地下礦山噴射混凝土工藝技術探討

毛 勇,李正東

(大冶有色金屬有限責任公司豐山銅礦, 湖北陽新縣 435232)

地下礦山噴射混凝土工藝技術探討

毛 勇,李正東

(大冶有色金屬有限責任公司豐山銅礦, 湖北陽新縣 435232)

介紹了混凝土噴射機的工作原理、工藝特點、發展過程,分析了干噴工藝與濕噴工藝的優缺點及國內外混凝土噴射技術的應用情況。濕噴混凝土具有許多技術優勢,可保證初期支護的效果,減少礦山采礦后期維護成本,是值得在礦山推廣應用的一種支護施工技術。

噴射混凝土;干噴;濕噴;對比分析

對于地下礦山頂板節理、裂隙比較發育以及地壓較大的采場,需要采用兩種以上的聯合支護形式。采場常用的聯合支護形式有錨桿與金屬網、噴射混凝土與錨桿、長錨索與錨桿。目前,混凝土噴射技術主要有干噴和濕噴兩種噴射方式。

1 噴射混凝土技術的工藝分析

地下礦山噴射混凝土干噴工藝設計的基本原則是:噴射混凝土支護厚度最小為50 mm;在含水層地段最小厚度為80 mm;在軟弱破碎巖層中最小厚度為100 mm;大斷面工程視揭露的巖石情況而定,噴層厚度一般在100～200 mm;網噴支護的最小設計厚度為100 mm;噴射混凝土的強度等級不應低于C20;噴射混凝土的回彈率,邊墻不應大于15%,拱部不應大于25%。混凝土骨料最大粒徑不超過15 mm,噴射混凝土的基準配比一般為:水泥∶砂∶石∶水∶速凝劑＝1∶2∶2∶0.45∶0.04。在礦山生產實踐中,干噴工藝兩次噴射混凝土實際上墻厚度一般在20～30 mm,回彈率高達30%,現場作業條件差,粉塵濃度達30～120 mg/m3。

干噴和濕噴的主要工藝區別在于足重(按水灰比要求應加的量)拌合水的加入時機不同。干式噴射混凝土是在輸料管中輸送未加入拌合水的干料(地面自然濕度拌合料或烘干料),而在噴嘴前再加足夠量拌合水,與干料迅速混合為全濕混凝土后輸送至噴嘴處,摻加速凝劑后形成料束噴至施工面;濕式噴射混凝土是在其進入輸料管前混合料中已加了足量的拌合水,輸料管中輸送的是全濕混凝土。

干式噴射混凝土的主要優點是設備投資少,工藝簡單。但施工中粉塵、回彈均較大,危害工人健康,尤其是斷面較小的巷道工程施工中,粉塵污染更為嚴重。與干噴相比,濕噴的明顯優勢就是生產率高、粉塵濃度低。

近十年來,濕噴技術的發展日趨完善,特別是混凝土泵、活塞式速凝劑計量泵的出現,使濕噴法的應用領域大大拓寬。隨著機械化程度的不斷提高,噴射混凝土技術的標準也在不斷提高。歐洲噴射混凝土強度等級主要為C40,并根據環境條件提出耐久性指標要求。我國隧道噴射混凝土標準由C20提高到了C25,并提出了1 d強度大于10 MPa的要求。根據對隧道初期支護設計理念的調整,應該進一步提高強度標準,在軟巖隧道進一步提高早期強度標準,同時提出耐久性指標要求,使初期支護結構真正成為永久支護結構。干噴工藝作業現場環境惡劣、勞動強度大、安全性較差,改善的途徑就是不斷推廣先進的生產工藝和提高機械化生產的程度。可見,在未來礦山建設中,濕噴工藝的引進已經成為礦山發展不可逆轉的趨勢。

干噴和濕噴工藝的特點對比見表1。

2 混凝土干、濕噴工藝的設備費用及生產效率

以目前國內使用的最好的TK系列濕噴機為例,其銷售價格大概為9～10萬元/臺,可以噴射混凝土10000～15000 m3,使用濕噴工藝設備成本6～10元/m3;干噴機國內售價6000～15000元/臺,可以噴射混凝土約5000 m3,使用干噴工藝設備成本1～3元/m3。這樣采用濕噴工藝設備成本比干噴高5～7元/m3。根據多年的實踐經驗和統計資料,采用干、濕噴工藝配件消耗均在8～20元之間,沒有明顯差別。

表1 混凝土干噴、濕噴工藝的對比

采用濕噴工藝可以采用機械化施工,利用混凝土罐車送料,無需人工上料,僅需要3個工作人員(罐車司機兼放料員1名,噴射手1名,噴射輔助人員1名),生產效率為5 m3/h;采用干噴工藝需要上料工人2名、噴射手1名,送料司機1名,共4名,生產效率為3 m3/h。由此可見,濕噴工藝的人均生產效率是干噴工藝的2.5倍。

3 某礦山的混凝土噴射支護分析

某中型地下礦山年出礦量為80萬t,年自營掘進量為8000 m,需要噴砼支護巷道長度約為6000 m,噴砼量約為3000 m3,采用干噴工藝實際噴砼作業人員為9人。干、濕噴工藝材料費分別為407元/m3和348.5元/m3,采用濕噴工藝效率大為提高,預計可減少5名定員,按照該企業2011年在崗職工年平均工資為3.7萬元計算,采用濕噴工藝比干噴工藝每年預計節約費用:(407-348.5-7)× 3000+5×37000＝33.95萬元。

當然,采用濕噴工藝必須要采用混凝土攪拌罐車運輸,另外,混凝土計量攪拌系統也需要改造,這些無形中增加了濕噴工藝的使用成本。由于濕噴工藝具有明顯的技術優勢,近年來,世界各國分別研發出一系列的濕噴臺車機械手,噴射效率高達30 m3/h,但價格較為昂貴,進口濕噴臺車機械手約300～400萬元。但是,采用濕噴臺車機械手進行作業,能快速高效地完成初期支護,從而確保礦山工程建設的施工安全,縮短了采礦周期。

4 小 結

從總的投資及成本對比來看,濕噴工藝的前期投入相對較高,但是濕噴工藝具有機械化程度高、工作效率高、回彈率低、作業環境好等諸多優點,具有廣泛的適應性,并且實現對初期支護質量的控制,使混凝土的質量處于受控狀態,從而保證初期支護的效果,減少了礦山采礦后期維護成本,是一種值得推廣的支護施工技術。

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2012-03-06)

毛 勇(1977-),男,湖北羅田人,助理工程師,主要從事礦山工程測量及技術管理工作。