某礦山素噴支護(hù)體早期強(qiáng)度特征與適用性分析

李智偉，許永斌，龔 囪，張中偉，趙 奎，劉 浩

（1.江西理工大學(xué)土木與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

0 引言

素噴支護(hù)是巷道常用的一種支護(hù)形式，通過將混凝土拌和料噴射到巖石表面，進(jìn)而達(dá)到及時(shí)封閉圍巖、降低圍巖力學(xué)性能劣化的作用。對(duì)于金屬礦山而言，素噴支護(hù)體強(qiáng)度能否抵抗開挖所誘發(fā)的次生應(yīng)力并保持自身完整，在很大程度上決定了素噴支護(hù)體的適用性。現(xiàn)有研究表明：素噴支護(hù)體強(qiáng)度除與膠凝材料[1]、養(yǎng)護(hù)溫度[2]、水膠比[3]等因素有關(guān)，還與速凝劑類型[4-5]及其用量[6]密切相關(guān)。YURTDAS等[7]、WON 等[8]認(rèn)為相對(duì)于無堿速凝劑，堿性速凝劑會(huì)導(dǎo)致素噴支護(hù)體后期強(qiáng)度與耐久性下降。張戈[9]對(duì)比分析了以偏鋁酸鈉和硫酸鋁為代表的有堿速凝劑與無堿速凝劑對(duì)支護(hù)體水化產(chǎn)物類型與早期強(qiáng)度的影響。任玉杰[10]分析了三種速凝劑不同用量條件下支護(hù)體強(qiáng)度特征，發(fā)現(xiàn)隨著速凝劑用量的增大，支護(hù)體強(qiáng)度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。以上研究表明：速凝劑的添加顯著改變了水化反應(yīng)歷程與水化產(chǎn)物性質(zhì)，雖有助于大幅度縮短支護(hù)體凝結(jié)時(shí)間，但有可能造成支護(hù)體強(qiáng)度損失，進(jìn)而降低素噴支護(hù)體功效。

某礦山巷道主要采用素噴支護(hù)，支護(hù)厚度100 mm。受臨近采場(chǎng)開采所誘發(fā)的次生應(yīng)力的影響，素噴支護(hù)區(qū)巷道地壓顯現(xiàn)相對(duì)頻繁。鑒于此，本文對(duì)礦山現(xiàn)有素噴支護(hù)體進(jìn)行了單軸抗壓試驗(yàn)，得到了支護(hù)體強(qiáng)度特征。在此基礎(chǔ)上，分析了支護(hù)體強(qiáng)度與速凝劑用量、水用量的關(guān)系。最后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)次生應(yīng)力監(jiān)測(cè)，對(duì)現(xiàn)有素噴支護(hù)體進(jìn)行了適用性評(píng)價(jià)。研究結(jié)果對(duì)礦山進(jìn)行地壓控制具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)材料與試件制備

試驗(yàn)材料主要包括細(xì)砂、碎石、速凝劑、膠凝材料等。為保證材料主要物理力學(xué)性質(zhì)與某礦山生產(chǎn)實(shí)際一致，試件制備所需的材料采用防水、防潮包裝后進(jìn)行郵寄。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際按照1 m3料漿碎石843 kg、細(xì)砂755 kg、水泥420 kg、速凝劑50 kg、水195 kg 進(jìn)行料漿的配制。其中，細(xì)砂平均粒徑0.6 mm，碎石最大粒徑約2.4 cm。膠凝材料為內(nèi)蒙古祺祥建材有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，其標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度為20 MPa。速凝劑采用包頭市宏鑫化工有限責(zé)任公司生產(chǎn)的LZ-1 型速凝劑。試件制備物料與用量，見圖1與表1。

表1 試件制備物料用量Table 1 Material dosage of test specimens preparation單位：kg

圖1 試件制備主要物料Fig.1 Main materials for test specimens preparation

采用托盤天平與量筒，精確量取碎石、細(xì)砂、水泥、速凝劑與水質(zhì)量，置于JJ-5 型攪拌機(jī)中攪拌10 min 之后，將漿料置于三聯(lián)模中充分搗實(shí)。待室內(nèi)養(yǎng)護(hù)1 d 后進(jìn)行脫模，最后將70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的正方體試件置于養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。根據(jù)礦山巷道實(shí)際條件，試件養(yǎng)護(hù)溫度設(shè)置為23 ℃，養(yǎng)護(hù)濕度為75%。脫模前與脫模后的試件如圖2 所示。

圖2 脫模前與脫模后試件Fig.2 Test specimens before and after detachment from the mold

圖3 現(xiàn)有素噴支護(hù)體應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of the existing plain shotcrete support

1.2 試驗(yàn)方案與加載方式

對(duì)3 批次試件進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試。第1 批次試件按照表1 用量進(jìn)行制備，以分析現(xiàn)有素噴支護(hù)體強(qiáng)度特性。在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行不同速凝劑用量與不同水用量條件下素噴支護(hù)體單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試，以此對(duì)現(xiàn)有素噴支護(hù)體強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化研究。其中，第2 批次速凝劑用量分別為現(xiàn)用量的0%、20%、40%與50%，用于分析素噴支護(hù)體強(qiáng)度與速凝劑用量的關(guān)系。第3 批次水用量分別為現(xiàn)用量的1.20 倍、1.30 倍、1.35 倍與1.40 倍，用于分析素噴支護(hù)體強(qiáng)度與水用量的關(guān)系。各批次試件物料用量見表2。素噴支護(hù)體單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)由RMT-150C 巖石力學(xué)系統(tǒng)完成。試驗(yàn)加載方式采用位移控制，加速率設(shè)置為0.05 mm/s。

表2 各批次試件物料用量Table 2 Material dosage for each batch of test specimens 單位：kg

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 現(xiàn)有支護(hù)體強(qiáng)度特征

對(duì)第1 批次養(yǎng)護(hù)期齡為1 d 的4 個(gè)試件進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試（圖3）。由圖3 可知，現(xiàn)有支護(hù)體單軸抗壓強(qiáng)度最大值與最小值分別為2.36 MPa 與2.07 MPa，平均單軸抗壓強(qiáng)度為2.26 MPa。在當(dāng)前加載方式下，受支護(hù)體物料組成與骨料粒徑影響，試件在加載初期各試件應(yīng)力均不同程度的存在增大現(xiàn)象。峰值應(yīng)力后除X-3 試件外，其余試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線并沒有出現(xiàn)大幅度“跌落”現(xiàn)象，說明現(xiàn)有支護(hù)體破壞后具有一定的殘余強(qiáng)度。以X-1 試件、X-2 試件為例，試件殘余強(qiáng)度約為1.87 MPa。

2.2 不同速凝劑用量支護(hù)體強(qiáng)度特征

僅改變速凝劑用量，對(duì)第2 批次速凝劑用量分別為現(xiàn)用量的0%、20%、40% 與50%，養(yǎng)護(hù)期齡為1 d 的試件進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試（圖4）。由圖4 可知，隨著速凝劑用量的增大，支護(hù)體單軸抗壓強(qiáng)度呈減小的趨勢(shì)。當(dāng)不添加速凝劑時(shí)，支護(hù)體單軸抗壓強(qiáng)度最大值與最小值分別為9.51 MPa 與7.66 MPa，平均值為8.61 MPa；當(dāng)速凝劑用量為現(xiàn)用量20%時(shí)，支護(hù)體單軸抗壓強(qiáng)度最大值與最小值分別為7.45 MPa 與6.77 MPa，平均值為7.17 MPa；當(dāng)速凝劑用量為現(xiàn)用量40%時(shí)，支護(hù)體單軸抗壓強(qiáng)度最大值與最小值分別為6.94 MPa 與6.38 MPa，平均值為6.71 MPa；當(dāng)速凝劑用量為現(xiàn)用量50%時(shí)，支護(hù)體單軸抗壓強(qiáng)度最大值與最小值分別為6.30 MPa 與5.98 MPa，平均值為6.14 MPa。

圖4 不同速凝劑用量支護(hù)體應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of support with different amounts of accelerators

2.3 不同水用量支護(hù)體強(qiáng)度特征

僅改變水用量，對(duì)第3 批次水用量分別為現(xiàn)用量的1.20 倍、1.30 倍、1.35 倍與1.40 倍，養(yǎng)護(hù)期齡為1 d 的試件進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試（圖5）。由圖5可知，隨著水用量的增大，支護(hù)體單軸抗壓強(qiáng)度呈先增大而后減小的趨勢(shì)。當(dāng)水用量為現(xiàn)用量1.20 倍時(shí)，支護(hù)體單軸抗壓強(qiáng)度最大值與最小值分別為2.74 MPa 與2.24 MPa，平均值為2.49 MPa；當(dāng)水用量為現(xiàn)用量1.30 倍時(shí)，支護(hù)體單軸抗壓強(qiáng)度最大值與最小值分別為6.48 MPa 與5.97 MPa，平均值為6.14 MPa；當(dāng)水用量為現(xiàn)用量1.35 倍時(shí)，支護(hù)體單軸抗壓強(qiáng)度最大值與最小值分別為3.97 MPa 與3.89 MPa，平均值為3.93 MPa；當(dāng)水用量為現(xiàn)用量1.40 倍時(shí)，支護(hù)體單軸抗壓強(qiáng)度最大值與最小值分別為3.88 MPa 與3.62 MPa，平均值為3.72 MPa。

圖5 不同水用量支護(hù)體應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of support with different water consumption

3 討論

3.1 支護(hù)體強(qiáng)度損失與速凝劑用量關(guān)系

通過添加速凝劑可大幅提升素噴支護(hù)體凝結(jié)速度，減少因重力作用而導(dǎo)致支護(hù)體脫落現(xiàn)象的產(chǎn)生，進(jìn)而達(dá)到及時(shí)封閉圍巖、防止圍巖力學(xué)性能劣化的作用。已有研究表明[11-12]：速凝劑的添加將改變支護(hù)體溫度發(fā)展歷程，抑制硅酸巖礦物的水化，進(jìn)而降低支護(hù)體強(qiáng)度。定義強(qiáng)度損失率 α為未添加速凝劑支護(hù)體強(qiáng)度和添加速凝劑支護(hù)體強(qiáng)度之差，與未添加速凝劑支護(hù)體強(qiáng)度的比值，計(jì)算見式（1）。

式中：α為強(qiáng)度損失率，% ；σN為未添加速凝劑支護(hù)體強(qiáng)度，MPa；σY為添加速凝劑支護(hù)體強(qiáng)度，MPa。

不同速凝劑用量支護(hù)體強(qiáng)度損失率如圖6 所示。由圖6 可知，隨著速凝劑添加量的增大，支護(hù)體強(qiáng)度損失率呈增大的趨勢(shì)，這一結(jié)果與任玉杰[10]研究結(jié)果具有類似之處。當(dāng)速凝劑用量為現(xiàn)用量20% 時(shí)，支護(hù)體強(qiáng)度損失率約為16.7%。當(dāng)速凝劑用量由現(xiàn)用量20%增大至現(xiàn)用量40%時(shí)，支護(hù)體強(qiáng)度損失率由16.7%增大至19.4%，此時(shí)支護(hù)體強(qiáng)度損失率增量較小，約2.7%。然而，當(dāng)速凝劑用量由現(xiàn)用量40%增大至現(xiàn)用量50% 時(shí)，支護(hù)體強(qiáng)度損失率由19.4%增大至28.7%，支護(hù)體強(qiáng)度損失率增量較大，約9.3%。當(dāng)速凝劑用量由現(xiàn)用量50%增大至現(xiàn)用量100%時(shí)，支護(hù)體強(qiáng)度損失率由28.7%增大至73.6%，支護(hù)體強(qiáng)度損失率增量約44.9%。對(duì)比支護(hù)體強(qiáng)度損失率增量大小可知：在現(xiàn)有物料組成條件下，速凝劑用量存在一個(gè)閾值。當(dāng)速凝劑用量大于該閾值時(shí)，支護(hù)體強(qiáng)度損失將顯著增大，并且閾值介于現(xiàn)用量40%～50%之間。

圖6 不同速凝劑用量支護(hù)體強(qiáng)度損失率曲線Fig.6 Strength loss rate curves of support with different amounts of accelerator

3.2 支護(hù)體強(qiáng)度與用水量關(guān)系

已有研究表明[13]：在添加速凝劑條件下，素噴支護(hù)體凝結(jié)可認(rèn)為是游離水的消耗過程。在此過程中，大量的游離水首先消耗在對(duì)固體顆粒的潤濕作用中，而后大量用于水化反應(yīng)，即充足的游離水是確保支護(hù)體有足夠強(qiáng)度的前提。不同水用量支護(hù)體強(qiáng)度如圖7所示。由圖7 可知，當(dāng)水用量為現(xiàn)用量1.30 倍時(shí)，支護(hù)體單軸抗壓強(qiáng)度最大。以上情況說明：在現(xiàn)有物料組成條件下，現(xiàn)有水用量難以滿足水泥水化反應(yīng)需求，致使水泥水化度低，是造成現(xiàn)有支護(hù)體強(qiáng)度不高的主要原因之一。當(dāng)水用量大于現(xiàn)用量1.30 倍時(shí)，支護(hù)體單軸抗壓強(qiáng)度隨著水用量的增大而減小。這一結(jié)果與文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[14]的研究結(jié)果類似，其內(nèi)在原因?yàn)椋核昧康脑龃螅粌H會(huì)延長支護(hù)體凝結(jié)時(shí)間，而且會(huì)增大支護(hù)體不均勻收縮，產(chǎn)生裂隙，進(jìn)而降低支護(hù)體強(qiáng)度。

圖7 不同水用量支護(hù)體強(qiáng)度曲線Fig.7 Strength curve of support with different water consumption

3.3 現(xiàn)有素噴支護(hù)體適用性分析

某金屬礦山采用上向水平充填法開采，分段高度10 m，分層高度3.3 m，分段巷道主要采用素噴支護(hù)，支護(hù)厚度100 mm。受開采擾動(dòng)所誘發(fā)的次生應(yīng)力的影響，素噴支護(hù)體存在開裂、脫落現(xiàn)象。為掌握下覆采場(chǎng)開采所誘發(fā)的巷道徑向次生應(yīng)力的大小，在1 320 m 分段巷道素噴支護(hù)區(qū)布置了兩個(gè)錨桿測(cè)力計(jì)，其中，1#錨桿測(cè)力計(jì)布置于巷道頂板，2#錨桿測(cè)力計(jì)布置于巷道幫部，測(cè)點(diǎn)布置如圖8 所示。監(jiān)測(cè)期間下覆11#采場(chǎng)頂板起始標(biāo)高為1 308 m。

圖8 錨桿測(cè)力計(jì)布置Fig.8 Arrangement of anchor bolt dynamometer

圖9 為巷道徑向應(yīng)力-時(shí)間曲線。由圖9 可知，當(dāng)下覆11#采場(chǎng)頂板位于分段巷道底板下方時(shí)，由11#采場(chǎng)開采所引起的分段巷道頂板徑向次生壓應(yīng)力約4.05 MPa，相應(yīng)的分段巷道幫部徑向次生壓應(yīng)力約3.03 MPa，巷道幫部徑向次生壓應(yīng)力小于頂板徑向次生壓應(yīng)力。當(dāng)下覆11#采場(chǎng)頂板位于分段巷道底板上方時(shí)，由11#采場(chǎng)開采所引起的分段巷道頂板徑向次生壓應(yīng)力增至4.98 MPa，但分段巷道幫部徑向次生壓應(yīng)力總體保持不變，說明當(dāng)下覆采場(chǎng)采高位于巷道底板之上時(shí)，開采活動(dòng)對(duì)分段巷道頂板徑向次生壓應(yīng)力有一定影響，但對(duì)分段巷道幫部徑向次生壓力無顯著影響。假定素噴支護(hù)體能限制采場(chǎng)開采所引起的巷道圍巖變形且表面不發(fā)生變形，素噴支護(hù)體總體處于受壓狀態(tài)，則素噴支護(hù)單軸抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于等于分段巷道頂板徑向次生壓應(yīng)力4.98 MPa。結(jié)合現(xiàn)有素噴支護(hù)體強(qiáng)度大小，以及素噴支護(hù)體強(qiáng)度與速凝劑用量、水用量的關(guān)系，作如下分析：現(xiàn)有素噴支護(hù)體平均單軸抗壓強(qiáng)度約為2.26 MPa，小于巷道徑向次生壓應(yīng)力，是導(dǎo)致現(xiàn)有素噴支護(hù)體破壞的主要原因。減少速凝劑用量至現(xiàn)用量40%或增大水用量至現(xiàn)用量的1.30 倍時(shí)，素噴支護(hù)體平均單軸抗壓強(qiáng)度將大于巷道徑向次生壓力，有利于提升素噴支護(hù)體抵抗采場(chǎng)開采所誘發(fā)的次生應(yīng)力的能力。

圖9 巷道徑向應(yīng)力-時(shí)間曲線Fig.9 Radial stress-time curve of roadway

4 結(jié)論

1）現(xiàn)有素噴支護(hù)體單軸抗壓強(qiáng)度小于采場(chǎng)開采所誘發(fā)的巷道徑向次生壓應(yīng)力，是導(dǎo)致現(xiàn)有素噴支護(hù)體破壞的主要原因，并且巷道頂板徑向次生壓應(yīng)力大于巷道幫部徑向次生壓應(yīng)力。

2）在現(xiàn)有物料組成條件下，速凝劑用量存在一個(gè)閾值。當(dāng)速凝劑用量大于該閾值時(shí)，支護(hù)體強(qiáng)度損失將顯著增大，并且該閾值介于現(xiàn)用量40%～50%之間。

3）素噴支護(hù)體強(qiáng)度隨著速凝劑用量的增大而減小，但隨著水用量的增大呈現(xiàn)先增大而后減小的趨勢(shì)。增大水用量至現(xiàn)用量的1.30 倍或減少速凝劑用量至現(xiàn)用量40%，有利于提升素噴支護(hù)體抵抗采場(chǎng)開采所誘發(fā)的次生應(yīng)力的能力。