粉煤灰陶粒混凝土煤礦井下支護試驗研究

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害評估工程實驗室，山東 濟南 250100；2.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.山東省煤田地質局物探測量隊，山東 濟南 250100；4.山東省煤田地質規劃勘察研究院，山東 濟南 250100)

目前，我國國有煤礦煤巷中錨桿支護比重已達60%以上，在部分現代化大型礦井中甚至高達90%，因此，煤礦巷道支護對于混凝土的需求量日益增加[1]。粉煤灰陶粒混凝土是用粉煤灰陶粒替代普通粗骨料，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、質輕、耐火性好、抗震性能好、彈性模量小、耐腐蝕的特點，因而具有良好的物理力學特性[3-6]。粉煤灰是火力發電廠的主要固體排放物，且排放量逐年遞增，2014年我國粉煤灰的總排放量超過6億t[7]。若以適當的配合比配料，使粉煤灰陶粒混凝土強度達到井下巷道支護要求，不僅可以滿足煤礦支護對混凝土的巨大需求，同時，還可實現工業廢物再利用，達到綠色開采的目的，因此，粉煤灰陶粒混凝土在煤礦井下支護工程中具有較為廣闊的應用前景。

美國是世界上最早使用粉煤灰陶粒混凝土的國家，早在1917年就開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，且形成一定生產規模[9]。英國著名的Lytag粉煤灰燒結陶粒，不僅為解決英國的粉煤灰污染起到重要作用，且能配制新型多功能高強建材(強度可達LC70)[10]。我國的粉煤灰陶粒混凝土研究始于20世紀50至60年代，經過幾十年的發展取得了較為矚目的成果，最高強度等級可達LC70等級[11]。在工程實踐中，采用LC30泵送粉煤灰陶粒混凝土成功地建造了珠海國際會議中心；采用LC40粉煤灰陶粒高強混凝土建造了金山公路跨度為22m的箱形預應力橋梁，使橋梁自重減輕20%以上[12，13]。

由此可見，國內對粉煤灰陶粒混凝土的研究已經非常深入，但幾乎均應用于橋梁及高層建筑，在煤礦井下支護中的研究與應用較少。本文通過設計LC20強度等級粉煤灰陶粒混凝土的配合比，以實驗室實驗數據為基礎，對比其與普通混凝土力學性能的差異，分析了粉煤灰陶粒混凝土在煤礦井下支護工程中應用的可行性，在神東礦區進行工業性試驗，分析了其支護效果。研究成果旨在為粉煤灰綜合利用及煤礦錨噴支護提供一種新思路，并提供一定的參考依據及現場實踐經驗。

1 粉煤灰陶粒混凝土配合比設計

1.1 粉煤灰陶粒混凝土配合比設計原則

目前，煤礦中半數以上巷道均采用錨噴支護形式，在煤礦生產中，由于受到工作條件的限制，大都采用干式噴漿法，無法對水灰比進行精確控制。在錨桿、錨索、金屬網施工結束后，由經驗豐富的工人在巷道表面分次噴漿，噴漿總厚度通常為50～100mm。為滿足巷道支護需要，根據地質條件的不同，支護所用混凝土的強度通常在C15～C25強度之間。試驗礦井巷道噴射混凝土強度為C20，因此本文針對LC20強度的粉煤灰陶粒混凝土配合比進行設計，并對其抗壓強度、變形參數進行實驗室研究，選擇滿足支護強度要求的方案在井下進行試驗噴射，若通過測試，在煤礦復雜條件下能夠達到實驗室內抗壓強度，則認為粉煤灰陶粒混凝土可滿足支護強度要求。

1.2 LC20粉煤灰陶粒混凝土配合比設計

影響粉煤灰陶粒混凝土強度主要有陶粒自身物理力學性能、水灰比、水泥用量、砂率、速凝劑用量等因素。根據《輕骨料混凝土技術規程》(JGJ 51—2002)中的相關規定，試配LC20強度等級粉煤灰陶粒混凝土，使用的粉煤灰陶粒堆積密度應大于等于600kg/m3，筒壓強度應大于5MPa，本文中使用粒徑6～9mm粉煤灰陶粒，其物理力學性能見表1。

表1 粉煤灰陶粒力學性能指標

砂率是影響輕質噴射混凝土表觀密度、力學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上減小混凝土力學性能的降低程度，還可以減少輕質噴射混凝土施工過程中的回彈；水灰比是影響噴射混凝土力學性能的主要因素，同時對混凝土的體積穩定性和耐久性產生影響，噴射施工的水灰比一般選擇0.4～0.5；當每立方米噴射混凝土中水泥用量過少，則混凝土初期強度增長較為緩慢；水泥用量過多，會使粉塵量增多劣化施工條件，并且對噴射混凝土后期強度的增長也有不利影響[14-16]。

根據《輕骨料混凝土技術規程》(JGJ 51—2002)可知LC20混凝土配制強度應滿足式(1)：

fcu，0≥fcu，k+1.645σ

(1)

式中，fcu，0為混凝土配制強度，MPa；fcu，k為混凝土標準強度，取20MPa；σ為混凝土強度標準差，LC20強度混凝土取5MPa。

代入LC20混凝土相關參數計算得出，fcu，0=28.23MPa，即LC20強度粉煤灰陶粒混凝土配制強度應為28.23MPa。試驗中采用符合國家標準GB 175—2007的P·C 32.5R級硅酸鹽水泥，該水泥的性能指標見表2。

表2 水泥力學性能指標

本次實驗采用的粉煤灰陶粒密度為736kg/m3，因此，根據《輕骨料混凝土技術規程》(JGJ 51—2002)表5.2.1中規定，考慮到本實驗需要一定的流動度，試配水泥用量選擇450kg/m3。《錨桿噴射混凝土支護技術規范》(GB 50086—2001)中的要求：噴射混凝土坍落度應為80～120mm。根據《輕骨料混凝土技術規程》(JGJ 51—2002)表5.2.3中規定，坍落度不小于80mm的用水量應為200kg/m3。采用松散體積法，并控制方案中砂率的變化，共制定5個方案，具體方案見表3。

表3 粉煤灰陶粒混凝土配合比方案中各材料的用量

2 LC20粉煤灰陶粒混凝土物理力學性能測試

2.1 粉煤灰陶粒吸水性測試

為確定實驗中粉煤灰陶粒的吸水率，先取陶粒4L，用2.36mm的篩子篩過后，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，分別測試陶粒1h、5h、10h、24h、36h、48h的吸水率，測試結果如圖1所示。當浸泡達到24h后，吸水率達到最大值15.9%。因此，實驗前粉煤灰陶粒需預先浸泡24h。

圖1 吸水率變化曲線

2.2 實驗方法

粉煤灰陶粒混凝土采用人工拌料法攪拌，陶粒經過24h預濕處理。配制過程按照《輕骨料混凝土技術規程》(JGJ 51—2002)進行；試件成型24h后拆模，然后在水中濕養護。根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GBT 50081—2002)抗壓強度試驗采用的試件尺寸為：100mm×100mm×100mm(長×寬×高)；彈性模量測試采用的試件尺寸為：100mm×200mm(直徑×高)。

本實驗采用YAW-2000C型微機控制電液伺服壓力實驗機測試混凝土試件的抗壓強度，采用DH5929動態信號測試分析系統測試混凝土試件的變形參數。根據GBT 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，抗壓強度實驗加載速率確定為0.3MPa/s。測試遵循以下要求：① 每組試件為三塊；②三個試件測值的算術平均值作為該組試件的強度值(精確至0.1MPa)；③三個測值中的最大值或最小值中如有一個與中間值的差值超過中間值的15%時，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度值；④如最大值和最小值與中間值的差均超過中間值的15%，則該組試件的試驗結果無效；⑤試件強度應乘以0.95的折算系數。

抗壓強度計算公式如下：

式中，σc為單軸抗壓強度，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)為試件單軸抗壓強度的50%，MPa；εd(50)、εh(50)分別為縱向應變、橫向應變；μ為泊松比。

2.3 實驗室測試結果

各方案粉煤灰陶粒混凝土在養護28d后按照試驗標準進行測試，得到的抗壓強度見表4，分析可得：隨著砂率的增大，粉煤灰陶粒混凝土的抗壓強度呈現出先增大再減小的趨勢；砂率為55%的粉煤灰陶粒混凝土配合比方案28d強度達到29.60MPa，大于等于fcu，0，超過LC20混凝土的試配強度標準，符合《輕骨料混凝土技術規程》(JGJ 51—2002)的要求。

表4 粉煤灰陶粒混凝土單向抗壓強度測試結果

2.4 粉煤灰陶粒混凝土與普通混凝土力學性能對比分析

為分析粉煤灰陶粒混凝土在煤礦井下支護中應用的可行性，選取神華神東公司青龍寺煤礦已有的C20強度等級普通混凝土配合比方案，見表5。

表5 青龍寺煤礦C20強度混凝土配比 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護方法制作試件，分別測試其3d、7d和28d的抗壓強度，與上述砂率為55%的粉煤灰陶粒混凝土進行對比。將試驗測得不同齡期的粉煤灰陶粒混凝土及普通混凝土抗壓強度繪制成柱狀圖，如圖2所示。由圖2可明顯得出，在齡期28d時，普通混凝土與粉煤灰陶粒混凝土抗壓強度均可達到29MPa以上，滿足C20強度等級要求；在齡期3d、7d時，粉煤灰陶粒混凝土抗壓強度分別可達最終抗壓強度的37.4%和63.5%，而對應的普通混凝土抗壓強度僅為20.7%和45.4%，說明粉煤灰陶粒混凝土早期強度高，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系統，更易于巷道的維護。

圖2 不同齡期各混凝土抗壓強度

將DH5929動態信號測試分析系統采集的應變數據分別繪制出普通混凝土和粉煤灰陶粒混凝土的應力應變曲線，如圖3所示。由圖3曲線計算可得，普通混凝土的彈性模量為25.8GPa、泊松比為0.24，粉煤灰陶粒混凝土的彈性模量為19.4GPa、泊松比為0.30，這說明在相同的應力狀態下，粉煤灰陶粒混凝土的變形更大。在實驗過程中也可明顯看出，相同粒徑粗骨料條件下，由于粉煤灰陶粒為圓形，相對于普通混凝土混凝土內部不易出現應力集中，在加載過程中，普通混凝土更易出現裂隙，且出現裂隙后混凝土試件很快便失穩，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度。在煤礦井下巷道支護中，巷道常出現非線性的變形，粉煤灰陶粒混凝土更能適應井下巷道支護條件。

圖3 混凝土應力應變曲線

3 現場工業性試驗

3.1 工程概況

工業性試驗礦井為神東煤炭集團所屬的年產兩千萬噸的特大型現代化高產高效礦井——寸草塔一礦，礦井采用斜硐開拓，主(煤)運輸系統為帶式輸送機連續運輸系統，輔助運輸系統為無軌膠輪車無中轉環節的直達運輸系統。井下巷道為全煤巷布置，巷道維護采用錨噴支護工藝，礦井年平均混凝土用量約25萬m3。噴射試驗在2-2煤主運集中大巷內進行，巷道凈斷面寬為5.4m，高為3.5m，總長2981m，在巷內選取一段4m長的斷面，采用干式噴漿法進行巷幫及頂板噴射試驗，噴射厚度為80mm，如圖4所示。

圖4 施工巷道斷面圖(mm)

3.2 粉煤灰陶粒混凝土噴射方案及工藝流程

根據上述在實驗室內測試的結果，現場工業性試驗配合比方案見表6。工業性試驗采用水泥規格為P·C 32.5R級的復合硅酸鹽水泥，粉煤灰陶粒粒徑為6～9mm，沙粒細度模數為2.2。

表6 粉煤灰陶粒混凝土配合比 kg/m3

粉煤灰陶粒混凝土在地面攪拌站按照上述設計的配合比方案將干料進行拌和，再經防爆運輸車運至井下。井下施工工序為：機電設備安裝→地面攪拌材料→車輛運輸→井下人工裝料→巷道內其他設備防護→正常噴漿→清理回彈。

3.3 回彈法井下混凝土強度測試

測試采用HT-225W型數顯語音回彈儀[17]，對井下試驗范圍內巷道進行混凝土強度測試，分別測試3d、7d和28d粉煤灰陶粒混凝土的回彈值，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→用碳化深度尺測定儀測定沒變色混凝土深度。

按照既定的配比方案在寸草塔一礦2-2煤主運集中大巷內選取一段4m長的斷面進行噴射，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其3d、7d和28d的強度進行測試，并與現有普通混凝土進行對比，如圖5所示。

圖5 回彈法測試各混凝土抗壓強度柱狀圖

通過現場工業性試驗測試結果可得：粉煤灰陶粒混凝土抗壓強度達29.90MPa，滿足LC20輕骨料混凝土強度要求；在齡期3d、7d時，粉煤灰陶粒混凝土抗壓強度分別可達最終抗壓強度的54.9%和68.1%，而對應的普通混凝土抗壓強度僅為36.4%和60.2%，與實驗室測試結果吻合；由于陶粒質輕、內部孔隙較多，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，在噴射過程中應嚴格控制風壓，以減少混凝土回彈量。

4 結 論

1)依據混凝土配合比設計規程設計了5組粉煤灰陶粒混凝土配合比方案，并依據混凝土力學測試標準進行了對比測試分析，確定了現場工業性試驗粉煤灰陶粒混凝土方案，28d強度可達29.6MPa。

2)粉煤灰陶粒混凝土相對于普通混凝土而言彈性模量較小，不易出現裂隙，內部粗骨料周圍不易出現應力集中現象，具有較好的抗變形、抗震能力，更加適合應用于井下巷道支護。

3)通過現場工業性試驗，證明了粉煤灰陶粒混凝土應用于煤礦井下巷道支護是可行的，且效果良好；在實際施工過程中應嚴格控制風壓，減少混凝土的回彈量，從而減少物料的浪費。