粉煤灰陶?；炷撩旱V井下支護(hù)試驗(yàn)研究

李云鵬，蘇懷瑞，趙善坤，黃春慧，王 玉

(1.山東省深部沖擊地壓災(zāi)害評(píng)估工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.山東省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，山東 濟(jì)南 250100；4.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東 濟(jì)南 250100)

目前，我國(guó)國(guó)有煤礦煤巷中錨桿支護(hù)比重已達(dá)60%以上，在部分現(xiàn)代化大型礦井中甚至高達(dá)90%，因此，煤礦巷道支護(hù)對(duì)于混凝土的需求量日益增加[1]。粉煤灰陶?；炷潦怯梅勖夯姨樟Ｌ娲胀ù止橇?，配制而成的一種表觀密度小于1950kg/m3的高性能輕骨料混凝土[2]。它具有密度小、質(zhì)輕、耐火性好、抗震性能好、彈性模量小、耐腐蝕的特點(diǎn)，因而具有良好的物理力學(xué)特性[3-6]。粉煤灰是火力發(fā)電廠的主要固體排放物，且排放量逐年遞增，2014年我國(guó)粉煤灰的總排放量超過(guò)6億t[7]。若以適當(dāng)?shù)呐浜媳扰淞?，使粉煤灰陶粒混凝土?qiáng)度達(dá)到井下巷道支護(hù)要求，不僅可以滿足煤礦支護(hù)對(duì)混凝土的巨大需求，同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢物再利用，達(dá)到綠色開(kāi)采的目的，因此，粉煤灰陶?；炷猎诿旱V井下支護(hù)工程中具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

美國(guó)是世界上最早使用粉煤灰陶?；炷恋膰?guó)家，早在1917年就開(kāi)始使用其建造房屋和船舶，后用于高層建筑[8]。烏克蘭已成功地采用回轉(zhuǎn)窯法燒制出密度為250～400kg/m3的超輕粉煤灰陶粒，且形成一定生產(chǎn)規(guī)模[9]。英國(guó)著名的Lytag粉煤灰燒結(jié)陶粒，不僅為解決英國(guó)的粉煤灰污染起到重要作用，且能配制新型多功能高強(qiáng)建材(強(qiáng)度可達(dá)LC70)[10]。我國(guó)的粉煤灰陶粒混凝土研究始于20世紀(jì)50至60年代，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展取得了較為矚目的成果，最高強(qiáng)度等級(jí)可達(dá)LC70等級(jí)[11]。在工程實(shí)踐中，采用LC30泵送粉煤灰陶?；炷脸晒Φ亟ㄔ炝酥楹?guó)際會(huì)議中心；采用LC40粉煤灰陶粒高強(qiáng)混凝土建造了金山公路跨度為22m的箱形預(yù)應(yīng)力橋梁，使橋梁自重減輕20%以上[12，13]。

由此可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)對(duì)粉煤灰陶?；炷恋难芯恳呀?jīng)非常深入，但幾乎均應(yīng)用于橋梁及高層建筑，在煤礦井下支護(hù)中的研究與應(yīng)用較少。本文通過(guò)設(shè)計(jì)LC20強(qiáng)度等級(jí)粉煤灰陶粒混凝土的配合比，以實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)比其與普通混凝土力學(xué)性能的差異，分析了粉煤灰陶?；炷猎诿旱V井下支護(hù)工程中應(yīng)用的可行性，在神東礦區(qū)進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，分析了其支護(hù)效果。研究成果旨在為粉煤灰綜合利用及煤礦錨噴支護(hù)提供一種新思路，并提供一定的參考依據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 粉煤灰陶粒混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.1 粉煤灰陶?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)原則

目前，煤礦中半數(shù)以上巷道均采用錨噴支護(hù)形式，在煤礦生產(chǎn)中，由于受到工作條件的限制，大都采用干式噴漿法，無(wú)法對(duì)水灰比進(jìn)行精確控制。在錨桿、錨索、金屬網(wǎng)施工結(jié)束后，由經(jīng)驗(yàn)豐富的工人在巷道表面分次噴漿，噴漿總厚度通常為50～100mm。為滿足巷道支護(hù)需要，根據(jù)地質(zhì)條件的不同，支護(hù)所用混凝土的強(qiáng)度通常在C15～C25強(qiáng)度之間。試驗(yàn)礦井巷道噴射混凝土強(qiáng)度為C20，因此本文針對(duì)LC20強(qiáng)度的粉煤灰陶?；炷僚浜媳冗M(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其抗壓強(qiáng)度、變形參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室研究，選擇滿足支護(hù)強(qiáng)度要求的方案在井下進(jìn)行試驗(yàn)噴射，若通過(guò)測(cè)試，在煤礦復(fù)雜條件下能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)抗壓強(qiáng)度，則認(rèn)為粉煤灰陶?；炷量蓾M足支護(hù)強(qiáng)度要求。

1.2 LC20粉煤灰陶粒混凝土配合比設(shè)計(jì)

影響粉煤灰陶?；炷翉?qiáng)度主要有陶粒自身物理力學(xué)性能、水灰比、水泥用量、砂率、速凝劑用量等因素。根據(jù)《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ 51—2002)中的相關(guān)規(guī)定，試配LC20強(qiáng)度等級(jí)粉煤灰陶?；炷粒褂玫姆勖夯姨樟６逊e密度應(yīng)大于等于600kg/m3，筒壓強(qiáng)度應(yīng)大于5MPa，本文中使用粒徑6～9mm粉煤灰陶粒，其物理力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 粉煤灰陶粒力學(xué)性能指標(biāo)

砂率是影響輕質(zhì)噴射混凝土表觀密度、力學(xué)性能和施工性能的主要因素，采用合理的砂率可以在降低噴射混凝土表觀密度的基礎(chǔ)上減小混凝土力學(xué)性能的降低程度，還可以減少輕質(zhì)噴射混凝土施工過(guò)程中的回彈；水灰比是影響噴射混凝土力學(xué)性能的主要因素，同時(shí)對(duì)混凝土的體積穩(wěn)定性和耐久性產(chǎn)生影響，噴射施工的水灰比一般選擇0.4～0.5；當(dāng)每立方米噴射混凝土中水泥用量過(guò)少，則混凝土初期強(qiáng)度增長(zhǎng)較為緩慢；水泥用量過(guò)多，會(huì)使粉塵量增多劣化施工條件，并且對(duì)噴射混凝土后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)也有不利影響[14-16]。

根據(jù)《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ 51—2002)可知LC20混凝土配制強(qiáng)度應(yīng)滿足式(1)：

fcu，0≥fcu，k+1.645σ

(1)

式中，fcu，0為混凝土配制強(qiáng)度，MPa；fcu，k為混凝土標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度，取20MPa；σ為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，LC20強(qiáng)度混凝土取5MPa。

代入LC20混凝土相關(guān)參數(shù)計(jì)算得出，fcu，0=28.23MPa，即LC20強(qiáng)度粉煤灰陶粒混凝土配制強(qiáng)度應(yīng)為28.23MPa。試驗(yàn)中采用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 175—2007的P·C 32.5R級(jí)硅酸鹽水泥，該水泥的性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 水泥力學(xué)性能指標(biāo)

本次實(shí)驗(yàn)采用的粉煤灰陶粒密度為736kg/m3，因此，根據(jù)《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ 51—2002)表5.2.1中規(guī)定，考慮到本實(shí)驗(yàn)需要一定的流動(dòng)度，試配水泥用量選擇450kg/m3?！跺^桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(GB 50086—2001)中的要求：噴射混凝土坍落度應(yīng)為80～120mm。根據(jù)《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ 51—2002)表5.2.3中規(guī)定，坍落度不小于80mm的用水量應(yīng)為200kg/m3。采用松散體積法，并控制方案中砂率的變化，共制定5個(gè)方案，具體方案見(jiàn)表3。

表3 粉煤灰陶?；炷僚浜媳确桨钢懈鞑牧系挠昧?/p>

2 LC20粉煤灰陶?；炷廖锢砹W(xué)性能測(cè)試

2.1 粉煤灰陶粒吸水性測(cè)試

為確定實(shí)驗(yàn)中粉煤灰陶粒的吸水率，先取陶粒4L，用2.36mm的篩子篩過(guò)后，平均分成3份分別于容器中浸泡，即可求得陶粒吸水率的平均值。依照上述方法，分別測(cè)試陶粒1h、5h、10h、24h、36h、48h的吸水率，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。當(dāng)浸泡達(dá)到24h后，吸水率達(dá)到最大值15.9%。因此，實(shí)驗(yàn)前粉煤灰陶粒需預(yù)先浸泡24h。

圖1 吸水率變化曲線

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

粉煤灰陶?；炷敛捎萌斯ぐ枇戏〝嚢?，陶粒經(jīng)過(guò)24h預(yù)濕處理。配制過(guò)程按照《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ 51—2002)進(jìn)行；試件成型24h后拆模，然后在水中濕養(yǎng)護(hù)。根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50081—2002)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用的試件尺寸為：100mm×100mm×100mm(長(zhǎng)×寬×高)；彈性模量測(cè)試采用的試件尺寸為：100mm×200mm(直徑×高)。

本實(shí)驗(yàn)采用YAW-2000C型微機(jī)控制電液伺服壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試混凝土試件的抗壓強(qiáng)度，采用DH5929動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)測(cè)試混凝土試件的變形參數(shù)。根據(jù)GBT 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)加載速率確定為0.3MPa/s。測(cè)試遵循以下要求：① 每組試件為三塊；②三個(gè)試件測(cè)值的算術(shù)平均值作為該組試件的強(qiáng)度值(精確至0.1MPa)；③三個(gè)測(cè)值中的最大值或最小值中如有一個(gè)與中間值的差值超過(guò)中間值的15%時(shí)，則把最大及最小值一并舍除，取中間值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度值；④如最大值和最小值與中間值的差均超過(guò)中間值的15%，則該組試件的試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效；⑤試件強(qiáng)度應(yīng)乘以0.95的折算系數(shù)。

抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

式中，σc為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；pmax為巖石試件最大破壞載荷，kN；A為試件受壓面積，mm2。

彈性模量、泊松比計(jì)算公式如下：

式中，E為試件彈性模量，MPa；σc(50)為試件單軸抗壓強(qiáng)度的50%，MPa；εd(50)、εh(50)分別為縱向應(yīng)變、橫向應(yīng)變；μ為泊松比。

2.3 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果

各方案粉煤灰陶?；炷猎陴B(yǎng)護(hù)28d后按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，得到的抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表4，分析可得：隨著砂率的增大，粉煤灰陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度呈現(xiàn)出先增大再減小的趨勢(shì)；砂率為55%的粉煤灰陶?；炷僚浜媳确桨?8d強(qiáng)度達(dá)到29.60MPa，大于等于fcu，0，超過(guò)LC20混凝土的試配強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，符合《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ 51—2002)的要求。

表4 粉煤灰陶粒混凝土單向抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

2.4 粉煤灰陶?；炷僚c普通混凝土力學(xué)性能對(duì)比分析

為分析粉煤灰陶?；炷猎诿旱V井下支護(hù)中應(yīng)用的可行性，選取神華神東公司青龍寺煤礦已有的C20強(qiáng)度等級(jí)普通混凝土配合比方案，見(jiàn)表5。

表5 青龍寺煤礦C20強(qiáng)度混凝土配比 kg/m3

采用相同的水泥、砂子等原料，石子粒徑5～10mm(針片狀含量≤25%)，相同的拌料方法及養(yǎng)護(hù)方法制作試件，分別測(cè)試其3d、7d和28d的抗壓強(qiáng)度，與上述砂率為55%的粉煤灰陶?；炷吝M(jìn)行對(duì)比。將試驗(yàn)測(cè)得不同齡期的粉煤灰陶?；炷良捌胀ɑ炷量箟簭?qiáng)度繪制成柱狀圖，如圖2所示。由圖2可明顯得出，在齡期28d時(shí)，普通混凝土與粉煤灰陶?；炷量箟簭?qiáng)度均可達(dá)到29MPa以上，滿足C20強(qiáng)度等級(jí)要求；在齡期3d、7d時(shí)，粉煤灰陶粒混凝土抗壓強(qiáng)度分別可達(dá)最終抗壓強(qiáng)度的37.4%和63.5%，而對(duì)應(yīng)的普通混凝土抗壓強(qiáng)度僅為20.7%和45.4%，說(shuō)明粉煤灰陶?；炷猎缙趶?qiáng)度高，硬化速度較普通混凝土快，能夠更快的形成煤礦井下巷道錨噴支護(hù)系統(tǒng)，更易于巷道的維護(hù)。

圖2 不同齡期各混凝土抗壓強(qiáng)度

將DH5929動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)分別繪制出普通混凝土和粉煤灰陶?；炷恋膽?yīng)力應(yīng)變曲線，如圖3所示。由圖3曲線計(jì)算可得，普通混凝土的彈性模量為25.8GPa、泊松比為0.24，粉煤灰陶?；炷恋膹椥阅Ａ繛?9.4GPa、泊松比為0.30，這說(shuō)明在相同的應(yīng)力狀態(tài)下，粉煤灰陶?；炷恋淖冃胃?。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也可明顯看出，相同粒徑粗骨料條件下，由于粉煤灰陶粒為圓形，相對(duì)于普通混凝土混凝土內(nèi)部不易出現(xiàn)應(yīng)力集中，在加載過(guò)程中，普通混凝土更易出現(xiàn)裂隙，且出現(xiàn)裂隙后混凝土試件很快便失穩(wěn)，而粉煤灰陶粒混凝土則能在較大的變形條件下維持一定強(qiáng)度。在煤礦井下巷道支護(hù)中，巷道常出現(xiàn)非線性的變形，粉煤灰陶?；炷粮苓m應(yīng)井下巷道支護(hù)條件。

圖3 混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 工程概況

工業(yè)性試驗(yàn)礦井為神東煤炭集團(tuán)所屬的年產(chǎn)兩千萬(wàn)噸的特大型現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井——寸草塔一礦，礦井采用斜硐開(kāi)拓，主(煤)運(yùn)輸系統(tǒng)為帶式輸送機(jī)連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)，輔助運(yùn)輸系統(tǒng)為無(wú)軌膠輪車無(wú)中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)的直達(dá)運(yùn)輸系統(tǒng)。井下巷道為全煤巷布置，巷道維護(hù)采用錨噴支護(hù)工藝，礦井年平均混凝土用量約25萬(wàn)m3。噴射試驗(yàn)在2-2煤主運(yùn)集中大巷內(nèi)進(jìn)行，巷道凈斷面寬為5.4m，高為3.5m，總長(zhǎng)2981m，在巷內(nèi)選取一段4m長(zhǎng)的斷面，采用干式噴漿法進(jìn)行巷幫及頂板噴射試驗(yàn)，噴射厚度為80mm，如圖4所示。

圖4 施工巷道斷面圖(mm)

3.2 粉煤灰陶?；炷羾娚浞桨讣肮に嚵鞒?/h3>

根據(jù)上述在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)試的結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)配合比方案見(jiàn)表6。工業(yè)性試驗(yàn)采用水泥規(guī)格為P·C 32.5R級(jí)的復(fù)合硅酸鹽水泥，粉煤灰陶粒粒徑為6～9mm，沙粒細(xì)度模數(shù)為2.2。

表6 粉煤灰陶?；炷僚浜媳?kg/m3

粉煤灰陶?；炷猎诘孛鏀嚢枵景凑丈鲜鲈O(shè)計(jì)的配合比方案將干料進(jìn)行拌和，再經(jīng)防爆運(yùn)輸車運(yùn)至井下。井下施工工序?yàn)椋簷C(jī)電設(shè)備安裝→地面攪拌材料→車輛運(yùn)輸→井下人工裝料→巷道內(nèi)其他設(shè)備防護(hù)→正常噴漿→清理回彈。

3.3 回彈法井下混凝土強(qiáng)度測(cè)試

測(cè)試采用HT-225W型數(shù)顯語(yǔ)音回彈儀[17]，對(duì)井下試驗(yàn)范圍內(nèi)巷道進(jìn)行混凝土強(qiáng)度測(cè)試，分別測(cè)試3d、7d和28d粉煤灰陶?；炷恋幕貜椫?，步驟如下：在漿皮表面鉆一深約1cm左右的小洞→用洗耳球吹掉灰塵碎屑→膠頭滴管在表面滴1%的酚酞酒精溶液→用碳化深度尺測(cè)定儀測(cè)定沒(méi)變色混凝土深度。

按照既定的配比方案在寸草塔一礦2-2煤主運(yùn)集中大巷內(nèi)選取一段4m長(zhǎng)的斷面進(jìn)行噴射，噴射方法為干噴法，噴射范圍為巷道兩幫和頂板，噴射過(guò)程分兩次完成，總噴射厚度為80mm。噴射完成之后利用回彈儀對(duì)其3d、7d和28d的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，并與現(xiàn)有普通混凝土進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。

圖5 回彈法測(cè)試各混凝土抗壓強(qiáng)度柱狀圖

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可得：粉煤灰陶?；炷量箟簭?qiáng)度達(dá)29.90MPa，滿足LC20輕骨料混凝土強(qiáng)度要求；在齡期3d、7d時(shí)，粉煤灰陶?；炷量箟簭?qiáng)度分別可達(dá)最終抗壓強(qiáng)度的54.9%和68.1%，而對(duì)應(yīng)的普通混凝土抗壓強(qiáng)度僅為36.4%和60.2%，與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果吻合；由于陶粒質(zhì)輕、內(nèi)部孔隙較多，噴射后的巷幫圓形陶粒鑲嵌在水泥砂漿中，噴射面比較粗糙，能夠起到消除噪音的效果；由于陶粒自身具有良好的彈性，在噴射過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制風(fēng)壓，以減少混凝土回彈量。

4 結(jié) 論

1)依據(jù)混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程設(shè)計(jì)了5組粉煤灰陶粒混凝土配合比方案，并依據(jù)混凝土力學(xué)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試分析，確定了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)粉煤灰陶?；炷练桨?，28d強(qiáng)度可達(dá)29.6MPa。

2)粉煤灰陶粒混凝土相對(duì)于普通混凝土而言彈性模量較小，不易出現(xiàn)裂隙，內(nèi)部粗骨料周圍不易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，具有較好的抗變形、抗震能力，更加適合應(yīng)用于井下巷道支護(hù)。

3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，證明了粉煤灰陶?；炷翍?yīng)用于煤礦井下巷道支護(hù)是可行的，且效果良好；在實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制風(fēng)壓，減少混凝土的回彈量，從而減少物料的浪費(fèi)。