又具有良好的力學(xué)性能；將其應(yīng)用于煤礦巷道錨噴支護(hù)當(dāng)中，目的在于限制圍巖熱量向巷道內(nèi)傳播，再輔以通風(fēng)降溫等機(jī)械制冷方式，將熱量排出，是一種治本的主動降溫措施。該保溫隔熱材料已經(jīng)申請國家發(fā)明專利。

2 材料特性與作用機(jī)理

2.1 深井熱源分析

礦井高溫?zé)岷Φ漠a(chǎn)生是由于各種熱源向井巷散熱的緣故，包括井巷圍巖散熱、空氣自壓縮熱、機(jī)電設(shè)備散熱、運(yùn)輸中的礦物和巖石放熱，以及人員散熱等[7]。其中，圍巖傳熱占據(jù)主要影響，圍巖通過傳導(dǎo)的方式從巖體本身傳到整個深部巷道中去，也可作用于地下水，通過對流傳遞熱量。這樣，井下空氣利用上述2種方式獲取熱量，熱量源源不斷地從巷道圍巖深處向表面?zhèn)鬟f，致使溫度升高。圍巖傳熱為最直接和主要的井下熱源，占總熱源比重的48%左右[8]。為此，有必要從噴層材料入手，研制一種隔熱混凝土材料，應(yīng)用于井下噴層支護(hù)，用以阻止圍巖熱量向巷道內(nèi)傳播。

2.2 隔熱材料的選取

(1) 頁巖陶粒：頁巖陶粒細(xì)觀結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，是由泥質(zhì)巖石、黏土、粉煤灰、煤矸石為主要原材料，經(jīng)過加工煅燒而制成的具有一定顆粒級配的陶質(zhì)物，其內(nèi)部有封閉的微孔結(jié)構(gòu)，外部是一層致密的釉殼包裹，呈球狀。具有孔隙率高、筒壓強(qiáng)度高、保溫隔熱、耐火性好、抗震及耐久性好的特性[9]。

(2) ?；⒅椋翰；⒅槿鐖D1(b)所示，是一種非金屬輕質(zhì)保溫絕熱顆粒材料，呈顆粒粉末狀，以火山巖礦石中的松脂巖為原材料，經(jīng)開采后，破碎、篩分、高溫瞬時燃燒膨脹玻化而成[10]。具有理化性能穩(wěn)定、輕質(zhì)、導(dǎo)熱系數(shù)低、隔熱防火、耐高低溫、抗老化、吸水率小等優(yōu)良特性。

圖1 頁巖陶粒和?；⒅榧?xì)觀圖

2.3 隔熱材料作用機(jī)理概述

利用陶粒、?；⒅檩^石子、砂子導(dǎo)熱系數(shù)和重度低的優(yōu)點(diǎn)(性能對比見表1)，將其摻入混凝土中代替石砂，有助于混凝土材料內(nèi)部形成多孔結(jié)構(gòu)，使熱量不僅在骨料中傳播，還在空隙中傳播，空隙中的空氣本身即為良好的隔熱材料(導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.023 W/(m·K))，這樣，既增加了熱量傳遞時的損失量，還延長了熱量傳遞的路徑，間接延緩了傳遞速度，使得混凝土材料的導(dǎo)熱系數(shù)降低，增強(qiáng)了其保溫隔熱性能[11]。但是，由于石砂骨料摻量的減少，混凝土的強(qiáng)度必將下降。本文通過試驗(yàn)的方法，得到一種合理摻量配比，研制一種既具有良好的保溫隔熱效果，又能滿足噴射混凝土強(qiáng)度需要的新型隔熱混凝土材料。

表1 材料導(dǎo)熱系數(shù)和密度

3 隔熱混凝土的配制及試件制作

3.1 材料的選擇

(1) 水泥：采用淮南某廠生產(chǎn)的P·O42.5級普通硅酸鹽水泥；石子：采用淮南本地產(chǎn)的瓜子片，由于應(yīng)用于噴射混凝土，故控制粒徑為5～10 mm；砂子：采用淮南本地的河砂，其細(xì)度模數(shù)為2.8，含泥量<2%。

(2) 粉煤灰：是以煤炭作為主要能源發(fā)電廠的工業(yè)廢料。研究表明，將其摻入混凝土材料中，能夠有效節(jié)約水泥，同時提高拌合料的黏聚性和流動性。采用淮南某電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰。

(3) 頁巖陶粒：采用淮南某廠生產(chǎn)的頁巖陶粒，重度為600 kg/m3，吸水率為16%，筒壓強(qiáng)度>3 MPa，粒徑為5～15 mm，在材料中作為粗骨料代替瓜子片。

(4) ?；⒅椋翰捎煤幽闲抨柲硰S生產(chǎn)的?；⒅?，密度為80 kg/m3，吸水率為10%，在材料中以占混凝土的體積比摻入，以代替砂子。

(5) 聚丙烯纖維：研究表明，加入聚丙烯纖維，能夠有效提高混凝土的抗拉、抗裂性能，使其延性和韌性都得到大幅度提高[12-13]，采用山東泰安某廠生產(chǎn)的單絲束狀聚丙烯纖維，長度為12 mm。

(6) 外加劑：減水劑，采用蘇州某廠生產(chǎn)的聚羧酸減水劑；早強(qiáng)劑，采用淮南產(chǎn)的氯鹽類早強(qiáng)劑。

3.2 配合比設(shè)計

以礦井噴射混凝土為基礎(chǔ)，根據(jù)試驗(yàn)多次試配和現(xiàn)場工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定噴射混凝土的配合比為水泥∶石子∶砂子∶水=1∶1.84∶1.84∶0.45。聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3，減水劑和早強(qiáng)劑摻量分別占水泥質(zhì)量的1%和2%?；炷僚浜媳缺３植蛔?，改變頁巖陶粒、?；⒅楹头勖夯覔搅孔鳛榭刂谱兞俊Ｌ樟Ｈ〈佑昧浚?0%，40%，60%；?；⒅檎蓟炷馏w積比：60%，100%，140%；粉煤灰取代水泥用量：10%，20%，30%，具體見表2。

表2 摻量取值

3.3 試驗(yàn)過程及結(jié)果

采用正交試驗(yàn)，設(shè)計了27組試驗(yàn)(具體見表3)，對材料28 d的導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓、抗拉、抗折強(qiáng)度作了測試。試驗(yàn)時，由于?；⒅橘|(zhì)輕，且極易飄散，試驗(yàn)前均先進(jìn)行了過水處理。將水泥、石子、砂子和頁巖陶粒先攪拌2 min，待攪拌均勻后，加入水和?；⒅閿嚢? min，靜置24 h，等試塊有一定強(qiáng)度后即可拆模，拆模后立即放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，期間定期灑水養(yǎng)護(hù)，并用濕布覆蓋試塊保持濕潤，養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行力學(xué)性能測試，其結(jié)果見表3。

從表3可知，試件的導(dǎo)熱系數(shù)介于0.178 4～0.253 3 W/(K·m)，比普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)1.74 W/(K· m)小得多，而抗壓、抗拉、抗折強(qiáng)度分別介于17.3～31.6，1.12～1.97，1.43～3.18 MPa，強(qiáng)度也下降明顯。有必要通過功效系數(shù)法分析，選出最佳摻量。

3.4 功效系數(shù)分析

功效系數(shù)分析數(shù)據(jù)見表4。

表3 不同配比下試件性能數(shù)據(jù)

表4 功效系數(shù)分析數(shù)據(jù)

由表4可得，功效系數(shù)d=0.951最大，即序號5為最佳摻量，其摻量為：陶粒20%，?；⒅?00%，粉煤灰20%，其力學(xué)性能與普通混凝土的對比見表5。

表5 混凝土力學(xué)性能對比

可以看出，新型隔熱混凝土材料，其導(dǎo)熱性能明顯優(yōu)于普通混凝土，導(dǎo)熱系數(shù)僅為其1/8，而抗壓、抗拉、抗折強(qiáng)度均有所下降，分別下降了11.23%，12.44%，42.50%。這是因?yàn)轫搸r陶粒、?；⒅榇媸?、砂子，其本身導(dǎo)熱系數(shù)很低，又在混凝土材料內(nèi)部形成了多孔結(jié)構(gòu)，使得熱量不僅在骨料中傳播，還在空隙中傳播，延長了傳熱路徑，增加了熱量損耗，混凝土材料的隔熱性能明顯增加。同時，這2種保溫材料的強(qiáng)度又很低，陶粒僅為3 MPa左右，遠(yuǎn)小于石子強(qiáng)度，玻化微珠呈粉末狀，幾乎沒有強(qiáng)度，隨著這2種材料的加入，混凝土強(qiáng)度下降是必然的，但當(dāng)摻量較低時，陶粒摻量在20%～40%，?；⒅閾搅吭?0%～100%時，強(qiáng)度下降較小，可以滿足井下噴射混凝土的施工需要，具有推廣和使用價值。

4 工程應(yīng)用與效果評價

4.1 工程概況

淮南礦業(yè)集團(tuán)某礦，巷道埋深-780 m，Ⅳ類圍巖條件，淺層煤炭開采殆盡，開始向深層開采，由高地溫導(dǎo)致的高溫?zé)岷ΜF(xiàn)象尤為突出，在不采取人工制冷等措施的情況下，工作面風(fēng)溫高達(dá)30～40 ℃，對礦工的身心健康產(chǎn)生了極為不良的影響，包括使人感到煩躁、機(jī)警力降低、導(dǎo)致工人中暑、昏厥、休克等現(xiàn)象。

4.2 現(xiàn)場監(jiān)測

為了研究新型隔熱混凝土材料在巷道支護(hù)的適用性和可行性，以及實(shí)際力學(xué)性能和圍巖收斂穩(wěn)定情況，在進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，得出較佳摻量配比后，決定在該巷道100 m范圍內(nèi)采用新型隔熱混凝土噴層代替?zhèn)鹘y(tǒng)的素混凝土噴層，并監(jiān)測其支護(hù)效果。監(jiān)測內(nèi)容包括混凝土回彈損失率、圍壓壓力、混凝土應(yīng)力和圍巖收斂測量。

4.2.1 回彈損失率

回彈是由于噴射料流與堅硬表面、鋼筋碰撞或骨料顆粒間相互撞擊而從受噴面上彈落下來的混合物。每噴3 m3，收集回彈物質(zhì)進(jìn)行稱量，共測試了3段，其結(jié)果見表6。由表6可以看到，平均回彈損失率為16.81%。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，在15%左右，可以適當(dāng)回收回彈料，摻入料中繼續(xù)使用，但摻入量不得超過30%。

表6 回彈損失率

4.2.2 圍巖壓力

試驗(yàn)采用雙膜壓力盒與鋼弦頻率測定儀配套量測，分別在拱頂、拱肩和墻腰對稱埋設(shè)應(yīng)變計。其測量結(jié)果如圖2(a)所示?？梢钥闯?，噴層圍巖壓力在30 d前隨著時間的推移逐漸增大；在30 d以后趨于穩(wěn)定，圍巖達(dá)到了支護(hù)穩(wěn)定階段，壓力分布較為均勻。

4.2.3 混凝土應(yīng)力

試驗(yàn)采用應(yīng)變計和數(shù)字式電橋配合測量，也分別在拱頂、拱肩和墻腰對稱埋設(shè)應(yīng)變計。其測量結(jié)果見圖2(b)?？梢钥闯?，和圍巖壓力相似，混凝土應(yīng)力在30 d前隨著時間的發(fā)展逐漸增大；30 d后噴層受力趨于平衡狀態(tài)，各測點(diǎn)的應(yīng)力值較小，且分布也較為均勻。

圖2 新型隔熱混凝土噴層圍巖壓力和 應(yīng)力隨時間變化曲線

4.2.4 圍巖收斂

試驗(yàn)采用GY-85型收斂計，儀器精度達(dá)到0.01 mm，測量結(jié)果如圖3所示。可以看出，巷道表面收斂變形不大，同時兩幫和拱頂?shù)淖冃蜗嗖畈淮?，?0 d前圍巖變形較大，收斂速度相對后期高，但其最大值也不超過1.5 mm/d，此后收斂速度很快趨于下降，在第40天時，收斂速度在0.05 mm/d左右，支護(hù)結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 巷道收斂量和收斂速度Fig.3 Magnitudeandspeedofroadwayconvergence

5 結(jié) 論

(1) 經(jīng)過大量試驗(yàn)研究，研制出一種新型隔熱混凝土材料，擁有很好的保溫隔熱性能，導(dǎo)熱系數(shù)僅為普通混凝土的1/8，有效阻止圍巖熱量向巷道內(nèi)部傳遞，為井下作業(yè)人員提供了相對適宜的作業(yè)環(huán)境，保證了其安全和身心健康。

(2) 工程實(shí)例和現(xiàn)場監(jiān)測分析表明：新型隔熱混凝土材料，其回彈損失率、圍巖壓力、混凝土應(yīng)力和巷道收斂情況均符合工業(yè)生產(chǎn)的需要；支護(hù)完成后，采用大氣降溫機(jī)作為通風(fēng)排熱的冷源，達(dá)到了很好的效果，滿足安全生產(chǎn)的需要，具有良好的應(yīng)用與推廣價值。

(3) 陶粒、?；⒅楹头勖夯业氖褂茫行Ч?jié)約了資源，減少了對環(huán)境的損害，符合我國當(dāng)前建設(shè)綠色環(huán)保型社會的要求。

[1] 譚海文.金屬礦山深井熱源分析與礦井通風(fēng)[J].中國礦業(yè)，2006，15(11)：59-62.

[2] 袁 亮.淮南礦區(qū)礦井降溫研究與實(shí)踐[J].采礦與安全工程學(xué)報，2007，24(3)：298-301.

[3] 苗素軍，辛 嵩，彭 蓬，等.礦井降溫系統(tǒng)優(yōu)選決策理論研究與應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報，2010，35(4)：613-618.

[4] 孫永星.淮南礦區(qū)深井降溫技術(shù)應(yīng)用綜述[J].煤炭工程，2015，47(3)：28-31.

[5] 陳亞利.淺析新庒礦井下降溫系統(tǒng)的選擇[J].煤炭工程，2015，47(8)：27-29.

[6] 胡春勝.孫村煤礦深部制冷降溫技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2005，32(5)：46-48.

[7] 陳宜華，孫 浩.深井高溫礦床井下熱源與熱量分析[J].金屬礦山，2011，(11)：132-135.

[8] 那寒矗.深井礦山巖體熱害源分析與控制[D].長沙：中南大學(xué)，2014.

[9] 范瑛紅，彭 鵬，侯子義.頁巖陶粒混凝土工作性及強(qiáng)度試驗(yàn)分析[J].混凝土與水泥制品，2014，(10)：30-33.

[10]張澤平.?；⒅楸鼗炷良捌浣Y(jié)構(gòu)的基本性能試驗(yàn)與理論分析研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2009.

[11]王 松，龐建勇.新型混凝土材料力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].煤炭技術(shù)，2015，34(2)：318-320.

[12]龐建勇，閭 沛.軟巖巷道聚丙烯纖維混凝土鋼筋網(wǎng)殼復(fù)合襯砌試驗(yàn)及工程應(yīng)用研究[J].巖土力學(xué)，2010，31(12)：3829-3834.

[13]徐 磊，龐建勇，張金松，等.聚丙烯纖維噴層支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報，2014，10(1)：150-155.

(編輯：趙衛(wèi)兵)

Research and Application of a Shotcrete Support TechniqueUsing Thermal Insulating Concrete

YAO Wei-jing, PANG Jian-yong

(School of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

In view of the thermal pollution of mines, the heat sources of deep-mine were introduced. A novel thermal insulating concrete was prepared with ceramisite, glazed hollow bead and fly ash as heat insulation materials through orthogonal experiment. The optimum mix ratio was obtained by using efficacy coefficient method. On the premise of guaranteeing concrete’s mechanics performance, the heat preservation and insulation performance was improved, with the thermal conductivity coefficient only 1/8 of normal concrete. With the rockbolt and shotcrete support for the roadway of mining area in Huainan as engineering background, field tests of springback loss, surrounding rock pressure, concrete stress and surrounding rock convergence were conducted. Field monitoring results showed that the proposed insulating concrete material has good heat insulation effect, and its performance could fully meet the requirements of coal-mine shotcrete construction, beneficial for the underground work personnel’s safety and health of body and mind.

shotcrete; insulation; orthogonal experiment; rockbolt and shotcrete support technique; engineering application

2015-10-26；

2015-11-12

國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項(xiàng)目(anhui-0003-2016AQ)；安徽省高校自然科學(xué)重大項(xiàng)目(KJ2015ZD20)

姚韋靖(1990-)，男，安徽蕪湖人,博士研究生，研究方向?yàn)閹r土工程，(電話)18255415068(電子信箱)yaoweijing0713@163.com。

龐建勇(1964-)，男，河北保定人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，從事礦山巖體力學(xué)與支護(hù)方面的教學(xué)與研究工作，(電話)13855488528(電子信箱)pangjyong@163.com。

10.11988/ckyyb.20150899

2017,34(1):124-128

TU45

A

1001-5485(2017)01-0124-05