贺 拿曾 梅白云峰李旺兴

(1.河南理工大学土木工程学院,河南省焦作市,454000; 2.河南工程技术学校,河南省焦作市,454000)

★煤炭科技·开拓与开采 ★

M K-1高效增强剂在巷道锚喷支护中的应用＊

贺 拿1曾 梅2白云峰1李旺兴1

(1.河南理工大学土木工程学院,河南省焦作市,454000; 2.河南工程技术学校,河南省焦作市,454000)

研究了M K-1高效增强剂在巷道锚喷支护中的应用,通过对混凝土作用机理和巷道支护的研究,得出了MK-1高效增强剂在巷道喷射混凝土过程中的作用及喷射方法。在实际巷道支护中,喷射混凝土加入增强剂后,其抗压强度提高40%～50%,回弹率降低到10﹪,达到同等强度时其成本每米可节省29～43元。

巷道支护 锚喷网支护 混凝土 M K-1高效增强剂 回弹率

AbstractThis paper presents a study on the application of M K-1 highly effective fortifier in roadway bolting-shotcreting support.Through a study on the functioning mechanism of concrete and roadway support,the function of the M K-1 fortifier in the shotcreting process in roadway support as well as the shotcreting method is produced.In actual roadway support practice,once this fortifier is added to the shotcrete,the compression strength of the material will be increased by 40% ～ 50%while the rebounding ratio be reduced down to 10%.For the same support strength of the shotcrete,shotcrete cost can be reduced by 29～ 43 yuan/m2.

Key wordsroadway support,bolting and shotcreting with wire mesh,concrete,M K-1 highly effective fortifier,rebounding ratio

随着煤矿开采深度加大,对巷道支护的安全性及可靠性提出了更高的要求。为了解决普通混凝土喷射支护周期长、施工进展较慢、安全系数低等问题,提高巷道锚喷支护的安全性和耐久性,研究开发出了M K-1高效增强剂。

1 MK-1高效增强剂增强机理

普通硅酸盐水泥是制备混凝土的主要材料,它的主要矿物成分是硅酸三钙 (3CaO·SiO2,简写成C3S)、硅酸二钙 (2CaO·SiO2,简写成C2S)、铝酸三钙 (3CaO·Al2O3,简写成C3A)和铁铝三钙 (2Cao·Fe2O3-8CaO·3Al2O3·Fe2O3,简写成C2F-C8A3F),其中前3个成分是主要的,他们的水化反应如下:

由上述化学反应方程式可以看出,普通混凝土在水泥水化以后,要多出一部分Ca(OH)2。所以水泥水化产物可以看作是水泥石 (水化硅酸钙和水化铝酸钙)和熟石灰的混合物。普通混凝土粗骨料与水泥石之间的界面上积滞着大量的Ca(OH)2,其结晶与定向排列是混凝土强度与耐久性低下的主要原因。因此要获得强度较高、耐久性较好的混凝土,改善混凝土中骨料与水泥石之间的界面结构是关键,尽量抑制界面过渡区的形成,是提高混凝土性能的关键技术。

M K-1高效增强剂的主要成分是具有很高火山灰活性的Al2O3和 SiO2,它们再和Ca(OH)2反应,生成水化硅酸钙和水化铝酸钙,反应方程式如下:

M K-1高效增强剂可以使普通混凝土中的Ca(OH)2转变成水化硅酸钙和水化铝酸钙等水泥石矿物,从而减少混凝土的碱含量,提高混凝土的强度、耐久性、耐酸碱性等性能。高性能混凝土的重要特征就是具有高耐久性,而耐久性则取决于抗渗性。抗渗性又与混凝土中的水泥石密实度和界面结构有关,M K-1高效增强剂细度小,填充性好,因此可以使混凝土的密实性提高,抗渗漏和抗碳化的性能也得到明显提高。高性能混凝土是近期混凝土技术发展的主要方向,M K-1高效增强剂的应用不仅可以提高巷道支护的施工速度,缩短工期,而且可以大大降低工程费用。

2 用法及用量

M K-1高效增强剂产品的添加方式有内加法和外加法两种。

内加法就是用等量的MK-1高效增强剂替代混凝土中的水泥,替代量一般在5%～25%之间,替代量越多,混凝土强度越高,一般建议替代量为10%。

外加法就是保持原来水泥的用量不变,再额外加入一定数量的MK-1高效增强剂,其加入量仍然为水泥用量的5%～15%。在5%～25%之间时,增加量越多,喷射混凝土强度越高,首推使用为10%。在未经过充分试验的情况下,建议采用外加法。M K-1高效增强剂可以和水泥预混合,因为充分的预混合对喷射混凝土更有利;M K-1高效增强剂还可以和砂子预混合,砂子中的水分不影响其性能。如果不采取预混合工序,可以在添加速凝剂的同时,按照比例添加M K-1高效增强剂。储藏时应防水,防破包,防污染。

使用M K-1高效增强剂时,可以降低速凝剂用量,一般情况下可以将速凝剂的用量减至2%(使用前应做试验,不同的温度及施工条件会有差异)。对添加M K-1高效增强剂的混凝土,一定要搅拌均匀。M K-1高效增强剂作为一种外加剂,有别于其它的外加剂。早强剂、减水剂、膨胀剂等外加剂虽然能改善混凝土某方面的性能,但是无法提高混凝土的终期强度,达不到提高混凝土耐久性的要求,而且受施工条件及气候条件等的影响,外加剂有时甚至起不到预期的作用。而加入M K-1高效增强剂后具有一定的速凝作用,并可以明显地降低喷射回弹率,还能有效地消除巷道漏水现象。

3 技术要求及操作规程

3.1 配料比例

混凝土具体配料比例:水泥∶砂∶石子质量比为1∶2∶2;MK-1高效增强剂用量为水泥用量的10%;速凝剂用量为水泥用量的4%。

3.2 操作要求

首先将水泥和M K-1高效增强剂预混均匀 (混合到颜色均一为止),然后按搅拌混凝土操作方法进行操作 (放入搅拌机内进行搅拌和喷射)。喷射时喷头距巷道壁的距离在1.5 m左右,尽可能地保持喷射方向与巷道壁垂直。施工过程中,选择一个工段进行用料和喷射回弹料的定量记录,以计算出新配方的喷射回弹率,同时有意识地进行减少速凝剂用量的试验。可以把速凝剂用量由4%减少到2%～3%,目测回弹率的变化,确定速凝剂的最佳用量。施工时,保持场地干净,应在钢板或旧胶带上拌料,防止掺入杂质影响混凝土强度。喷射分两次进行,初喷时不能使金属网片全部覆盖,应使其似露非露,以增强其整体性。施工结束后,要取样测试28天抗压强度。

4 成本核算

为获得加入M K-1高效增强剂的混凝土用于巷道支护的费用,采取配置同等量的基础样混凝土和外加MK-1高效增强剂的混凝土进行对比试验,试验对比见表1。从表1可以看出,加入MK-1高效增强剂的喷射混凝土性价比高。经过计算,达到同等强度时,使用加入M K-1高效增强剂的喷射混凝土喷射巷道时,每米巷道可节约成本29～43元(相同喷射厚度时,强度高,能更有效地保证煤矿的安全生产),且回弹率由20%降低为10%。

5 工程应用

潞宁煤业公司年产原煤30万t。该煤矿巷道倾斜长度2200 m,垂直深度达到1200 m。巷道采用锚索、锚杆挂钢丝网喷射混凝土支护,但是由于普通的混凝土喷射后凝固慢,强度低,喷射厚度达到1.5 m。即使这样结果仍不理想,而且混凝土自重大,使锚杆和锚索承受了外加的荷载,巷道的安全系数降低。喷射混凝土厚度大,达到终期强度所需时间较长,严重影响施工进度。为了提高施工速度和混凝土的终期强度,决定使用加入MK-1高效增强剂的混凝土进行试验。

首先将水泥和M K-1高效增强剂混合均匀,然后按照质量比水泥∶砂∶石子=1∶2∶2的配方进行配料。施工时要把钢丝网内的碎石清理干净,以便喷射混凝土与巷道围岩稳定结合。喷射应分层进行,初喷的作用是使钢丝网、锚索及锚杆通过混凝土的粘结作用,形成一个稳定的基础受力层。初喷时应使部分钢丝网外露,使以后的喷射混凝土和初次喷射的混凝土形成一个稳定的整体,提高承受外荷载的能力。通过现场目测,加入M K-1高效增强剂后,回弹率降低明显,收集回弹料进行计算,回弹率降低了10%。喷射加入M K-1高效增强剂的混凝土,几分钟即可凝固,较普通喷射混凝土的凝固时间大大缩短。混凝土达到终期强度后,取相同条件的施工段进行对比试验,加入M K-1高效增强剂的混凝土喷射段强度比普通混凝土的强度提高40%～50%,极大地提高了巷道的安全性。

表1 基础样混凝土和加MK-1高效增强剂喷射混凝土成本核算表

6 结论

(1)M K-1高效增强剂加入混凝土,喷射后混凝土的凝固时间缩短。通过试验测得新型喷射混凝土较普通喷射混凝土的抗压强度提高40%～50%。

(2)M K-1高效增强剂具有一定的速凝作用,可以减少速凝剂用量25%～50%,并明显降低喷射回弹率。现场喷射试验时,测得回弹率降低10%。

(3)加入MK-1高效增强剂后,混凝土的密实性较好。现场试验证明,新配方的混凝土能有效地消除巷道漏水现象。

(4)加入MK-1高效增强剂混凝土耐久性好,巷道返修率明显降低。经过几个月观察比较,使用加增强剂的混凝土喷射支护的巷道几乎没有破损,而其它地段 (喷射普通混凝土的地段)有明显的破损,已经开始返修。

(5)除返修率明显降低外,经济效益显著。使用加增强剂的混凝土喷射巷道时,每米巷道可节约29～43元 (相同喷射厚度时,强度高,能更有效地保证煤矿生产安全)。

[1]潘莉莎,邱学青,庞煜霞,杨东杰.减水剂对混凝土耐久性影响的研究进展 [J].混凝土,2007(1)

[2]冯乃谦.高性能混凝土结构 [M].机械工业出版社, 2004

[3]管文俊.高性能混凝土在路桥工程中的应用 [J].管理观察,2009(4)

Application of MK-1 highly effective fortifier in bolting-shotcrete support for roadways

He Na1,Zeng Mei2,Bai Yun Feng1,Li Wangxing1

(1.School of Civil Engineering,Henan Polytechnic University,
Jiaozuo,Henan province 454000,China; 2.Henan Engineering and Technology College,Jiaozuo,Henan province 454000,China)

TD353

B

贺拿 (1984-),男,河南永城人,在读研究生。

(责任编辑 张毅玲)

河南理工大学博士基金资助 (B2010-1)