礦井噴射混凝土抗壓強度的現場試驗研究

方樹林

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013； 2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013； 3.煤炭資源高效開采與 潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013； 4.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013)

噴射混凝土技術20世紀早期在英美等國家已經開始試用[1]，40年代即開始進行系統研究和試驗，50年代已經在金屬礦山、煤礦、水利水電、土木工程以及地下支護結構中廣泛應用。礦井噴射混凝土是指用噴射機將混凝土混合物高速噴射到巷道巖壁上，待其凝結硬化產生強度特性后達到支護圍巖的作用。它與普通混凝土支護最大的區別在于不需要模板，而是直接使用噴射機將混凝土噴向受噴巖面[2]，在一定條件下具有技術先進、經濟合理、安全可靠、速度快、成本低、質量好、適用范圍廣等一系列顯著特點[3]。礦井實際生產中，噴射混凝土技術可在不同圍巖、不同規模、不同用途的井下巷道中，做臨時支護、永久支護、結構補強以及冒落修復等應用[4-10]。

近年來，隨著實際應用領域的不斷擴大，對噴射混凝土基本力學性能的試驗方法、強度指標的確定和影響因素的分析等相關方面的研究也不斷深入，形成了諸多試驗成果。高喜才等[11]制備了4種齡期混凝土試件，采用掃描電鏡觀測其微觀形貌，并進行單軸壓縮力學特性測試，分析了混凝土損傷累積過程中連續超聲波參數變化規律。王嘉旋等[12-13]分別研究了高性能纖維噴射混凝土和矸石基噴射混凝土的力學性能。張戈[14]詳細研究了配合比參數、礦物摻合料、聚乙烯醇纖維、速凝劑摻量等因素對摻入無堿速凝劑噴射混凝土性能的影響規律，提出了高性能噴射混凝土組成設計方法。王家濱等[15-16]分別考慮水膠比、粉煤灰和鋼纖維影響，研究了噴射混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度經時變化規律以及滲透性、耐久性特點，并建立了相應的預測模型。文獻[17]基于軸拉法力學原理，設計了一種拉拔填有混凝土和錨桿或錨索的套筒的方法，簡捷地實現了對二者黏結強度的測試。李培濤[18]研究了20～50 ℃的不同溫度環境下噴射混凝土進行物理性能和強度特性、抗壓破壞本構關系模型、粘結性能和耐久性。丁莎[19]圍繞微觀性能、力學性能、滲透性3個方面，通過試驗研究了噴射混凝土不同配合比對其微觀結構和宏觀性能的影響。汪在芹等[20]采用自行設計的室內濕噴混凝土性能檢測方法，開展了噴射混凝土的力學、抗裂及施工性能試驗研究。

由上可見，單軸抗壓強度是衡量噴射混凝土性能的一個重要指標，目前對噴射混凝土抗壓強度的試驗研究多來自實驗室，很少來自煤礦井下現場。實驗室無法真實還原混凝土的噴射工藝和養護環境，而煤礦井下特殊的地質環境，如埋藏深、地壓大、煤塵多、有淋水、濕度大，一定程度上影響了噴射混凝土強度的變化規律。因此，本文以內蒙古某礦井底車場錨噴支護巷道工程為依托，采用“噴射大板法”，在井下現場將施工用的噴射混凝土制成標準試塊，開展不同齡期條件下的單軸壓縮試驗，測定煤礦真實環境下的噴射混凝土強度參數。

1 工程概況

內蒙古某礦目前正處于基建時期，回風立井井筒現已竣工，正在施工井底車場。此次試驗即選取風井馬頭門及東西兩翼總回風大巷作為試驗對象，其巷道布置如圖1所示。試驗巷道平均埋深約600 m，溫度19 ℃左右，濕度98%左右，設計沿3-1煤層頂板掘進。3-1煤層位于延安組第二巖段頂部，煤層傾角1°～5°，平均厚度2.91 m。煤層頂板主要為砂質泥巖和粉砂巖，底板主要為砂質泥巖。

圖1 試驗巷道布置Fig.1 Layout of test roadway

試驗巷道斷面呈半圓拱形，墻高1.80 m，拱高2.85 m，掘進斷面23.0 m2。巷道支護方案為“錨網索噴”，巷道開挖后第一步先噴厚約50 mm的混凝土，及時封閉表面圍巖，然后采用直徑22 mm、長度2 400 mm的錨桿支護淺部圍巖，并附加鋼筋網護表，同時采用直徑22 mm、長度4 300 mm的錨索支護深部圍巖，最后復噴150 mm左右厚度的混凝土至巷道成型，噴射混凝土強度等級C25。試驗巷道支護形式如圖2所示。

圖2 試驗巷道支護設計斷面Fig.2 Cross section of test roadway supporting design

(1)噴射混凝土原材料及配合比。水泥采用P.O.42.5(32.5 MPa)普通硅酸鹽水泥；砂子采用堅硬的中、粗砂，粒徑0.5～2.0 mm，含水率控制在5%～7%，含泥量不大于3%；石子采用堅硬耐久的卵石或碎石，粒徑不應大于15 mm；水采用pH值大于4、SO42-的含量低于1%的生活用自來水；采用BR-S5型速凝劑，摻量為水泥質量的2.5%～4.0%。噴射混凝土配置按照水泥∶砂子∶石子∶水∶速凝劑=1.00∶1.76∶2.16∶0.43∶0.05，稱重偏差為水泥2%、砂子3%、石子3%、速凝劑1%。

(2)噴射工藝。巷道掘出后先初噴混凝土及時封閉圍巖，然后進行錨網索支護，考慮到施工工藝銜接，又能盡快封閉圍巖，確定噴射混凝土滯后錨網索支護的距離不超過20 m。根據相關作業規程[21]和技術措施[22]，噴射混凝土設備選用氣動濕噴機，供氣壓力應保持在0.12～0.18 MPa的低氣壓范圍，可降低骨料回彈；噴頭處水壓應比氣壓高0.1 MPa左右，保證水流充分濕潤混凝土混合料；水灰比控制在0.4～0.5，初噴時可適當減少石子摻量；噴頭方向：當噴頭噴射方向與受噴面垂直，并略向剛噴射的部位傾斜時，回彈量最小。除噴巷幫側墻下部時，噴頭的噴射角度可下俯10°～15°外，其他部位噴射巷道頂部時，要求噴頭的噴射基本上垂直于頂部圍巖受噴面，噴距450～600 mm；噴射巷道幫部時，噴頭的噴射角度下俯不超過10°，噴距300～500 mm；噴射厚度，初噴30～50 mm，復噴150～170 mm，總厚度200 mm。

2 噴射混凝土現場試驗方案

為了反映噴射混凝土的真實強度，了解現場試驗和實驗室試驗的區別，故在煤礦井下施工現場進行噴射混凝土抗壓強度測試。根據《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范(GB 50086—2015)》[22]，噴射混凝土試塊現場取樣采用“噴射大板法”，即在井下將混凝土拌合物噴制成大板，然后將其切割成標準立方體試塊，分別在井下和地面實驗室2種環境中養護試塊。

具體步驟和要求：①在地面預制好長450 mm、寬350 mm、高120 mm的木試模，其中一小邊為敞開狀；②將試模帶到井下試驗巷道取樣點，使其與底板呈80°夾角(敞開邊朝下)斜立于墻腳，放置牢靠；③將噴射機噴頭對準試模，自下而上逐層噴射混凝土，噴滿后，用抹刀將混凝土表面刮平，移至養護點。

方案1：井下現場環境養護(溫度19 ℃、濕度98%)，分早期和后期2種齡期，早期分6、12、18和24 h四個時間段，后期直接養護至28 d。

方案2：將噴滿混凝土的試模升井至地面，置于實驗室養護箱標準條件養護(溫度20±2 ℃、濕度95%±1%)，直接養護至28 d。

以上2種方案的混凝土養護至規定時間后脫模，對脫模后形成的混凝土大板用切割機切割成100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，立方體試塊的允許偏差為：邊長不大于±1 mm，直角不大于2°，最后用SYE-2000型壓力試驗機對試塊進行抗壓強度試驗。

噴射大板法制成的標準試塊如圖3所示。

圖3 “噴射大板法”現場制作混凝土試塊Fig.3 "Shotcrete large plate method" for making concrete test blocks on site

3 試驗過程及結果

混凝土試塊單軸壓縮加載設備采用SYE-2000型壓力試驗機，其主要技術參數：最大試驗力2 000 kN；測力分度值：①0～60 kN，0.2 kN/小格；②0～150 kN，0.5kN/小格；③0～300 kN，1.0 kN/小格；示值精度±1%；活塞最大行程150 mm；活塞上升速度0～50 mm/min；圓試樣夾持范圍為(φ5～φ32)mm；主機的外形尺寸為820 mm×550 mm×1 960 mm；測力機外形尺寸1 200 mm×750 mm×1 800 mm。扁試樣夾持范圍為0～25 mm；拉伸夾頭間最大距離(包括活塞行程) 為700 mm；上下壓力板間最大距離(包括活塞行程)為700 mm；主機質量約1 800 kg，測力機質量約500 kg。

試驗前，將立方體試塊表面擦拭干凈，然后把試塊置于試驗機下壓板正中間，保證二者中心垂直對準，開動試驗機，使上壓板與試塊接觸，調節壓力機油門保持連續均勻加壓，加壓速度控制在0.3～0.5 MPa/s，當試塊開始急劇變形、接近破壞時，停止試驗機油門，直至試塊完成破壞，記錄此時試驗機油表讀數，即為試塊的破壞荷載。據破壞荷載，按照式(1)計算抗壓強度：

(1)

式中，fcc為混凝土立方體試塊抗壓強度；F為試塊破壞載荷；A為試塊承壓面積。

值得注意的是，按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準(GB/T 50081—2002)》[23]規定，當采用非標準試件(標準試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm)進行試驗時，最終測得的強度值應乘以相應的尺寸換算系數。試驗采用的試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，對應的換算系數為0.95。

試驗過程如圖4所示。

圖4 噴射混凝土抗壓強度試驗過程Fig.4 Test process of compressive strength of shotcrete

4 試驗數據及分析

4.1 24 h抗壓強度

井下實際應用中，經常要求混凝土強度越早發揮作用越好，這樣就能達到及時支護圍巖的效果，因此較高的混凝土早期強度對支護意義重大。以6 h為單位，分別測出6、12、18和24 h混凝土的抗壓強度，見表1。

表1 噴射混凝土24 h早期抗壓強度試驗結果Tab.1 24 hours early compressive strength test results of shotcrete

運用最小二乘法對表1中的數據進行處理后，得到噴射混凝土的24 h抗壓強度隨時間變化曲線，如圖5所示。

圖5 噴射混凝土24 h早期抗壓強度變化曲線Fig.5 Change curve of the 24 hours early compressive strength of shotcrete

對曲線進行回歸分析，得到噴射混凝土早期抗壓強度與時間的關系為[24]：

fcc=0.19e0.13t,0≤t≤24 h

(2)

式中，fcc為噴射混凝土抗壓強度；t為混凝土噴射完成小時數。

(1)噴射混凝土24 h抗壓強度隨時間呈指數式增長規律，前期增長緩慢、后期增長迅速，這與水泥水化速度和速凝劑凝結時間有關。

(2)24 h強度的最終值為3.68 MPa，占設計強度的18.4%，說明噴射混凝土能及早、及時支護圍巖，這對控制巷道變形、維持巷道安全有重要作用。

4.2 28 d抗壓強度

立方體28 d抗壓強度是混凝土強度指標的判定標準。試驗對井下現場采用“噴射大板法”制成的標準立方體試塊，分井下和實驗室2種環境養護至28 d后，測出的抗壓強度見表2。

(1)所有試驗的8批混凝土試樣測試強度均達到設計要求，即C25等級，且數據離散性不大，最大強度為28.2 MPa，最小強度為25.2 MPa，平均為26.6 MPa。

(2)同一批次的混凝土試樣，實驗室標準條件養護下測試的強度均比井下現場條件養護下測試的強度要大，其中東翼井底車場和回風大巷試樣標養強度比現養強度分別大0.5 MPa和0.2 MPa，西翼井底車場和回風大巷試樣標養強度比現養強度分別大0.9 MPa和0.3 MPa，前者比后者增大0.8%～3.3%，平均增幅1.8%，原因與井下溫度低、濕度大有關，這說明實驗室標養條件下測試的結果比真實值偏大。

表2 噴射混凝土28 d抗壓強度試驗結果Tab.2 28 days compressive strength test results of shotcrete

(3)與室內實驗結果相比，現場測試結果更接近真實值，其原因是室內實驗無法真實模擬混凝土的噴射工藝和養護環境，所以采用“噴射大板法”現場制作混凝土并在井下環境中養護，是獲得噴射混凝土真實強度的正確途徑之一。

5 結論

為真實還原煤礦巷道噴射混凝土的施工工藝和養護環境，通過采用“噴射大板法”在井下現場將施工用的噴射混凝土制成標準試塊并在井下環境中養護，開展不同齡期條件下的單軸壓縮試驗，測定煤礦真實環境下的噴射混凝土強度參數。

(1)噴射混凝土24 h早期抗壓強度隨時間呈指數式增長規律，前期增長緩慢、后期增長迅速，24 h強度終值為3.68 MPa，占設計強度的18.4%，說明噴射混凝土能及早、及時支護圍巖，這對控制巷道早期變形、維持巷道安全有重要作用。

(2)現場試驗測得的噴射混凝土28 d抗壓強度數據離散性小，抗壓強度25.2～28.2 MPa，平均26.6 MPa，是設計強度的106.4%。

(3)現場測試得到的噴射混凝土抗壓強度與實驗室測試結果存在0.8%～3.3%的差異，后者偏大，前者更接近真實值，所以采用“噴射大板法”現場制作混凝土并在井下環境中養護，是獲得噴射混凝土真實強度的正確途徑之一。