高應力破碎鎳礦機械化濕噴混凝土配合比優化

姚 松 韓 斌 吳愛祥 王貽明 郭軍強 何建元

(1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室,北京100083；2.金川集團股份有限公司礦山工程分公司，甘肅 金昌 737100；3.金川集團股份有限公司龍首礦，甘肅 金昌 737100)

高應力破碎鎳礦機械化濕噴混凝土配合比優化

姚 松1韓 斌1吳愛祥1王貽明1郭軍強2何建元3

(1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室,北京100083；2.金川集團股份有限公司礦山工程分公司，甘肅 金昌 737100；3.金川集團股份有限公司龍首礦，甘肅 金昌 737100)

針對金川鎳礦礦巖破碎，地壓較大，采用傳統的干噴錨網支護效果不理想且巷道返修率高的問題，提出濕噴混凝土技術來改善這一局面。采用正交設計方法進行配合比試驗，研究了水灰比、水泥、減水劑和砂石比(細砂與綠豆石的質量比)對濕噴混凝土工作性及力學性能的影響規律。結果表明：各因素對濕噴混凝土工作性的影響順序為：水灰比>水泥摻量>砂石比>減水劑摻量，要保證濕噴料漿塌落度大于150 mm，其水灰比應大于0.44、水泥摻量應大于430 kg/m3、砂石比應在2～4；水泥摻量對濕噴混凝土的力學特性影響最大，其次為水灰比，砂石比與濕噴混凝土強度呈凸形關系，減水劑對濕噴混凝土的強度影響較小。引入單位價值強度系數V對不同水泥摻量濕噴混凝土的經濟性進行對比，確定了最佳配合比，通過現場應用達到了較好的效果，具有較高的綜合經濟效益。

高應力破碎鎳礦 濕噴 配合比優化 經濟性

濕噴混凝土技術使用混凝土噴射機，利用壓縮空氣或其他動力，將預先按一定比例配好的混凝土料漿通過管道輸送并高速噴射到受噴面上，迅速凝固成具有一定抗壓、抗拉強度的支護結構，從而對圍巖起到一定的支護作用[1]。相對于傳統干噴技術，濕噴技術具有低回彈(5%～10%)、低粉塵、噴層均勻厚度大、力學性能優、施工效率高且經濟效益顯著的特點。鑒于上述原因，濕噴混凝土已在發達國家廣泛采用，并逐漸替代干噴混凝土[2-3]。

金川鎳礦礦巖破碎，地壓較大，現在井下應用較多的支護方式是干噴+錨網，但是其工藝復雜、效率低、施工速度慢，而且巷道變形和破壞頻現，造成巷道返修率高且返修困難，對礦山正常生產造成極大的影響。圖1為工人正在對破壞的支護體進行返修。

圖1 破壞支護體返修Fig.1 Repairing of destructive roadway support

濕噴混凝土是解決這一問題的有效手段，但是濕噴混凝土技術的設備設施投資大、工藝復雜、對物料要求高，因此濕噴混凝土配合比的管理與控制顯得極其重要。本研究針對這一問題，結合金川濕噴物料的特點，通過室內正交試驗，對配合比進行確定和優化。

1 室內濕噴配合比正交試驗

1.1 濕噴材料選擇

濕噴混凝土主要由水泥、骨料、外加劑組成。水泥是濕噴混凝土的主要膠凝材料，摻入較多的水泥既可以確保混凝土的和易性，也可以獲得較高的噴射混凝土強度[4]；砂石粒級組成選擇不合適，會對濕噴混凝土工藝產生嚴重影響，合理的粒級組成，不僅可增加骨料與水泥漿的黏結面積，而且容易拌和均勻[5]；減水劑可以改善塑性狀態下混凝土的和易性和凝聚性，有利于混凝土料漿的泵送[6-7]。根據金川鎳礦實際情況，借鑒國內外相關經驗，決定采用42.5級水泥，水泥用量控制在400 ～ 480 kg /m3范圍內，同時基于現場濕噴設備的相關技術參數，設計石子最大粒徑在16 mm 以下。

試驗用水泥為金川公司生產的P.O42.5R高性能水泥，骨料包括綠豆石和細砂，其中綠豆石的最大粒徑為16 mm，細骨料的細度模數為3.05，二者級配曲線如圖2。減水劑使用BASF公司生產的Rheoplus 26R型聚羧酸高效減水劑。

1.2 濕噴配合比試驗方案設計

開展濕噴配合比室內試驗，通過濕噴料漿工作性及濕噴混凝土強度指標對比研究，為現場濕噴工藝提供試驗依據。考慮到濕噴混凝土組分較多，為科學合理選擇最佳濕噴混凝土配方，選用了正交設計安排配合比試驗。采用L16(44)正交表安排試驗，正交設計因素包括水泥摻量、水灰比、減水劑和砂石比，各因素試驗水平選取見表1[8-10]。

圖2 骨料級配曲線Fig.2 Granular composition curves of aggregates

表1 L16(44)因素水平Table 1 L16(44)factors and levels

根據表1，在L16(44)正交表中安排試驗方案，見表2。

表2 配合比正交試驗方案Table 2 Program of orthogonal testin different mix proportion

1.3 試驗方法及過程

按照各濕噴配合比方案配制濕噴料漿，攪拌均勻后測定其塌落度，然后澆注于尺寸為100 mm×100 mm×100 mmm的立方體試模內，常溫下養護24 h 后拆模搬運至養護室，養護溫度為30 ℃，濕度為95%。試塊養護至預定齡期后，應用WES-100液壓萬能試驗機測定濕噴試塊7 d和28 d 單軸抗壓強度(UCS)。

2 正交試驗結果分析

2.1 正交試驗結果

各配合比方案下濕噴料漿的塌落度和強度指標見表3。

2.2 各因素對濕噴料漿工作性影響規律分析

根據正交試驗結果，可獲得濕噴混凝土料漿水灰比、水泥摻量、砂石比和減水劑摻量與塌落度關系曲線(見圖3)。

表3 不同配合比濕噴混凝土的塌落度和單軸抗壓強度Table 3 Slump and UCS of wet shotcretewith different mix proportions

圖3 濕噴料漿塌落度與各因素的關系Fig.3 Relationships between factors and slump of wet shotcrete slurry

根據圖3，可得出：

(1)總體來看，塌落度與試驗設計范圍內的水灰比、水泥摻量、砂石比和減水劑摻量有明顯的關系特性，影響最大的因素為水灰比，其余依次為水泥摻量、砂石比和減水劑摻量，塌落度變化幅度分別為100、45、37和29 mm，可見這些因素的選取對濕噴混凝土的工作性具有重要影響。

(2)濕噴料漿水灰比每提高0.01，塌落度提高10 mm左右，且在試驗范圍內持續提高，二者關系曲線幾乎成直線；水泥摻量在420～460 kg/m3范圍內每增加10 kg/m3，塌落度增大12 mm左右，且塌落度提高率逐漸降低，超過460 kg/m3后，隨著水泥摻量的增加，塌落度提高很小；隨著砂石比的增加，濕噴料漿塌落度先提高后降低；減水劑每提高0.1%，濕噴料漿塌落度增大約8 mm，且隨著減水劑摻量的增加，增大幅度升高。

(3)濕噴料漿的塌落度可以較為準確地反映料漿工作性與水灰比、水泥摻量、砂石比和減水劑摻量之間的關系，要保證濕噴料漿塌落度大于150 mm，其水灰比應大于0.44、水泥摻量應大于430 kg/m3、砂石比應在2～4。

2.3 各因素對濕噴混凝土強度影響規律分析

濕噴混凝土強度與濕噴料漿水泥摻量、水灰比、砂石比和減水劑的關系見圖4。

圖4 各因素與濕噴混凝土單軸抗壓強度的關系Fig.4 Relationships between factors and UCS of wet shotcrete

(1)從圖4(a)可見：水泥摻量是影響濕噴混凝土強度的關鍵因素，隨著水泥摻量的增加，濕噴混凝土7 d強度和28 d強度增加。當濕噴料漿的水泥摻量從420 kg/m3增加至480 kg/m3時，濕噴混凝土7 d強度和28 d強度分別提高32.2%和34.3%。可見提高水泥摻量是提高混凝土強度的最有效方法。

(2)從圖4(b)可見：當濕噴料漿的水灰比從0.42增加至0.52時，濕噴混凝土7 d和28 d強度分別降低15.1%和15.7%。可見在保證工作性的前提下，通過降低水灰比可以有效提高濕噴混凝土強度。

(3)從圖4(c)可見：濕噴混凝土強度與礦石比呈凸形關系。當砂石比在1.5～2.3時，隨著砂石比的增大，混凝土的強度提高，超過這個范圍后，隨著細砂含量的增大，混凝土強度反而降低。這是因為當粗骨料含量偏大時，容易出現泌水和離析現象，導致強度降低；細骨料含量偏大時，其比表面積增大，需要的水泥漿增多，導致包裹骨料的漿液層變薄，從而降低了混凝土強度。

(4)從圖4(d)可見：相對于其他3個因素，減水劑摻量對濕噴混凝土強度的影響較小，在配合比一定時，當減水劑摻量從0.65%增加到1.1%時，濕噴混凝土7 d和28 d強度有細微下降，但是減水劑可以通過降低水灰比來提高混凝土強度。

2.4 配合比經濟性分析

濕噴混凝土中水泥摻量對成本影響顯著，為從經濟性的角度分析濕噴混凝土強度和水泥成本的關系，達到濕噴混凝土高強度低成本或者同樣的成本使濕噴混凝土達到更高強度的目的，引入單位價值強度系數(V)的概念對水泥類型進行優選，它表示單位價值的水泥所對應的強度大小，其計算式如下：

(1)

式中,UCS為濕噴混凝土單軸抗壓強度，MPa；L為單方混凝土水泥摻入量，kg；P為水泥單價，元/kg。礦山公司所用42.5#水泥的價格為0.36元/kg，可得7 d、28 d單位價值強度系數V和水泥摻量的關系,表4為各配合比濕噴混凝土中水泥的單位價值強度系數。

表4 不同配合比濕噴混凝土的V值

Table 4 V values of wet shotcrete withdifferent mix proportion MPa/元

注：V7表示7 d單位價值強度系數，V28表示28 d單位價值強度系數。

由表4可見：

(1)在水泥摻量為420～480 kg/m3，隨著水泥摻量的增加，7 d和28 d單位價值強度系數都呈上升趨勢，可見在試驗范圍內水泥摻量越高，單位價值強度系數越高，經濟性越好。

(2)水泥摻量從420 kg/m3增長到440 kg/m3時，7 d和28 d單位價值強度系數增幅較大，分別為8.4%和9.4%，從440 kg/m3增長到460 kg/m3增幅較小，分別為1.3%和0.3%。

2.5 推薦的最佳配合比

根據金川地下礦山不良巖體巷道的具體狀況，需要滿足濕噴混凝土28 d強度達到30 MPa的要求，且料漿要具有良好的工作性。水泥摻量達到440 kg/m3時，能滿足C30要求，具有良好的工作性能，且具有較高的經濟性，再提高水泥摻量勢必會增加成本；要保證料漿工作性良好，試驗結果表明水灰比不能小于0.45，盡量選取較小水灰比有利于濕噴混凝土強度的提高，選取水灰比為0.45；砂石比在2～3，濕噴混凝土具有較高的強度，所以砂石比2～3為合理級配，其中砂石比為7∶3時料漿的工作性最佳，因此確定砂石比為2.33；提高減水劑摻量可明顯提高料漿的工作性，并可通過降低水灰比來提高混凝土強度，因此減水劑的摻量選取1%。表5為室內試驗推薦的最佳配合比。

表5 推薦的最佳配合比Table 5 The optimum mix proportion

注：其中砂石比為7∶3。

3 現場應用

3.1 濕噴混凝土工藝

濕噴混凝土工藝可分為濕噴料地表制備、噴射料運輸、井下噴射3個環節。

(1)濕噴料地表制備。砂石由安裝在儲料倉下的電子秤準確計量后通過皮帶運送到攪拌室，水泥由水泥倉通過螺旋給料機添加控制，水和減水劑采用計量泵直接加入攪拌槽，然后用攪拌機攪拌均勻。

(2)濕噴料運輸。地表制備好的濕噴料漿需要在保持其穩定性的前提下運輸至井下濕噴工作面。金川鎳礦采用適用于井下作業的噴漿罐車(如圖5)進行運輸，運輸過程混凝土罐不斷旋轉對混凝土進行攪拌，使混凝土不會在運輸過程中發生沉淀、離析，保持良好的流變特性。

(3)井下噴射。礦山目前采用普茨邁斯特SPM4210噴漿臺車進行濕噴支護，如圖6。噴射過程中采用遙控式機械手臂進行噴漿，噴嘴可進行360°旋轉，最大噴射量可達20 m3/h，見圖7。

圖5 濕噴混凝土輸送罐車Fig.5 Delivery tanker of wet shotcrete

圖6 SPM4210濕噴臺車Fig.6 SPM4210 Jumbo

圖7 遙控噴漿機械臂Fig.7 Remote control arm of wet shotcrete

3.2 配合比管理

濕噴混凝土配合比的設計與澆筑混凝土基本相同，但是經過濕噴機噴嘴添加速凝劑噴出后，再經回彈，達到工作面的混凝土的配合比與攪拌站料漿的配合比有一定的差別，目前對于附著配合比尚無較精確的控制及反演方法[11]。因此，附著配合比管理較困難，對于濕噴混凝土一般采取控制攪拌站配合比的管理辦法和控制現場的回彈率來管理配合比。表6為現場測量回彈率的結果。

表6 噴漿回彈率測試結果Table 6 The result of rebound rate of wet shotcrete

由測量結果可知，2次回彈率的平均值為7%，濕噴混凝土附著配合比得到了較好的控制。

3.3 養 護

干燥收縮將引起濕噴混凝土開裂，在一定程度上影響其抗滲性和耐久性[12]。干燥收縮的影響因素有混凝土的水灰比、水泥的成分和用量、水泥的水化程度、細摻料和外加劑以及集料的品種和用量等，事實上，濕噴混凝土的水膠比很低，未水化的水泥顆粒多，對干燥收縮有抑制作用。為控制襯砌表面的干燥收縮，加強了對濕噴混凝土養護，噴射后1 h 開始噴水養護，每隔4 h 噴1次水，連續養護不少于14 d。

3.4 應用效果

經過現場應用，濕噴混凝土28 d強度達到30 MPa，較之前的干噴混凝土不到20 MPa提高50%以上，濕噴混凝土的回彈率小于10%，遠遠小于干噴混凝土大于30%的回彈率，噴層裂紋較干噴明顯減少，巷道返修率大大降低，具有較高的綜合效益。

4 結 論

(1)通過室內正交試驗，研究不同物料摻量對濕噴混凝土工作性的影響規律，結果表明：對濕噴混凝土工作性影響最大的因素為水灰比，其次為水泥摻量、砂石比和減水劑摻量，要保證濕噴料漿塌落度大于150 mm，其水灰比應大于0.44、水泥摻量應大于430 kg/m3、砂石比應控制在2～4。

(2)通過室內正交試驗，研究不同物料摻量對濕噴混凝土力學特性的影響規律，結果表明：水泥摻量是影響濕噴混凝土強度的關鍵因素，在滿足工作性的前提下降低水灰比可以有效提高濕噴混凝土強度，合理骨料級配能獲得較好的強度。

(3)引入單位價值強度系數V對不同水泥摻量的濕噴混凝土的經濟性進行對比分析，結果表明：水泥摻量在420～480 kg/m3時，隨著水泥摻量的增加，單位價值強度系數升高。

(4)為滿足工程要求的濕噴混凝土強度達到C30的要求，正交試驗推薦水泥摻量為440 kg/m3、水灰比為0.45、砂石比為7∶3，減水劑添加量為1%。

(5)通過在金川鎳礦的應用，取得了較好的支護效果和較高的綜合效益。

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(責任編輯 徐志宏)

Mix Optimization of Mechanized Wet Shotcrete in High-stress Fractured Nickel Mine

Yao Song1Han Bin1Wu Aixiang1Wang Yiming1Guo Junqiang2He Jianyuan3

(1.KeyLaboratoryofHigh-EfficientMiningandSafetyofMetalMine，MinistryofEducation，Beijing100083，China;2.MineEngineeringCorporation，JinchuanGroupLtd.，Jinchang737100，China;3.LongshouMine，JinchuanGroupLtd.，Jinchang737100，China))

For solving the problems of poor supporting effect，high repair rate of the traditional dry shotcrete-rockbolt-mesh support in Jinchuan nickel mine，which is fractured and under high geo-pressure，the wet shotcrete technology is adopted to make the situation better.The effects of water-cement ratio，cement，water reducer and sand-coarse aggregate ratio(fine mung bean stone mass ratio)on workability and mechanical properties of wet shotcrete are studied in mix proportion experiment by using orthogonal design.The results show the effect sequence as following：water-cement ratio> cement dosage > sand-coarse aggregate ratio> water reducer dosage.And，water-cement ratio greater than 0.44，cement dosage greater than 430 kg/m3，a 2～4 sand-coarse aggregate ratio are necessary to acquire a slurry with a slump greater than 150 mm.Cement dosage is the biggest influence on the mechanical properties of wet shotcrete，followed by water-cement ratio and water reducer in sequence.The relationship curve between sand-coarse aggregate ratio and strength of wet shotcrete is a convex curve.The economical efficiency of wet shotcrete with different cement dosages is researched by introducing the concept of the coefficient of strength per unit costV.Finally，the optimum mix proportion is determined.The application of the wet shotcrete achieves good effect and higher comprehensive economic benefit.

High-stress fractured nickel mine，Wet shotcrete，Mix optimization，Economical efficiency

2015-08-04

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAB08B02)，新世紀優秀人才支持計劃項目(編號：NECT-07-0070)，國家自然科學基金項目(編號：50774011)，教育部長江學者和創新團隊發展計劃項目(編號：IRT0950)。

姚 松(1990—)，男，碩士研究生。通訊作者 韓 斌(1969—)，男，副教授，博士。

TD353

A

1001-1250(2015)-11-027-06