高應(yīng)力軟巖巷道膨脹混凝土充填接頂支護(hù)技術(shù)

劉雨杭

(金誠信礦業(yè)管理股份有限公司， 北京 100070)

0 概述

澆灌混凝土支護(hù)具有強(qiáng)度大、結(jié)構(gòu)整體性好等優(yōu)點(diǎn)，常用于高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)，但由于澆灌過程存在無法接頂?shù)那闆r，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖之間存在空區(qū)，圍巖弱化使支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不均。徐營等[1]研究發(fā)現(xiàn)澆灌混凝土巷道容易產(chǎn)生拱頂壁后空洞，當(dāng)空洞大到一定程度時(shí)，受圍巖應(yīng)力集中的作用，澆灌混凝土結(jié)構(gòu)容易在局部產(chǎn)生較大彎曲壓應(yīng)力，引起巷道失穩(wěn)。王悅漢等[2]發(fā)現(xiàn)采用鋼支架進(jìn)行支護(hù)時(shí)，受支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖間空區(qū)影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐性能遠(yuǎn)達(dá)不到理論情況。渾寶炬等[3]通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，如果能有效控制支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖間的空區(qū)，將大大提高支護(hù)結(jié)構(gòu)控制圍巖變形的能力。隨后，馮光明等[4]通過對(duì)壁后充填效果分析可知，壁后充填使圍巖與支架形成統(tǒng)一的整體，優(yōu)化了支護(hù)結(jié)構(gòu)受力形式，提高其服務(wù)能力，改善了想到支護(hù)效果。羅勇[5]研究分析了壁后充填材料的性能要求，并進(jìn)行了相關(guān)力學(xué)性能試驗(yàn)，工程應(yīng)用效果表明支架受力更均勻，巷道表面收斂量減少50%以上。同時(shí)，為了解決頂板空區(qū)問題，國內(nèi)同行對(duì)發(fā)泡水泥等進(jìn)行了大量的研究，朱建明等[6]以發(fā)泡水泥為充填材料進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)發(fā)泡水泥充填體抗壓強(qiáng)度4.78 MPa，抗拉強(qiáng)度0.62 MPa，基本達(dá)到充填要求。郭家林等[7]以尾砂、水泥和雙氧水為主體，制備了發(fā)泡水泥，該發(fā)泡水泥性能滿足壁后充填需要。通過以上研究可知，要想解決某鉬礦自然崩落法底部結(jié)構(gòu)的澆灌混凝土頂板空區(qū)問題，提高支護(hù)效果，必須對(duì)頂板空區(qū)進(jìn)行有效充填，改善混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖的共同承載能力。

1 膨脹混凝土制備及性能研究

1.1 混凝土發(fā)氣膨脹機(jī)理及制備過程

目前應(yīng)用較為普遍的發(fā)泡劑材料主要有雙氧水、鋁粉、碳化鈣等，其中鋁粉是最廣泛、最成熟[8]。鋁反應(yīng)實(shí)質(zhì)上是鋁與水的反應(yīng)，堿環(huán)境的作用可以起到溶解氧化鋁薄膜和氫氧化鋁的作用，促使鋁與水的反應(yīng)加速。因此，利用鋁粉作為發(fā)泡劑時(shí)，必須為其營造堿性環(huán)境。

膨脹混凝土的主要構(gòu)成成分包括：膠凝材料、發(fā)泡材料、粗骨料和水等。膠凝材料是膨脹混凝土中重要組成部分，其直接決定了膨脹混凝土的物理力學(xué)性能。本實(shí)驗(yàn)采用的是標(biāo)準(zhǔn)425水泥。發(fā)泡材料能夠降低液體表面張力，可以形成均質(zhì)泡沫，是發(fā)泡水泥的必備添加材料。

結(jié)合參考文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)測定在膨脹混凝土常用水料比范圍0.55～0.60，取0.50、0.55、0.60、0.65四種不同水料比，加入親水性鋁粉以后的體積膨脹率，以及發(fā)生膨脹和凝固所需要的時(shí)間，試驗(yàn)器材與鋁粉如圖1所示。加氣混凝土為最先使用親水性發(fā)氣鋁粉的產(chǎn)品，現(xiàn)大量應(yīng)用于建筑橋梁行業(yè)，按其使用經(jīng)驗(yàn)，鋁粉添加量為0.3%～0.4%，考慮到膨脹混凝土主要用于接頂充填，因此本次試驗(yàn)取較低值0.33%，試驗(yàn)步驟如圖2所示。

圖1 膨脹混凝土試驗(yàn)儀器及鋁粉

圖2 膨脹混凝土試驗(yàn)過程流程圖

膨脹混凝土及其制品的干密度通常在150～1 000 kg/m3之間，密度等級(jí)處于450 kg/m3以下的可不用骨料，450～600 kg/m3之間常用超輕或輕骨料，600 kg/m3以上則使用輕骨料或普通骨料。本研究目的是在保證一定強(qiáng)度下找尋簡便易用的輕質(zhì)材料，因此將密度等級(jí)定位在450 kg/m3以下，不添加骨料。不添加骨料的純水泥本身也能保證鋁粉的堿性環(huán)境，而改性劑只是為了提高漿體的穩(wěn)定性，并不會(huì)影響混凝土物理力學(xué)性能，可以暫不考慮改性劑，由此本實(shí)驗(yàn)原材料僅為水泥、發(fā)泡劑(親水性發(fā)氣鋁粉)、水。此時(shí)，分析對(duì)膨脹混凝土的影響因素主要變?yōu)樗冶龋赡苁苡绊懸蛩貫榘l(fā)氣速度、發(fā)氣量和抗壓強(qiáng)度。

1.2 膨脹混凝土力學(xué)性能研究

(1)發(fā)氣速度與膨脹率情況

不同水灰比條件下試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，可以看出，水灰比對(duì)發(fā)氣速度具有較大的影響，水灰比為0.55、0.60和0.65時(shí)，明顯要比水料比為0.50時(shí)膨脹速率最大，持續(xù)時(shí)間短，基本10 min內(nèi)可以完成50%的膨脹量，30 min內(nèi)完成90%的膨脹量。水料比為0.65時(shí)，膨脹過程在40 min內(nèi)即可完成。同時(shí)，水灰比越大，對(duì)應(yīng)的膨脹量也越大。水料比為0.50時(shí)，膨脹率為59.7%；水料比為0.55時(shí)，膨脹率為100%；水料比為0.60時(shí)，膨脹率為125.5%；水料比為0.65時(shí)，膨脹率為134%。通過以上數(shù)據(jù)可以看出，水灰比0.60以上時(shí)，膨脹性能提高不大，基本滿足鋁粉的反應(yīng)需求。

圖3 不同水料比膨脹率變化規(guī)律曲線

(2)膨脹混凝土力學(xué)性能

重新配比不同水料比的試物料，在物料未發(fā)氣之前將物料倒入模具，讓其在模具內(nèi)自然發(fā)氣，從而保證氣孔分布均勻，由于充填接頂支護(hù)對(duì)混凝土早期強(qiáng)度要求較高，因此，需將制成的試件放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)7天后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。通過試驗(yàn)可知，抗壓強(qiáng)度隨著水料比增大而降低，水料比越大，物料的抗壓和抗拉強(qiáng)度越小，強(qiáng)度變化范圍不大，如圖4所示，抗壓強(qiáng)度為1.11～1.35 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.17～0.23 MPa。發(fā)氣量最優(yōu)配比0.60時(shí)，抗壓強(qiáng)度為1.11 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.21 MPa，基本滿足初期強(qiáng)度要求。

圖4 不同水料比膨脹率變化規(guī)律曲線

綜上所述，當(dāng)鋁粉含量為3.3%時(shí)，水灰比為0.6最為合適，其膨脹性能基本達(dá)到飽和，且混凝土強(qiáng)度較為穩(wěn)定，如果繼續(xù)增加水灰比則強(qiáng)度衰減較快。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某鉬礦礦體以矽卡巖和氧化礦石為主，礦體節(jié)理裂隙發(fā)育，礦石松散破碎，具有很好的可崩性，因此，選用自然崩落法進(jìn)行礦石開采，并對(duì)底部結(jié)構(gòu)采取澆灌混凝土支護(hù)技術(shù)，如圖5所示。但由于澆灌混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)無法有效接頂，頂板壁后存在較大空間，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)體受載不均勻。尤其當(dāng)巷道受到水平應(yīng)力發(fā)生收斂時(shí)，支護(hù)系統(tǒng)受到不均衡的應(yīng)力集中，致使頂板發(fā)生擠壓剪切破壞；同時(shí)，由于頂板存在空區(qū)，巷道上部圍巖處于無支護(hù)的情況，并為頂板圍巖破壞提供了補(bǔ)償空間，誘發(fā)圍巖裂隙和破壞向深部發(fā)展，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生擠壓破壞，最終破壞情況如圖6所示。

圖5 巷道澆灌混凝土支護(hù)設(shè)計(jì)圖

圖6 高應(yīng)力軟巖巷道圍巖破壞情況

2.2 膨脹混凝土壁后充填支護(hù)試驗(yàn)

膨脹混凝土壁后充填試驗(yàn)采用注發(fā)泡水泥漿液的充填方法，在施工方面，由于發(fā)氣速度快，應(yīng)采用將物料運(yùn)至工作面以后在進(jìn)行攪拌發(fā)氣。設(shè)備選擇方面，為了保證攪拌均勻應(yīng)采用主動(dòng)式攪拌機(jī)，先將物料和攪拌均勻，再添加發(fā)氣鋁粉再次攪拌均勻，然后將物料輸送至壁后需充填部位即可。由于大部分壁后的空區(qū)僅在20 cm左右，輸送設(shè)備采用活塞式注漿泵，圖7所示為頂板發(fā)泡水泥注漿鉆孔施工照片，水泥注漿充填進(jìn)路共兩條，充填量達(dá)20 m3。

圖7 水泥注漿壁后充填鉆孔施工照片

2.3 膨脹混凝土壁后充填支護(hù)效果分析

為驗(yàn)證壁后充填效果，本次試驗(yàn)將對(duì)比充填過和未充填過巷道的收斂變形和應(yīng)力變化情況，通過采用收斂變形計(jì)和鉆孔應(yīng)力計(jì)分別對(duì)兩幫和頂板進(jìn)行監(jiān)測。

(1)巷道變形監(jiān)測與分析

巷道收斂變形監(jiān)測結(jié)果如圖8所示，通過對(duì)比壁后是否充填情況下的頂板和幫壁圍巖變形情況發(fā)現(xiàn)：未進(jìn)行壁后充填時(shí)，頂板存在大量空區(qū)，在水平應(yīng)力作用下，頂部圍巖承壓能力不足，兩幫圍巖易收斂，變形情況約15周左右達(dá)到平衡，最大變形量達(dá)40 cm；而進(jìn)行壁后充填后，圍巖變形提前得到控制，且最大變形量未超過25 cm，相比未充填情況下變形量降低了37.5%。綜上可知，采用發(fā)泡水泥進(jìn)行壁后充填，對(duì)于控制巷道收斂具有明顯的作用。

圖8 充填前后巷道收斂變形情況

(2)巷道應(yīng)力監(jiān)測與分析

如圖9所示，通過對(duì)比壁后是否充填情況下的頂板和幫壁圍巖應(yīng)力情況發(fā)現(xiàn)：未進(jìn)行壁后充填時(shí)，頂板存在大量空區(qū)，頂板圍巖應(yīng)力向幫壁處圍巖轉(zhuǎn)移和集中，隨著時(shí)間增長，應(yīng)力基本呈直線增加趨勢，約14周左右達(dá)到平衡，維持在35 MPa左右；而進(jìn)行壁后充填后，頂板和幫壁圍巖應(yīng)力均得到一定程度的優(yōu)化，幫壁圍巖在14周后業(yè)基本趨于穩(wěn)定，但最大應(yīng)力在25 MPa左右，相比未進(jìn)行壁后充填的情況下，應(yīng)力降低了28.57%。因此，采用發(fā)泡水泥進(jìn)行壁后充填，可以優(yōu)化充填體及圍巖的應(yīng)力集中情況，有效提高支護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力和服務(wù)期限。

圖9 充填前后巷道幫壁和頂板應(yīng)力情況

3 結(jié)論

(1)對(duì)壁后充填材料進(jìn)行了選擇，確定為多孔混凝土材料，發(fā)泡劑為親水性發(fā)氣鋁粉，并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的室內(nèi)試驗(yàn)，包括發(fā)氣速度，發(fā)氣量和抗壓強(qiáng)度等因素。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此類膨脹材料受水的影響比較大，必須保證水充足的條件下在能發(fā)氣完全，發(fā)起速度亦受一定的影響。材料的抗壓強(qiáng)度隨著水料比的增大而逐漸降低，相比普通混凝土可存在較大應(yīng)變量的條件下仍保持一定強(qiáng)度。

(2)頂板壁后空腔充填可使外載荷均勻地傳遞給澆灌支護(hù)體，使支護(hù)墻體與圍巖變?yōu)橐惑w，共同支承來自深部圍巖的應(yīng)力，同時(shí)避免應(yīng)力繞射造成兩幫和底板應(yīng)力集中。