濕法噴射混凝土在礦井巷道支護中的應用研究

柏 楠

（南京科工煤炭科學技術研究有限公司，江蘇 南京 210018）

常見于礦井巷道支護的噴射混凝土可分為兩種，即干法噴射混凝土與濕法噴射混凝土。但是與干噴混凝土相比，濕法噴射混凝土因其強度較高，能夠產生良好的混凝土噴射施工效果，可使工程結構得到可靠防護，有助于提升礦井巷道的質量、承載能力與結構穩定性，故而這種類型的混凝土在礦井巷道支護方面得到了大力應用[1]。對于礦山而言，巷道支護是一項極為重要的工作，其整體質量與噴射混凝土的質量密切相關，因此明確濕法噴射混凝土的應用步驟和質量控制方法，并努力提高該工藝在巷道支護上的應用效率，對于礦山實現安全生產具有重要的意義。

1 巷道濕法噴射混凝土的支護技術原理

1.1 降塵原理

干法噴射混凝土雖然制作簡便，但由于拌和過程中不加水，導致現場的粉塵量較大，而濕法噴射混凝土則強調了原料拌和過程中加水的重要性，因此粉塵量得到了良好控制。另外，應用干法噴射工藝時，即便在噴嘴部位加水，由于噴射時出料的速度較快，物料和水難以均勻混合，所以粉塵量依然很大。對于濕法噴射施工工藝而言，由于噴射出來的混凝土具有一定的黏性，因而可產生明顯的降塵效果。

1.2 回彈少的原理

應用濕法噴射施工工藝的過程中，不僅要注意拌和加水，還需要按照標準使用添加劑，因此增加了物料的黏結能力，物料不會因為噴射的速度較快而降低其黏附性，從而產生了較少的回彈量[2]。應用干法噴射施工工藝時，通常在混凝土噴出以后才開始加水，無論是加水量還是拌和質量都不易控制，而且由于混凝土的黏性較低，當其噴射到巖面上時必然會出現較多的回彈量。

1.3 支護原理

濕法噴射混凝土的拌和質量較高，各種添加劑的使用改善了混凝土的性能，可更為牢固地與錨桿連接為一個整體，從而發揮了較強的錨固作用，能夠降低層移、圍巖裂隙、巖體破壞性變形等發生的概率，進而可使噴射面產生良好的力學性能，有助于提高圍巖的強度和整體穩定性。

1.4 減小幫部損傷原理

進行巷道掘進施工時，平衡的應力因開挖而遭到破壞，由此幫部就會不可避免地產生剪切位移或圍巖裂縫。如果地層較軟，這種狀況更容易出現。由于濕法噴射混凝土提高了物料的黏附力，即使圍巖已經松動也會在較短的時間內得到穩定，而固結后的表層混凝土便成為圍巖的保護層，應力則可重新恢復平衡狀態，由此可防止幫部出現嚴重損傷。

2 濕法噴射混凝土施工的分析

在水泥混凝土拌和站按照配合比規定來制作成品混凝土，之后將其輸送至工作場地，啟動專用機械設備使成品混凝土到達設備的噴嘴部位，緊接著在該部位添加速凝劑，最后快速噴射出混合物料。這一系列操作即為濕法噴射混凝土。需要注意的是，為了使混凝土在圍巖表面形成牢固的噴層，應保證速凝劑與混凝土處于良好結合狀態。濕法噴射混凝土不需要較大的水灰比，只要將混凝土拌和均勻，準確控制減水劑與砂石料的用量，并加入適量的添加劑，即可保證混合物料產生較高的強度。另外，由于早期強度比較理想、粉塵量少且回彈量不多，因而這種工藝能夠有效降低施工成本以及對周圍環境的污染程度，有利于維護施工人員的身體健康。基于這些突出優勢，濕法噴射混凝土在礦井巷道支護方面的使用率顯著提升。

3 濕法噴射混凝土的應用

3.1 施工前的準備

在礦井巷道正式進行混凝土濕噴操作之前，需要做好以下幾項施工準備工作。一是務必檢查開挖輪廓的實際狀況，確保其符合設計要求。二是掌握受噴圍巖的表面尺寸，對欠挖部位的施工采用補鑿法，施工過程中注意敲幫問頂，及時清理存在的浮石。三是先用高壓風清除圍巖表面的浮塵，再對圍巖進行沖洗。四是將濕噴設施運輸至作業面并檢查其完好狀況，確保濕噴機空載運行穩定，風壓系統無任何異常，且溜槽、進料口與管路均保持暢通。

3.2 供風

利用高壓風管在混凝土噴射機內部引入高壓風，這一過程即為供風。當高壓風供應正常時，基于壓縮空氣的推力，噴射機內裝入的混凝土即可運行至噴嘴部位，繼而向圍巖表面高速噴射，在噴射過程中混凝土因受到較大沖擊而產生了致密性。一般來說，風壓不易低于0.4MPa或高于0.6MPa，這是因為較弱的風壓不利于掛料沖進砂漿層，脫落現象難以避免[3]；較強的風壓則促進了圍巖與粗骨料的碰撞，繼而可增加回彈量。適宜的風壓不僅能控制回彈量，而且可保證混凝土的粘附能力。

3.3 制備及運輸混凝土

拌和站是制備混凝土的主要場所。雖然水泥的種類較多，但應優先選擇強度等級不高于32.5的硅酸鹽水泥。粗骨料一般為粒徑在15mm以下的碎石，細骨料則為細度模數超過2.5的中粗砂。通常而言，混凝土應保持介于45%至55%之間的砂率。工程用水應當符合有關要求，但為了控制混凝土的含水率，需要使用適量的高效減水劑，這樣可使混凝土的坍落度達到80mm～130mm的標準。混凝土的攪拌時間不得少于2min，時間控制以均勻拌和為依據。混凝土罐車是將混凝土運送至巷道作業面的專用車輛，為防止混凝土強度降低或其坍落度增加，罐車轉入混凝土之前，必須先反轉并徹底清除內部的殘留水。

3.4 噴射施工

在礦井巷道底部噴射混凝土應選擇由下至上的方式，以確保圍巖表面不會受到回彈料的污染。在噴射過程中，巖面與噴嘴之間的距離應保持在1米左右，并按照要求對風壓進行合理調整。為了保證管道暢通、出料均勻，防止管內的物料產生擁堵現象，應當選擇質量可靠的速凝劑管作為出料管。值得注意的是，噴射過程中的風壓、料斗內的存料量都應具有合理性，并及時清除掉振動篩篩網上的雜物與大骨料，否則容易出現上料不均勻、堵管等問題。如果初噴層厚度偏小，就會產生較差的骨料粘接效果，最終可導致回彈量顯著增加；反之骨料的粘接力得到增強，進而可增加混凝土的自重，并由此導致初噴層墜落。因此，控制初噴層的厚度必須以圍巖和施工實況為依據，一般來說其厚度應為50mm左右。進行噴射操作時，為了防止因噴視角過大而致使巖面的噴料脫落，或出現回彈量增加、噴面凹凸不平等狀況，受噴表面與料束之間的夾角應為90°，且誤差控制在1～15觷之間。考慮到盲管存在于個別部位，應采用與盲管正對的方式進行噴射施工，以保證產生的透水空隙符合要求。對于表面被鋼筋網片覆蓋的圍巖，應當近距離進行噴射，并以保證后續噴射的混凝土具有良好的密實度為目的，于垂直方向上預留一定的角度。按照施工設計要求同時結合現場情況，對一次噴射厚度進行把握，避免因噴射厚度不合理而導致噴層下垂、骨料回彈、空鼓等問題。通常來說，一次噴射厚度與骨料粒徑之比約為2:1。采用濕噴混凝土施工工藝時，一次噴射厚度宜為50mm，二次噴射厚度應大于100mm。為了確保上下層混凝土具有較強的粘結性能，不僅要在二次噴射之前對受噴表面灑水潤濕，而且應對分層噴射的時間進行合理安排。

4 濕噴法施工的質量控制

4.1 移動噴頭的方式

濕噴混凝土的過程中，操作者應根據圍巖狀況選擇合理的操作方式。噴射軌跡主要有三種類型，即螺旋線型、繞S型與繞8字型。具體操作步驟為，首先在噴射機內裝入滿足設計要求的混凝土，然后在機器運行的狀態下，以“先墻體后供體、由下至上”為原則進行噴射，保證受噴表面完全被物料覆蓋。如果噴射后的表面存在凹凸不平的問題，應對表面進行填平，然后使噴頭呈現螺旋狀或S狀，最后緩慢勻速地向前移動。為了控制回彈量并使混凝土表面光滑平整，前后噴射的混凝土之間應保持半圈重疊，且每次噴射的距離不應小于3m或大于4m。

4.2 調整回彈量

若骨料、鋼筋與混凝土噴射面之間產生碰撞現象，一部分混凝土便會被擠掉，這部分混凝土的重量被稱作回彈量。無論是噴射角度、水灰比、鋼筋量還是骨料粒徑與噴射機風壓，都可對回彈量產生重要的影響。一般來說，較大的回彈量容易出現在初次噴射階段，但在塑性層形成階段因混凝土含有嵌入的粗骨料，回彈量則呈現出下降的趨勢。為了控制回彈率，一次噴射的最小厚度不得低于40mm。另外，因雜物在回彈料中的占比高于水泥，這部分物料盡量不要被濕噴機回收利用。

4.3 噴射角和距離的質量控制

對噴嘴進行合理調整，是保證噴射效果的重要舉措。調整噴嘴的目的是使之與巖面之間形成直角。對于邊角處部分較厚的混凝土，為了確保噴射質量，應當先將噴嘴下調10°左右，然后再向混凝土頂部噴射。如果鋼筋、格柵等物覆蓋在受噴表面，噴頭可保持一定的傾斜度，但角度不應過小，否則可降低受噴表面混凝土的固結能力，容易產生物料滾動現象。若施工過程中出現了波形噴面，應將增減回彈量作為有效的處理措施。對噴射距離的控制需以產生最小回彈量為出發點，因此應充分考慮料束的作用力，一般情況下不建議噴射距離超出0.2m～1.2m的范圍。若要保證噴射距離的合理性，還應有效控制噴嘴處的氣壓，使其介于0.4MPa至0.6MPa之間。

4.4 添加速凝劑

速凝劑的添加能夠改善混凝土的性能，同時也有利于降低回彈量以及增強物料的黏結效果。一般而言，速凝劑的用量為水泥用量的3%至5%。如果增加速凝劑的比重，混凝土的強度將難以得到保證。若速凝劑用量不足，則噴層容易出現下垂、流淌、脫落等問題，不利于有效控制回彈量。

5 結語

綜上所述，濕法噴射混凝土不僅易于操作，而且表現出較多的優勢。將這種施工工藝應用于礦井巷道支護方面，在施工過程中掌握正確的操作方法，并注重對噴射效果的控制，有助于提升巷道支護的質量，可為礦井安全生產奠定良好的基礎。