M K-1高效增強(qiáng)劑在巷道錨噴支護(hù)中的應(yīng)用＊

賀 拿曾 梅白云峰李旺興

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院,河南省焦作市,454000; 2.河南工程技術(shù)學(xué)校,河南省焦作市,454000)

★煤炭科技·開拓與開采 ★

M K-1高效增強(qiáng)劑在巷道錨噴支護(hù)中的應(yīng)用＊

賀 拿1曾 梅2白云峰1李旺興1

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院,河南省焦作市,454000; 2.河南工程技術(shù)學(xué)校,河南省焦作市,454000)

研究了M K-1高效增強(qiáng)劑在巷道錨噴支護(hù)中的應(yīng)用,通過對混凝土作用機(jī)理和巷道支護(hù)的研究,得出了MK-1高效增強(qiáng)劑在巷道噴射混凝土過程中的作用及噴射方法。在實際巷道支護(hù)中,噴射混凝土加入增強(qiáng)劑后,其抗壓強(qiáng)度提高40%～50%,回彈率降低到10﹪,達(dá)到同等強(qiáng)度時其成本每米可節(jié)省29～43元。

巷道支護(hù) 錨噴網(wǎng)支護(hù) 混凝土 M K-1高效增強(qiáng)劑 回彈率

AbstractThis paper presents a study on the application of M K-1 highly effective fortifier in roadway bolting-shotcreting support.Through a study on the functioning mechanism of concrete and roadway support,the function of the M K-1 fortifier in the shotcreting process in roadway support as well as the shotcreting method is produced.In actual roadway support practice,once this fortifier is added to the shotcrete,the compression strength of the material will be increased by 40% ～ 50%while the rebounding ratio be reduced down to 10%.For the same support strength of the shotcrete,shotcrete cost can be reduced by 29～ 43 yuan/m2.

Key wordsroadway support,bolting and shotcreting with wire mesh,concrete,M K-1 highly effective fortifier,rebounding ratio

隨著煤礦開采深度加大,對巷道支護(hù)的安全性及可靠性提出了更高的要求。為了解決普通混凝土噴射支護(hù)周期長、施工進(jìn)展較慢、安全系數(shù)低等問題,提高巷道錨噴支護(hù)的安全性和耐久性,研究開發(fā)出了M K-1高效增強(qiáng)劑。

1 MK-1高效增強(qiáng)劑增強(qiáng)機(jī)理

普通硅酸鹽水泥是制備混凝土的主要材料,它的主要礦物成分是硅酸三鈣 (3CaO·SiO2,簡寫成C3S)、硅酸二鈣 (2CaO·SiO2,簡寫成C2S)、鋁酸三鈣 (3CaO·Al2O3,簡寫成C3A)和鐵鋁三鈣 (2Cao·Fe2O3-8CaO·3Al2O3·Fe2O3,簡寫成C2F-C8A3F),其中前3個成分是主要的,他們的水化反應(yīng)如下:

由上述化學(xué)反應(yīng)方程式可以看出,普通混凝土在水泥水化以后,要多出一部分Ca(OH)2。所以水泥水化產(chǎn)物可以看作是水泥石 (水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣)和熟石灰的混合物。普通混凝土粗骨料與水泥石之間的界面上積滯著大量的Ca(OH)2,其結(jié)晶與定向排列是混凝土強(qiáng)度與耐久性低下的主要原因。因此要獲得強(qiáng)度較高、耐久性較好的混凝土,改善混凝土中骨料與水泥石之間的界面結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵,盡量抑制界面過渡區(qū)的形成,是提高混凝土性能的關(guān)鍵技術(shù)。

M K-1高效增強(qiáng)劑的主要成分是具有很高火山灰活性的Al2O3和 SiO2,它們再和Ca(OH)2反應(yīng),生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣,反應(yīng)方程式如下:

M K-1高效增強(qiáng)劑可以使普通混凝土中的Ca(OH)2轉(zhuǎn)變成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等水泥石礦物,從而減少混凝土的堿含量,提高混凝土的強(qiáng)度、耐久性、耐酸堿性等性能。高性能混凝土的重要特征就是具有高耐久性,而耐久性則取決于抗?jié)B性。抗?jié)B性又與混凝土中的水泥石密實度和界面結(jié)構(gòu)有關(guān),M K-1高效增強(qiáng)劑細(xì)度小,填充性好,因此可以使混凝土的密實性提高,抗?jié)B漏和抗碳化的性能也得到明顯提高。高性能混凝土是近期混凝土技術(shù)發(fā)展的主要方向,M K-1高效增強(qiáng)劑的應(yīng)用不僅可以提高巷道支護(hù)的施工速度,縮短工期,而且可以大大降低工程費用。

2 用法及用量

M K-1高效增強(qiáng)劑產(chǎn)品的添加方式有內(nèi)加法和外加法兩種。

內(nèi)加法就是用等量的MK-1高效增強(qiáng)劑替代混凝土中的水泥,替代量一般在5%～25%之間,替代量越多,混凝土強(qiáng)度越高,一般建議替代量為10%。

外加法就是保持原來水泥的用量不變,再額外加入一定數(shù)量的MK-1高效增強(qiáng)劑,其加入量仍然為水泥用量的5%～15%。在5%～25%之間時,增加量越多,噴射混凝土強(qiáng)度越高,首推使用為10%。在未經(jīng)過充分試驗的情況下,建議采用外加法。M K-1高效增強(qiáng)劑可以和水泥預(yù)混合,因為充分的預(yù)混合對噴射混凝土更有利;M K-1高效增強(qiáng)劑還可以和砂子預(yù)混合,砂子中的水分不影響其性能。如果不采取預(yù)混合工序,可以在添加速凝劑的同時,按照比例添加M K-1高效增強(qiáng)劑。儲藏時應(yīng)防水,防破包,防污染。

使用M K-1高效增強(qiáng)劑時,可以降低速凝劑用量,一般情況下可以將速凝劑的用量減至2%(使用前應(yīng)做試驗,不同的溫度及施工條件會有差異)。對添加M K-1高效增強(qiáng)劑的混凝土,一定要攪拌均勻。M K-1高效增強(qiáng)劑作為一種外加劑,有別于其它的外加劑。早強(qiáng)劑、減水劑、膨脹劑等外加劑雖然能改善混凝土某方面的性能,但是無法提高混凝土的終期強(qiáng)度,達(dá)不到提高混凝土耐久性的要求,而且受施工條件及氣候條件等的影響,外加劑有時甚至起不到預(yù)期的作用。而加入M K-1高效增強(qiáng)劑后具有一定的速凝作用,并可以明顯地降低噴射回彈率,還能有效地消除巷道漏水現(xiàn)象。

3 技術(shù)要求及操作規(guī)程

3.1 配料比例

混凝土具體配料比例:水泥∶砂∶石子質(zhì)量比為1∶2∶2;MK-1高效增強(qiáng)劑用量為水泥用量的10%;速凝劑用量為水泥用量的4%。

3.2 操作要求

首先將水泥和M K-1高效增強(qiáng)劑預(yù)混均勻 (混合到顏色均一為止),然后按攪拌混凝土操作方法進(jìn)行操作 (放入攪拌機(jī)內(nèi)進(jìn)行攪拌和噴射)。噴射時噴頭距巷道壁的距離在1.5 m左右,盡可能地保持噴射方向與巷道壁垂直。施工過程中,選擇一個工段進(jìn)行用料和噴射回彈料的定量記錄,以計算出新配方的噴射回彈率,同時有意識地進(jìn)行減少速凝劑用量的試驗。可以把速凝劑用量由4%減少到2%～3%,目測回彈率的變化,確定速凝劑的最佳用量。施工時,保持場地干凈,應(yīng)在鋼板或舊膠帶上拌料,防止摻入雜質(zhì)影響混凝土強(qiáng)度。噴射分兩次進(jìn)行,初噴時不能使金屬網(wǎng)片全部覆蓋,應(yīng)使其似露非露,以增強(qiáng)其整體性。施工結(jié)束后,要取樣測試28天抗壓強(qiáng)度。

4 成本核算

為獲得加入M K-1高效增強(qiáng)劑的混凝土用于巷道支護(hù)的費用,采取配置同等量的基礎(chǔ)樣混凝土和外加MK-1高效增強(qiáng)劑的混凝土進(jìn)行對比試驗,試驗對比見表1。從表1可以看出,加入MK-1高效增強(qiáng)劑的噴射混凝土性價比高。經(jīng)過計算,達(dá)到同等強(qiáng)度時,使用加入M K-1高效增強(qiáng)劑的噴射混凝土噴射巷道時,每米巷道可節(jié)約成本29～43元(相同噴射厚度時,強(qiáng)度高,能更有效地保證煤礦的安全生產(chǎn)),且回彈率由20%降低為10%。

5 工程應(yīng)用

潞寧煤業(yè)公司年產(chǎn)原煤30萬t。該煤礦巷道傾斜長度2200 m,垂直深度達(dá)到1200 m。巷道采用錨索、錨桿掛鋼絲網(wǎng)噴射混凝土支護(hù),但是由于普通的混凝土噴射后凝固慢,強(qiáng)度低,噴射厚度達(dá)到1.5 m。即使這樣結(jié)果仍不理想,而且混凝土自重大,使錨桿和錨索承受了外加的荷載,巷道的安全系數(shù)降低。噴射混凝土厚度大,達(dá)到終期強(qiáng)度所需時間較長,嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。為了提高施工速度和混凝土的終期強(qiáng)度,決定使用加入MK-1高效增強(qiáng)劑的混凝土進(jìn)行試驗。

首先將水泥和M K-1高效增強(qiáng)劑混合均勻,然后按照質(zhì)量比水泥∶砂∶石子=1∶2∶2的配方進(jìn)行配料。施工時要把鋼絲網(wǎng)內(nèi)的碎石清理干凈,以便噴射混凝土與巷道圍巖穩(wěn)定結(jié)合。噴射應(yīng)分層進(jìn)行,初噴的作用是使鋼絲網(wǎng)、錨索及錨桿通過混凝土的粘結(jié)作用,形成一個穩(wěn)定的基礎(chǔ)受力層。初噴時應(yīng)使部分鋼絲網(wǎng)外露,使以后的噴射混凝土和初次噴射的混凝土形成一個穩(wěn)定的整體,提高承受外荷載的能力。通過現(xiàn)場目測,加入M K-1高效增強(qiáng)劑后,回彈率降低明顯,收集回彈料進(jìn)行計算,回彈率降低了10%。噴射加入M K-1高效增強(qiáng)劑的混凝土,幾分鐘即可凝固,較普通噴射混凝土的凝固時間大大縮短。混凝土達(dá)到終期強(qiáng)度后,取相同條件的施工段進(jìn)行對比試驗,加入M K-1高效增強(qiáng)劑的混凝土噴射段強(qiáng)度比普通混凝土的強(qiáng)度提高40%～50%,極大地提高了巷道的安全性。

表1 基礎(chǔ)樣混凝土和加MK-1高效增強(qiáng)劑噴射混凝土成本核算表

6 結(jié)論

(1)M K-1高效增強(qiáng)劑加入混凝土,噴射后混凝土的凝固時間縮短。通過試驗測得新型噴射混凝土較普通噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度提高40%～50%。

(2)M K-1高效增強(qiáng)劑具有一定的速凝作用,可以減少速凝劑用量25%～50%,并明顯降低噴射回彈率。現(xiàn)場噴射試驗時,測得回彈率降低10%。

(3)加入MK-1高效增強(qiáng)劑后,混凝土的密實性較好。現(xiàn)場試驗證明,新配方的混凝土能有效地消除巷道漏水現(xiàn)象。

(4)加入MK-1高效增強(qiáng)劑混凝土耐久性好,巷道返修率明顯降低。經(jīng)過幾個月觀察比較,使用加增強(qiáng)劑的混凝土噴射支護(hù)的巷道幾乎沒有破損,而其它地段 (噴射普通混凝土的地段)有明顯的破損,已經(jīng)開始返修。

(5)除返修率明顯降低外,經(jīng)濟(jì)效益顯著。使用加增強(qiáng)劑的混凝土噴射巷道時,每米巷道可節(jié)約29～43元 (相同噴射厚度時,強(qiáng)度高,能更有效地保證煤礦生產(chǎn)安全)。

[1]潘莉莎,邱學(xué)青,龐煜霞,楊東杰.減水劑對混凝土耐久性影響的研究進(jìn)展 [J].混凝土,2007(1)

[2]馮乃謙.高性能混凝土結(jié)構(gòu) [M].機(jī)械工業(yè)出版社, 2004

[3]管文俊.高性能混凝土在路橋工程中的應(yīng)用 [J].管理觀察,2009(4)

Application of MK-1 highly effective fortifier in bolting-shotcrete support for roadways

He Na1,Zeng Mei2,Bai Yun Feng1,Li Wangxing1

(1.School of Civil Engineering,Henan Polytechnic University,
Jiaozuo,Henan province 454000,China; 2.Henan Engineering and Technology College,Jiaozuo,Henan province 454000,China)

TD353

B

賀拿 (1984-),男,河南永城人,在讀研究生。

(責(zé)任編輯 張毅玲)

河南理工大學(xué)博士基金資助 (B2010-1)