有机化学纤维混凝土在煤矿支护中的应用研究 |
| 2012-09-29 16:22 作者：杨 悦 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网9月29日讯】据《科技与生活》杂志2012年第15期刊文报道，在煤矿巷道支护中喷射混凝土应用广泛，但由于混凝土是一种多孔性的脆性材料，有其固有的弱点，如抗拉强度远远低于抗压强度、抗变形能力差、耐磨性差、抗渗性差、抗高温性能差、易开裂等等。加入聚丙烯纤维混凝土喷层，增加喷层极限变形量，提高喷层残余强度，使之具有适应大变形的特性。
1当前研究现状
1.1国外研究现状
20世纪60年代前期Goldfein研究用合成纤维作为水泥砂浆增强材料的可能性，发现尼龙、聚丙烯与聚乙烯等纤维有助于提高水泥砂浆的抗冲击性能。近几年，美国、德国和丹麦等国都提出在混凝土中掺加一定量的纤维，赋予混凝土一定的韧性，从而改善混凝土的抗裂性能。丹麦也研究用聚丙烯纤维来改善混凝土早期收缩裂缝。认为掺加纤维会降低坍落度，然而对混凝土的工作性能没有影响。德国MessrsPBaremhutesRheda—Wiedenbruck研究聚丙烯纤维和它在混凝土中的应用。文献提出，掺有该种纤维可以提高混凝土抗裂及抗渗性能，抑制混凝土早期裂缝的产生。
1.2国内的研究现状
中国古代早就用掺有麻丝的石灰黏土作为砖墙的抹灰料，已有上千年的历史。20世纪30年代中期开始生产石棉水泥小波瓦。50～60年代开发了石棉水泥中波瓦、平板、压力管等产品。20世纪90年代初，在美国本土生产、能够应用于纤维混凝土的有机纤维通过商业渠道流入中国，成为纤维混凝土在中国应用的契机。我们通过优化聚丙烯纤维混凝土配比，提高其性能，并在煤矿巷道支护中推广应用。
2井巷支护理论概念
2.1围岩与支护结构共同承载、相互作用
通常，井巷围岩给支护结构以一定的压力。故长期以来，人们习惯于套用地面结构的概念，认为围岩仅为载荷，支护结构只是被动地承受来自围岩方面的荷载，而不能改变围岩对它的作用。
其实，井下支护结构与地面结构所处的环境大不一样。井下支护结构位于埋深较大的地下围岩之中，而围岩本身可以承受一定载荷。故围岩既是外荷载的来源，其自身又是承载结构。围岩承载愈多，则支护结构承载愈小。众所周知，在完整硬岩中掘进巷道，是可以不用支护的。
“共同承载”概念的建立，是井巷支护理论的重大进展。先进的巷道施工技术，应是尽可能地提高围岩承载能力，即所谓“自承能力”，减小围岩的荷载效应，使支护结构受力最小。光爆锚喷支护技术，正是在这样的理论前提下出现并得到发展的。
2.2支护时间严重影响围岩稳定与支护结构受力
按照围岩与支护结构相互作用原理，在围岩与支护结构特性不变的情况下，支护前围岩的初始位移对围岩稳定与支护结构受力影响很大，支护前围岩位移主要由支护时间所决定，故最终仍归结为支护时间对围岩稳定与支护结构受力的影响。各国锚喷支护设计、施工规范，都要求在围岩自稳时间以内进行支护。
适时支护的概念，尚与支护特性曲线密切相关。对于柔性的、可缩性的支护结构，则尽早及时支护、减小支护前围岩的初始位移量，防止因其过大而导致围岩强度降低，产生松动失稳。尤其对于稳定性很差的松软围岩更应如此。同时，柔性、可缩性支护，既提供围岩稳定所必须的支护抗力，又允许围岩有较大而适度的位移，以调整围岩塑性区的范围、应力和压力的大小。从而避免了因及时支护所产生的过大压力，获得预期的支护效果。锚喷支护正是具有柔性特点的支护。
3锚喷支护特点
3.1及时迅速
目前的施工技术，可做到放炮后立即紧跟掘进工作面喷射一层混凝土，甚至可在掘进工作面上方打超前锚杆。由于支护及时迅速，在松软岩层、松散破碎岩层中，能较早地提供支护抗力，有效地防止围岩松动失稳。
3.2早强密贴
喷射混凝土的早期强度增长快并与围岩紧密粘结，锚杆（特别是沿钻孔全长胶结式锚杆）与围岩的紧密结合，是保证支护结构与围岩相互作用、共同承载、改善荷载分布的前提，也是防止围岩松动恶化的关键。
3.3柔性调控
薄层混凝土和系统锚杆均属柔性支护。它们既可提供确保围岩稳定的足够的支护抗力，又有较大的与围岩共同变形的能力，并调节与控制围岩的变形、调整围岩塑性区的大小，从而调整围岩的应力与压力，充分发挥围岩自承能力，减小支护结构的压力，获得较好的技术经济效果。
3.4施工简单灵活
锚喷支护参数容易调整，可以局部锚固或整体系统锚固；可以单喷或单锚；也可以锚喷联合或与其它支架混合使用。特别是由于前一次支护可以作为后一次支护结构的一部分，因而可以“分次”支护，以增大支护结构的柔性和支护抗力，利于调整控制围岩的变形和压力。
3.5封闭深入
喷射视凝土可及时封闭围岩，有利于防水、防风化，也可填塞裂隙凹穴，减小围岩应力集中，增加围岩强度。锚杆则可深入岩体内部加固围岩。由于及时锚喷所提供的支护抗力，使井巷围岩壁面，由单、双向应力状态，转化为三向应力状态，使应力圆直径减小、应力圆右移，提高了围岩的强度与稳定性。
4聚丙烯纤维混凝土增强机理
聚丙烯纤维的密度、单丝直径与杨氏模量均明显低于钢纤维，再喷射混凝土中加入聚丙烯纤维，主要有以下几种作用：
1）加入一定量的聚丙烯纤维可以提高喷射混凝土的强度；
2）加入一定量的聚丙烯纤维可以提高喷射混凝土的韧性；
3）加入一定量的聚丙烯纤维可以阻碍喷射混凝土中裂隙的产生和发展。
目前，能够准确反映纤维增强机理的理论有：复合材料理论和纤维间距理论。
5聚丙烯纤维混凝土在煤矿支护中的应用
5.1喷射聚丙烯纤维混凝土的原材料
5.1.1水泥
喷射混凝土应优先选用标号不低于P.O42.5的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，因为这两种水泥的C3S和C3A含量较高，同速凝剂的相容性好，能速凝、快硬，后期强度也较高。
5.1.2骨料：砂、石子
喷射混凝土用砂宜中粗砂，细度模数应大于2.3。砂子过细，会使混凝土的干缩增大；砂子过粗，则会增加回弹。砂子中小于0.075mm的颗粒不应超过20%，否则由于骨料周围粘有灰尘，会妨碍骨料与水泥的良好粘结。卵石或碎石均可，为了减少回弹，骨料的最大粒径不宜大于15mm，骨料级配对喷射混凝土拌和料的可泵性、通过管道的流动性、在喷嘴处的水化、对受喷面的粘附以及最终产品的表观密度和经济性都有重要作用。为取得最大的表观密度，应避免使用间断级配的骨料。经过筛选后应将所有超过尺寸的大块除掉，因为这些大块常常会引起管路堵塞。当喷射混凝土需掺入速凝剂时，不得含有活性二氧化硅的石材作粗骨料，以免碱骨料反应而使喷射混凝土开裂破坏。石子的含泥量不得大于10%。
5.1.3水
喷射混凝土用水要求与普通混凝土相同，不得使用污水、PH值小于4的酸性水、含硫酸盐按SO4计超过水重1%的水及海水。
5.1.4纤维
为了使用于喷射混凝土中的聚丙烯腈纤维易于分散均匀，避免纤维结团，纤维采用常州天怡公司生产的聚丙烯腈纤维，纤维长度为12mm。
5.2喷射聚丙烯腈纤维混凝土配合比的确定
配合比是指1m3喷射混凝土中水泥、砂子、石子和水的重量比例。配合比的选择应满足混凝土强度和其他物理力学性能的要求，同时还应满足施工工艺（减少回弹，不发生离析、分层以及和易性好）的要求，而且水泥用量最少。
与普通现浇混凝土相比，喷射混凝土的石子用量要少得多，粒径也较小，砂子的用量要增加，一般含砂率为50%左后。水的含量是影响喷射混凝土的强度和其它物理力学性能的重要因素。若水灰比过小，不仅料束分散，回弹量增多，粉尘大，而且喷层上会出现干斑、砂窝等现象，这影响了喷射混凝土的密实度。当水灰比过大时，会造成喷层混凝土流失、滑移，甚至大片坍落，严重影响喷层的力学性能。
为了确定聚丙烯腈纤维混凝土合适的配合比，通过初步配合比设计得到混凝土配合比为水泥：砂子：石子：水=1:2:2:0.5，保持上述原材料配合比不变，只改变聚丙烯腈纤维的掺量（掺量分别为：0kg/m3、0.4kg/m3、0.6kg/m3、0.8kg/m3、0.9kg/m3、1.0kg/m3、1.2kg/m3、1.4kg/m3）。通过现场研究聚丙烯腈纤维的掺量不同对混凝土性能的影响。
5.2喷射聚丙烯腈纤维混凝土在煤矿支护中的应用
在某矿一锚喷巷道支护中进行现场实验，该巷道净断面为15m2，顶底板岩性均为砂泥岩互层，根据原矿压资料分析，该巷道施工完成第一个月内，顶板下沉量为80mm-100mm，两帮变形两约为150mm-200mm。该实验放在本巷道中非常具有针对性。
锚喷支护时，喷浆厚度120mm，喷浆紧跟迎头施工。混凝土配比为：水泥:黄沙:石子:水:速凝剂＝1:2:2:0.5:0.04，允许偏差：水泥和速凝剂应为±2％，黄沙、石子为±3％，水灰比0.57:1，喷浆时严格按配比单拌料；喷浆后必须坚持洒水养护。喷射后七天内应进行三班洒水养护，保证喷后不出现龟裂现象，提高喷层强度。
保持上述原材料配合比不变，只改变聚丙烯腈纤维的掺量（掺量分别为：0kg/m3、0.4kg/m3、0.6kg/m3、0.8kg/m3、0.9kg/m3、1.0kg/m3、1.2kg/m3、1.4kg/m3），每段各施工50m巷道，并进行完善的矿压检测，每隔5m预埋测钉设一组监测点（顶板及两帮各一个），施工技术员按期测量巷道的净宽、净高，并详细记录监测的点号与变形量，将信息及时反馈矿生产技术部，以便及时评估巷道稳定后的变形速度及围岩的破裂状态，从而得出最好的聚丙烯腈纤维配比量，实现巷道的长期稳定。
6结论
通过现场工业实验表明，在聚丙烯腈纤维的掺量为0.6kg/m3-0.9kg/m3的情况下，巷道顶底板的变形速度及围岩的破裂状态具有较大幅度的减小。
聚丙烯纤维由于具有掺加工艺简单、价格低廉、性能优异等特点。聚丙烯纤维加入混凝土中，主要有以下几种作用：
1）提高混凝土的抗拉强度；
2）阻止混凝土中原有缺陷（微裂缝）的扩展并延缓新裂缝的出现；
3）提高混凝土的变形能力并从而改善其韧性、抗冲击性和耐久性；
4）改善混凝土的抗高温爆裂性能。
聚丙烯纤维混凝土具有如此的优越性能，但作为喷层应用于煤矿巷道支护，在国内尚处于起步阶段。
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