礦山酸性水腐蝕條件下破碎帶巷道支護方案優(yōu)化

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研究一直是井下支護的難題[1-3]，破碎巖體巷道一般強度較低，開挖后巖體變形較大，支護難度大，國內(nèi)針對破碎巖體巷道的掘進、支護開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]針對某礦松軟破碎巖體采準(zhǔn)工程支護參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，采用水力膨脹式錨桿和鋼管混凝土支架采準(zhǔn)巷道進行支護，取得了較好的支護效果;王賢來等[5]對金川公司軟弱破碎巖體巷道的各種支護方式的支護效果進行了詳細(xì)論述，為軟弱破碎巖體巷道支護技術(shù)提供了寶貴的工程經(jīng)驗;鄭重等[6]通過分析破碎巖體巷道破壞形式，提出采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合與二次加強支護的技術(shù)方案，并起到了良好的支護作用。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，酸性環(huán)境加速了混凝土中鋼筋的腐蝕速度[7-9]。白銀有色集團深部銅礦位于白銀市，前期采用露天開采，后轉(zhuǎn)入井下開采，在井下開采過程中，由于巖體強度較低，巖體破碎且遇水后出現(xiàn)泥化膨脹現(xiàn)象，通過現(xiàn)場觀測，巖體涌水具有腐蝕性，造成用于支護的鋼筋、錨桿大量銹蝕喪失支護能力，部分巷道出現(xiàn)大量冒頂、片幫，迫使生產(chǎn)中斷，針對腐蝕條件下破碎帶巷道支護方案的研究迫在眉睫。

1 酸性水對井下巷道支護的腐蝕原理

1.1 酸性水形成過程

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，這兩類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，F(xiàn)e3+沉淀成氫氧化鐵和黃鉀鐵礬，使小部分Fe3+溶解同時降低pH值，反應(yīng)方程式見式(3)。

Fe3++3H2O → Fe(OH)3+3H+

(3)

在酸性水形成之后，式(2)產(chǎn)生的Fe3+會繼續(xù)氧化其他的黃鐵礦物，產(chǎn)生H+，反應(yīng)方程式見式(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)方程式見式(5)。氧化黃銅礦的完全反應(yīng)方程式見式(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，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，分別取了三個水樣，地點分別為：五中段1 375 m水平900行線振動放礦機處、三中段1 535 m水平900行線溜井處、四中段1 487 m水平315進路中部。對收集的三個水樣按試驗要求進行了編號，編號分別為11-21-1、11-21-2、11-21-3，主要對送檢水樣中的pH值和F-、Cl-、Cu2+濃度進行檢測，表1為深部銅礦井下酸水強度檢測結(jié)果。

表1 酸性水強度檢測結(jié)果Table 1 Acid water intensity test results

1.3 酸性水對巷道支護的破壞機理

礦山井下支護一般為混凝土支護、錨桿支護、鋼絲網(wǎng)支護等，由表1的檢測結(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，會形成類似HF的溶液，該溶液會與含SiO2的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而井下噴射混凝土支護中，水泥中含有大量的SiO2，SiO2與HF的反應(yīng)見式(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)，降低了混凝土支護的強度。同時，由于涌水中含有Cu2+，在酸性條件下，F(xiàn)e元素會與涌水中的Cu2+發(fā)生氧化還原反應(yīng)，F(xiàn)e反應(yīng)生成溶于水的Fe2+，而井下用于支護的錨桿的主要成分為Fe元素，井下涌水對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度和整體性，同時，由于F-、Cl-的存在，會加速對錨桿和鋼筋的腐蝕。

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其抗腐蝕性能最佳，開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度試驗，粉煤灰的化學(xué)成分和物理力學(xué)指標(biāo)見表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)境對混凝土支護材料的腐蝕過程，試驗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，分別在實驗室內(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28 d后進行強度試驗。表4為單軸抗壓強度測試結(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抗壓強度表現(xiàn)為先減小后增大再減小的趨勢，粉煤灰添加量在0%～15%之間，混凝土28 d抗壓強度呈減小趨勢，粉煤灰添加量在15%～20%之間，混凝土28 d抗壓強度呈增大趨勢，粉煤灰添加量在20%～35%之間，混凝土28 d抗壓強度呈減小趨勢，當(dāng)粉煤灰添加量為20%時，混凝土試塊強度最大。

表4 單軸壓縮強度試驗結(jié)果Table 4 Uniaxial compression strength test results

圖1 試樣強度變化曲線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，混凝土強度最低，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度，從而導(dǎo)致添加量在15%時試塊強度偏低。

2.3 水化機理分析

粉煤灰在形成的過程中，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。粉煤灰對水泥水化過程的影響可以總結(jié)如下：首先水泥熟料在水化反應(yīng)過程中將產(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，上述兩個反應(yīng)過程相互影響。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，粉煤灰含量越高，水泥水化作用增強越明顯，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，既能促進粉煤灰二次水化反應(yīng)生成C—S—H膠凝，同時又能保證水泥熟料的水化反應(yīng)強度。

3 井下破碎段巷道支護方案

3.1 原支護方案

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，具有較強的腐蝕性，對混凝土和錨桿等支護材料形成強烈腐蝕，從而破壞穿脈巷道的整體穩(wěn)定性，該區(qū)域的巷道經(jīng)支護后巷道始終發(fā)生破壞，通過現(xiàn)場勘查后發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域的巷道采用的支護方式為鋼筋混凝土支護聯(lián)合錨桿支護方式，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，錨桿長度2 m，錨桿間距600 mm×600 mm。該區(qū)域的巷道在支護后的初期，巷道穩(wěn)定性較好，但隨著支護時間的推移，混凝土支護體便發(fā)生開裂脫落，混凝土中的鋼筋發(fā)生大量銹蝕，甚至部分區(qū)域內(nèi)混凝土支護全部脫落，用于支護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)行的支護方式難以抵抗井下酸性水的腐蝕，無法控制該破碎區(qū)域巷道變形，維持巷道穩(wěn)定。

3.2 抗酸性腐蝕支護方案

3.2.1 圍巖應(yīng)力分布

關(guān)于巷道圍巖開挖后的應(yīng)力分布計算有很多方法，一般采用普式應(yīng)力拱理論進行計算，其計算公式見式(8)。

qv=ρgh

(8)

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

(9)

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

(10)

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

qh1為巷道頂面處水平圍巖壓力強度，MPa，其計算公式見式(11)。qh2為隧道底面處水平圍巖壓力強度，MPa，其計算公式見式(12)。

(11)

(12)

深部銅礦巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表5。將參數(shù)及巷道開挖尺寸帶入式(8)～(12)中，計算得出巷道周圍的應(yīng)力分布，見圖2。

3.2.2 襯砌厚度

按照巷道開挖后周圍圍巖的最大應(yīng)力計算混凝土襯砌的厚度，混凝土襯砌厚度計算公式見式(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)計強度，MPa；vk為安全系數(shù)，取值范圍在1.5～2.4之間；p為地壓計算的最大值，MPa。

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB 50010—2010)2015年版》中對混凝土強度進行了規(guī)定，其混凝土軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值見表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 混凝土軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值Table 6 Standard value of concrete axial compressive strength

強度混凝土強度等級C15C20C25C30C35C40C45C50fck/MPa10.013.416.720.123.426.829.632.4

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

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

3.2.3 支護方案

最終確定該破碎段區(qū)域的支護方案為鋼筋混凝土支護方案，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方案。

3.3 支護成本比較

表7為新、舊支護方案每米巷道材料消耗量，表8為新、舊支護方案成本對比。由表8可知，舊方案支護用鋼材722.1元/m，新方案支護用鋼材387.5元/m，支護用鋼材成本降低334.6元/m，降低比例46.3%；舊方案支護襯砌材料成本532元/m，新方案支護襯砌材料成本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方案Fig.3 Roadway support scheme under acidic water corrosion conditions

表7 新、舊支護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、舊支護方案成本對比Table 8 Cost comparison of new and old support schemes

4 結(jié) 論

1) 通過分析井下酸性腐蝕水的形成過程，對井下典型區(qū)域的酸性水成分進行檢測，并對酸性水對巷道支護的破壞機理進行了分析。

2) 通過查閱相關(guān)文獻，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。通過開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28 d后的強度試驗，最終確定粉煤灰添加量為20%時混凝土抗腐蝕能力最佳。

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