沿空留巷充填墻體溫度裂縫產(chǎn)生機理及控制技術(shù)

摘 要：文章分析了沿空留巷充填墻體溫度裂縫產(chǎn)生的機理及影響因素，從降低水泥水化熱生成量、提高墻體內(nèi)部散熱速度、控制墻體內(nèi)部與表面溫差以及強化墻體承載性能四個方面提出了解決溫度裂縫的方法。

關(guān)鍵詞：沿空留巷；充填墻體；溫度裂縫；水化熱；散熱速度；控制溫差

1 充填墻體溫度裂縫產(chǎn)生及影響因素

1.1 充填墻體溫度裂縫產(chǎn)生機理

根據(jù)充填墻體破壞產(chǎn)生的時間可以將其分為早期破壞和后期破壞。早期破壞表現(xiàn)為墻體表面開裂、局部片落等，主要是溫度應(yīng)力及頂板壓力的共同作用所導(dǎo)致；后期破壞則表現(xiàn)為墻體的貫穿裂縫，主要是頂板的破斷、旋轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的。

對于溫度應(yīng)力導(dǎo)致的裂縫可以稱為溫度裂縫。由于充填材料以水泥為主，在加水?dāng)嚢柽^程中將產(chǎn)生大量水化熱，導(dǎo)致充填漿料溫度升高，而漿料本身導(dǎo)熱性能較差，墻體內(nèi)部水化熱難以散發(fā)。墻體內(nèi)部熱量是通過表面向外散發(fā)，充填墻體內(nèi)部的溫度總是高于外部溫度，根據(jù)熱脹冷縮原理，墻體中心部分的膨脹速度相比表面較快，中心部分與表面質(zhì)點間形成相互約束，中心屬于約束膨脹，不會開裂；表面屬于約束收縮，當(dāng)表面拉應(yīng)力超過充填墻體的極限抗拉強度時，墻體表面就會產(chǎn)生裂縫。

1.2 充填墻體溫度裂縫的影響因素分析

充填墻體溫度裂縫的影響因素很多，因素間的相互作用也比較復(fù)雜，其中主要的因素有水泥型號及含量、骨料成分及粒徑、添加劑種類及用量等內(nèi)部因素和立模尺寸、井下環(huán)境、施工質(zhì)量、養(yǎng)護措施等外部因素。

對于內(nèi)部因素，水泥的強度等級和用量直接決定了水化熱的生成量及峰值溫度，因此，充填材料中可加入一定量的摻合料，達到水化熱的峰值溫度，并且延緩水化熱的生成速度的目的。實驗表明，粉煤灰控制膠凝材料水化熱的效果比礦粉更為顯著，而復(fù)合膨脹摻合料可有效降低水化熱的生產(chǎn)速率，并降低峰值溫度。

對于外部因素，為了與工作面的快速推進相匹配，充填墻體立模尺寸一般較大，并且充填過程中一次成型，而井下環(huán)境相對密閉，巷道內(nèi)溫度很高，在工作面后方溫度達到35℃，不利于墻體表明散熱，充填材料短時間內(nèi)產(chǎn)生的大量水化熱無處釋放，墻體內(nèi)部溫升很高。以淮南朱集東礦為例，在靠近充填墻體表面時有明顯的炙熱感，墻體成型時期內(nèi)部溫度可達到65℃以上。現(xiàn)有的充填工藝缺少對充填墻體采取相應(yīng)的降溫措施，僅墻體成型后在其表面噴灑1～2次水，不僅不能起到良好的降溫效果，還會加劇墻體內(nèi)外溫差。

2 充填墻體溫升預(yù)測

2.1 水泥水化熱

水泥水化熱是影響充填墻體溫度應(yīng)力的一個重要因素，由于充填墻體要求具有一定的早強性，其水泥用量較多，因而水化熱生發(fā)速度快、生發(fā)量大，在短時間內(nèi)即可達到最高溫升。

2.2 絕熱溫升

與外界隔熱條件下，水泥水化熱全部轉(zhuǎn)化為充填墻體自身的熱能，墻體的溫度升高值即為絕熱溫升。考慮到工程應(yīng)用中，充填材料在攪拌、泵送過程中的熱量損失對墻體裂縫的產(chǎn)生影響不大，故僅需探討充填墻體澆筑完成后的絕熱溫升。結(jié)合大體積混凝土絕熱溫升計算方法，推導(dǎo)出澆筑完成后充填墻體在某一時刻絕熱溫度的計算公式為：

T（t）=T0+？琢WQ（t）/cV

其中，？琢-充填材料中水泥的含量，常數(shù)；W-充填材料用量，kg； V-澆筑完成時充填墻體體積，m3；c-充填混合料的比熱，kJ/（kg·℃），實測。T0-充填完成時墻體的溫度，實測。

3 充填墻體溫度裂縫的控制方法

3.1 降低水泥水化熱生成量

地面大體積混凝土工程中，往往通過選擇強度等級低的混凝土，利用后期強度達到降低水泥水化熱生成量的目的。然而，井下充填墻體要求材料必須具有早強性，因此只能從材料的選擇以及優(yōu)化配比方面入手。

在材料選擇方面，盡量使用發(fā)熱量較低的水泥，如礦渣硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥等，并加入適量的粉煤灰，保證強度的前提下降低水泥用量；細骨料應(yīng)選擇品質(zhì)優(yōu)良的中砂，粗骨料的級配必須合理，減小空隙率，盡量選擇粒徑較大的中粗砂。此外，減水劑、速凝劑等添加劑的量要通過實驗定量掌握，設(shè)計合理的水灰比。

3.2 提高墻體內(nèi)部散熱速度

可以在墻體內(nèi)預(yù)埋金屬水管，通過水吸熱的作用加快墻體內(nèi)部散熱速度，如圖1所示。金屬水管設(shè)計為多聯(lián)通，以防止某處堵塞造成管路無法工作；其中間稍密，目的是加快墻體中心的散熱速度。由于井下環(huán)境高溫、潮濕、多塵，因此金屬管應(yīng)使用耐腐蝕的鍍鋅鋼材料制作。根據(jù)充填墻體尺寸，在立模時將2～3層金屬水管置于模板內(nèi)部，待墻體澆筑完成后即可工作。工作時，通過水泵將水池中的水壓入金屬管路，冷水經(jīng)過墻體后直接排放到采空區(qū)，以降低墻體采空區(qū)側(cè)表面的溫度。

圖1 預(yù)埋金屬管降溫技術(shù)原理圖

3.3 控制墻體內(nèi)部與表面溫差

溫度應(yīng)力的產(chǎn)生是由于墻體內(nèi)部與表面溫差過大所導(dǎo)致的，大體積混凝土澆筑后表面與內(nèi)部溫差不宜超過20℃。因此，可以在墻體表面包裹保溫材料，降低墻體與外界環(huán)境熱交換的速率，從而控制充填墻體內(nèi)部與表面的溫差。保溫材料一般成本較低，并且可以重復(fù)利用，因此在技術(shù)上和經(jīng)濟上都是可行的。

3.4 強化充填墻體的抗拉性能

溫度應(yīng)力實質(zhì)上是墻體內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力，當(dāng)其大于墻體的抗拉強度時就會導(dǎo)致墻體產(chǎn)生裂縫、片落等破壞。在墻體內(nèi)預(yù)置三維加強筋，強化墻體的抗拉性能及承載性能，抵消由于溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力，可以有效解決溫度應(yīng)力導(dǎo)致的墻體早期破壞。

上述方法可聯(lián)合使用，但考慮到經(jīng)濟成本，采取其中1～2種即可。需要注意的是，保溫養(yǎng)護的持續(xù)時間應(yīng)加以控制，不得少于15天，保溫材料的拆除應(yīng)分層逐步進行。在保溫養(yǎng)護過程中，應(yīng)注意保持墻體表面的濕潤。

4 結(jié)束語

（1）溫度裂縫產(chǎn)生機理：充填材料加水?dāng)嚢柽^程中產(chǎn)生大量的水泥水化熱，澆筑完成后，墻體內(nèi)部高溫難以散失，與表面溫差過大，在熱脹冷縮作用下，中心屬于約束膨脹，不會開裂；表面屬于約束收縮，當(dāng)表面拉應(yīng)力超過充填墻體的極限抗拉強度時，墻體表面就會產(chǎn)生裂縫、片落等破壞。（2）從降低水泥水化熱生成量、提高墻體內(nèi)部散熱速度、控制墻體內(nèi)部與表面溫差以及強化墻體承載性能四個方面入手提出了解決溫度裂縫的方法，包括材料的選擇以及優(yōu)化配比、預(yù)埋金屬冷卻水管路、分次澆筑充填墻體、覆蓋保溫層、內(nèi)置三維加強筋等。

參考文獻

[1]張源源，季明，韓昌良，等.沿空留巷巷旁墻體穩(wěn)定性多因素影響分析[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，2012，43（10）：201-203.