濕法噴射混凝土在礦井巷道支護(hù)中的應(yīng)用研究

柏 楠

（南京科工煤炭科學(xué)技術(shù)研究有限公司，江蘇 南京 210018）

常見于礦井巷道支護(hù)的噴射混凝土可分為兩種，即干法噴射混凝土與濕法噴射混凝土。但是與干噴混凝土相比，濕法噴射混凝土因其強(qiáng)度較高，能夠產(chǎn)生良好的混凝土噴射施工效果，可使工程結(jié)構(gòu)得到可靠防護(hù)，有助于提升礦井巷道的質(zhì)量、承載能力與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，故而這種類型的混凝土在礦井巷道支護(hù)方面得到了大力應(yīng)用[1]。對于礦山而言，巷道支護(hù)是一項(xiàng)極為重要的工作，其整體質(zhì)量與噴射混凝土的質(zhì)量密切相關(guān)，因此明確濕法噴射混凝土的應(yīng)用步驟和質(zhì)量控制方法，并努力提高該工藝在巷道支護(hù)上的應(yīng)用效率，對于礦山實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)具有重要的意義。

1 巷道濕法噴射混凝土的支護(hù)技術(shù)原理

1.1 降塵原理

干法噴射混凝土雖然制作簡便，但由于拌和過程中不加水，導(dǎo)致現(xiàn)場的粉塵量較大，而濕法噴射混凝土則強(qiáng)調(diào)了原料拌和過程中加水的重要性，因此粉塵量得到了良好控制。另外，應(yīng)用干法噴射工藝時，即便在噴嘴部位加水，由于噴射時出料的速度較快，物料和水難以均勻混合，所以粉塵量依然很大。對于濕法噴射施工工藝而言，由于噴射出來的混凝土具有一定的黏性，因而可產(chǎn)生明顯的降塵效果。

1.2 回彈少的原理

應(yīng)用濕法噴射施工工藝的過程中，不僅要注意拌和加水，還需要按照標(biāo)準(zhǔn)使用添加劑，因此增加了物料的黏結(jié)能力，物料不會因?yàn)閲娚涞乃俣容^快而降低其黏附性，從而產(chǎn)生了較少的回彈量[2]。應(yīng)用干法噴射施工工藝時，通常在混凝土噴出以后才開始加水，無論是加水量還是拌和質(zhì)量都不易控制，而且由于混凝土的黏性較低，當(dāng)其噴射到巖面上時必然會出現(xiàn)較多的回彈量。

1.3 支護(hù)原理

濕法噴射混凝土的拌和質(zhì)量較高，各種添加劑的使用改善了混凝土的性能，可更為牢固地與錨桿連接為一個整體，從而發(fā)揮了較強(qiáng)的錨固作用，能夠降低層移、圍巖裂隙、巖體破壞性變形等發(fā)生的概率，進(jìn)而可使噴射面產(chǎn)生良好的力學(xué)性能，有助于提高圍巖的強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性。

1.4 減小幫部損傷原理

進(jìn)行巷道掘進(jìn)施工時，平衡的應(yīng)力因開挖而遭到破壞，由此幫部就會不可避免地產(chǎn)生剪切位移或圍巖裂縫。如果地層較軟，這種狀況更容易出現(xiàn)。由于濕法噴射混凝土提高了物料的黏附力，即使圍巖已經(jīng)松動也會在較短的時間內(nèi)得到穩(wěn)定，而固結(jié)后的表層混凝土便成為圍巖的保護(hù)層，應(yīng)力則可重新恢復(fù)平衡狀態(tài)，由此可防止幫部出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷。

2 濕法噴射混凝土施工的分析

在水泥混凝土拌和站按照配合比規(guī)定來制作成品混凝土，之后將其輸送至工作場地，啟動專用機(jī)械設(shè)備使成品混凝土到達(dá)設(shè)備的噴嘴部位，緊接著在該部位添加速凝劑，最后快速噴射出混合物料。這一系列操作即為濕法噴射混凝土。需要注意的是，為了使混凝土在圍巖表面形成牢固的噴層，應(yīng)保證速凝劑與混凝土處于良好結(jié)合狀態(tài)。濕法噴射混凝土不需要較大的水灰比，只要將混凝土拌和均勻，準(zhǔn)確控制減水劑與砂石料的用量，并加入適量的添加劑，即可保證混合物料產(chǎn)生較高的強(qiáng)度。另外，由于早期強(qiáng)度比較理想、粉塵量少且回彈量不多，因而這種工藝能夠有效降低施工成本以及對周圍環(huán)境的污染程度，有利于維護(hù)施工人員的身體健康。基于這些突出優(yōu)勢，濕法噴射混凝土在礦井巷道支護(hù)方面的使用率顯著提升。

3 濕法噴射混凝土的應(yīng)用

3.1 施工前的準(zhǔn)備

在礦井巷道正式進(jìn)行混凝土濕噴操作之前，需要做好以下幾項(xiàng)施工準(zhǔn)備工作。一是務(wù)必檢查開挖輪廓的實(shí)際狀況，確保其符合設(shè)計(jì)要求。二是掌握受噴圍巖的表面尺寸，對欠挖部位的施工采用補(bǔ)鑿法，施工過程中注意敲幫問頂，及時清理存在的浮石。三是先用高壓風(fēng)清除圍巖表面的浮塵，再對圍巖進(jìn)行沖洗。四是將濕噴設(shè)施運(yùn)輸至作業(yè)面并檢查其完好狀況，確保濕噴機(jī)空載運(yùn)行穩(wěn)定，風(fēng)壓系統(tǒng)無任何異常，且溜槽、進(jìn)料口與管路均保持暢通。

3.2 供風(fēng)

利用高壓風(fēng)管在混凝土噴射機(jī)內(nèi)部引入高壓風(fēng)，這一過程即為供風(fēng)。當(dāng)高壓風(fēng)供應(yīng)正常時，基于壓縮空氣的推力，噴射機(jī)內(nèi)裝入的混凝土即可運(yùn)行至噴嘴部位，繼而向圍巖表面高速噴射，在噴射過程中混凝土因受到較大沖擊而產(chǎn)生了致密性。一般來說，風(fēng)壓不易低于0.4MPa或高于0.6MPa，這是因?yàn)檩^弱的風(fēng)壓不利于掛料沖進(jìn)砂漿層，脫落現(xiàn)象難以避免[3]；較強(qiáng)的風(fēng)壓則促進(jìn)了圍巖與粗骨料的碰撞，繼而可增加回彈量。適宜的風(fēng)壓不僅能控制回彈量，而且可保證混凝土的粘附能力。

3.3 制備及運(yùn)輸混凝土

拌和站是制備混凝土的主要場所。雖然水泥的種類較多，但應(yīng)優(yōu)先選擇強(qiáng)度等級不高于32.5的硅酸鹽水泥。粗骨料一般為粒徑在15mm以下的碎石，細(xì)骨料則為細(xì)度模數(shù)超過2.5的中粗砂。通常而言，混凝土應(yīng)保持介于45%至55%之間的砂率。工程用水應(yīng)當(dāng)符合有關(guān)要求，但為了控制混凝土的含水率，需要使用適量的高效減水劑，這樣可使混凝土的坍落度達(dá)到80mm～130mm的標(biāo)準(zhǔn)。混凝土的攪拌時間不得少于2min，時間控制以均勻拌和為依據(jù)。混凝土罐車是將混凝土運(yùn)送至巷道作業(yè)面的專用車輛，為防止混凝土強(qiáng)度降低或其坍落度增加，罐車轉(zhuǎn)入混凝土之前，必須先反轉(zhuǎn)并徹底清除內(nèi)部的殘留水。

3.4 噴射施工

在礦井巷道底部噴射混凝土應(yīng)選擇由下至上的方式，以確保圍巖表面不會受到回彈料的污染。在噴射過程中，巖面與噴嘴之間的距離應(yīng)保持在1米左右，并按照要求對風(fēng)壓進(jìn)行合理調(diào)整。為了保證管道暢通、出料均勻，防止管內(nèi)的物料產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)選擇質(zhì)量可靠的速凝劑管作為出料管。值得注意的是，噴射過程中的風(fēng)壓、料斗內(nèi)的存料量都應(yīng)具有合理性，并及時清除掉振動篩篩網(wǎng)上的雜物與大骨料，否則容易出現(xiàn)上料不均勻、堵管等問題。如果初噴層厚度偏小，就會產(chǎn)生較差的骨料粘接效果，最終可導(dǎo)致回彈量顯著增加；反之骨料的粘接力得到增強(qiáng)，進(jìn)而可增加混凝土的自重，并由此導(dǎo)致初噴層墜落。因此，控制初噴層的厚度必須以圍巖和施工實(shí)況為依據(jù)，一般來說其厚度應(yīng)為50mm左右。進(jìn)行噴射操作時，為了防止因噴視角過大而致使巖面的噴料脫落，或出現(xiàn)回彈量增加、噴面凹凸不平等狀況，受噴表面與料束之間的夾角應(yīng)為90°，且誤差控制在1～15觷之間。考慮到盲管存在于個別部位，應(yīng)采用與盲管正對的方式進(jìn)行噴射施工，以保證產(chǎn)生的透水空隙符合要求。對于表面被鋼筋網(wǎng)片覆蓋的圍巖，應(yīng)當(dāng)近距離進(jìn)行噴射，并以保證后續(xù)噴射的混凝土具有良好的密實(shí)度為目的，于垂直方向上預(yù)留一定的角度。按照施工設(shè)計(jì)要求同時結(jié)合現(xiàn)場情況，對一次噴射厚度進(jìn)行把握，避免因噴射厚度不合理而導(dǎo)致噴層下垂、骨料回彈、空鼓等問題。通常來說，一次噴射厚度與骨料粒徑之比約為2:1。采用濕噴混凝土施工工藝時，一次噴射厚度宜為50mm，二次噴射厚度應(yīng)大于100mm。為了確保上下層混凝土具有較強(qiáng)的粘結(jié)性能，不僅要在二次噴射之前對受噴表面灑水潤濕，而且應(yīng)對分層噴射的時間進(jìn)行合理安排。

4 濕噴法施工的質(zhì)量控制

4.1 移動噴頭的方式

濕噴混凝土的過程中，操作者應(yīng)根據(jù)圍巖狀況選擇合理的操作方式。噴射軌跡主要有三種類型，即螺旋線型、繞S型與繞8字型。具體操作步驟為，首先在噴射機(jī)內(nèi)裝入滿足設(shè)計(jì)要求的混凝土，然后在機(jī)器運(yùn)行的狀態(tài)下，以“先墻體后供體、由下至上”為原則進(jìn)行噴射，保證受噴表面完全被物料覆蓋。如果噴射后的表面存在凹凸不平的問題，應(yīng)對表面進(jìn)行填平，然后使噴頭呈現(xiàn)螺旋狀或S狀，最后緩慢勻速地向前移動。為了控制回彈量并使混凝土表面光滑平整，前后噴射的混凝土之間應(yīng)保持半圈重疊，且每次噴射的距離不應(yīng)小于3m或大于4m。

4.2 調(diào)整回彈量

若骨料、鋼筋與混凝土噴射面之間產(chǎn)生碰撞現(xiàn)象，一部分混凝土便會被擠掉，這部分混凝土的重量被稱作回彈量。無論是噴射角度、水灰比、鋼筋量還是骨料粒徑與噴射機(jī)風(fēng)壓，都可對回彈量產(chǎn)生重要的影響。一般來說，較大的回彈量容易出現(xiàn)在初次噴射階段，但在塑性層形成階段因混凝土含有嵌入的粗骨料，回彈量則呈現(xiàn)出下降的趨勢。為了控制回彈率，一次噴射的最小厚度不得低于40mm。另外，因雜物在回彈料中的占比高于水泥，這部分物料盡量不要被濕噴機(jī)回收利用。

4.3 噴射角和距離的質(zhì)量控制

對噴嘴進(jìn)行合理調(diào)整，是保證噴射效果的重要舉措。調(diào)整噴嘴的目的是使之與巖面之間形成直角。對于邊角處部分較厚的混凝土，為了確保噴射質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)先將噴嘴下調(diào)10°左右，然后再向混凝土頂部噴射。如果鋼筋、格柵等物覆蓋在受噴表面，噴頭可保持一定的傾斜度，但角度不應(yīng)過小，否則可降低受噴表面混凝土的固結(jié)能力，容易產(chǎn)生物料滾動現(xiàn)象。若施工過程中出現(xiàn)了波形噴面，應(yīng)將增減回彈量作為有效的處理措施。對噴射距離的控制需以產(chǎn)生最小回彈量為出發(fā)點(diǎn)，因此應(yīng)充分考慮料束的作用力，一般情況下不建議噴射距離超出0.2m～1.2m的范圍。若要保證噴射距離的合理性，還應(yīng)有效控制噴嘴處的氣壓，使其介于0.4MPa至0.6MPa之間。

4.4 添加速凝劑

速凝劑的添加能夠改善混凝土的性能，同時也有利于降低回彈量以及增強(qiáng)物料的黏結(jié)效果。一般而言，速凝劑的用量為水泥用量的3%至5%。如果增加速凝劑的比重，混凝土的強(qiáng)度將難以得到保證。若速凝劑用量不足，則噴層容易出現(xiàn)下垂、流淌、脫落等問題，不利于有效控制回彈量。

5 結(jié)語

綜上所述，濕法噴射混凝土不僅易于操作，而且表現(xiàn)出較多的優(yōu)勢。將這種施工工藝應(yīng)用于礦井巷道支護(hù)方面，在施工過程中掌握正確的操作方法，并注重對噴射效果的控制，有助于提升巷道支護(hù)的質(zhì)量，可為礦井安全生產(chǎn)奠定良好的基礎(chǔ)。