高韧性纤维混凝土在深部软岩巷道支护中的应用

王海云

【摘要】本文主要分析了高韧性纤维混凝土的相关问题，主要论述了高韧性纤维混凝土在深部软岩巷道支护中的具体应用，分析了如何更好的提高其应用的效果，提出了一些比较可行的对策。

【关键词】高韧性纤维；混凝土；深部软岩；巷道支护

一、前言

目前，高韧性纤维混凝土在深部软岩巷道支护中的作用越来越大，为了能够提高高韧性纤维混凝土在其中的应用效果，一定要进一步分析其应用的对策和方法。

二、纤维混凝土的发展和增强机理

1、纤维混凝土的发展

纤维混凝土发展始于20世纪初，最早以研究钢纤维混凝土为最早，早在1910年美国的H.Porter就发表了关于短钢纤维增强混凝土的第一篇论文。进入20世纪70年代，不仅钢纤维混凝土的研究发展很快，而且碳、玻璃、石棉等高弹纤维混凝土，尼龙、聚丙烯、植物等低弹性纤维混凝土的研制也引起了各国的关注。增强理论的广度和深度取得了令人鼓舞的成果，而且在工程应用中得到快速应用和发展。

2、纤维混凝土的增强机理

纤维混凝土中乱向分布的纤维主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展，在受荷（拉、弯）初期，水泥基料与纤维共同承受外力，当混凝土开裂后，横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者。因此纤维混凝土与普通混凝土相比具有一系列优越的物理和力学性能。

自1910年纤维混凝土问世以来，经100年的不懈努力，其增强机理才逐步发展起来。目前，对于混凝土中均匀而任意分布的短纤维对混凝土的增强机理存在着两种不同的理论解释。其一，为美国的J.P.Romualdi提出的“纤维间距机理”；其二，为英国的SwamyMamgat等提出的“复合材料机理”。

三、深部软岩巷道支护喷层厚度的确定

1、喷层厚度的确定方法

喷层起局部支护作用，即锚杆间的表面支护，控制锚杆间非锚固区危石的坠落的压力，还有围岩应力的重新分布而带来的附加应力，附加应力计算是复杂的，所以喷层厚度大多依据工程类比法确定，此次试验在参考了任楼煤矿素混凝土喷层厚度的基础上，还参考了GB50086-2001《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（简称《规范》），其方法：根据地质勘察资料，按表3力学参数查《规范》表3.0.2确定围岩级别，再根据《规范》中表4.1.2-1选择喷层厚度，还要考虑岩石坚硬性岩体完整性、结构面特征，地下水和地应力确定围岩的级别。任楼煤矿试验巷道为Ⅳ类围岩，Ⅳ类围岩的喷层支护厚度为80～100mm。

2、不同喷层厚度支护效果的计算机模拟

（一）试验巷道概况

试验巷道为任楼煤矿中五采区运输上山，埋深650m，巷道為拱形岩巷，全断面锚网梁+喷射纤维混凝土+锚索支护，巷道净宽4.6mm，净高3.5mm，使用15根左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆进行支护，规格为22mm×2400mm，间排距均为700mm。锚索为3根，直径15.4mm，长6.4m，间排距为2.8m。

（二）模拟的内容及方案选取

根据巷道围岩力学参数、围岩的完整性，确定任楼煤矿中五运输巷道属于Ⅳ类围岩。初喷素混凝土30～50mm；初选的复喷纤维混凝土厚分别为80、100、120mm。原锚杆、锚索支护参数不变，评价巷道支护的稳定性。

（三）数值模拟结果及分析

在喷SPC厚度为100mm时，巷道顶板下沉量、底臌量、左帮移近量、右帮移近量分别为44、66、24、24mm。虽然巷道穿岩层掘进，但由于支护强度的增大，不同岩层之间位移较为同步，在喷浆厚度为100mm情况下，巷道位移量已经减少，巷道顶部位移满足工程的要求，但两边墙位移偏大。巷道两帮距巷道周边1.3m处有最大集中应力32MPa。

在喷射SPC厚度为120mm时，巷道顶板下沉量、底臌量、左帮移近量、右帮移近量分别为33、55、18、18mm。巷道两帮塑性区在1.4m左右，巷道围岩的水平应力在顶底板及两底角集中，顶部距巷道周边2.0m处有最大集中应力14.5MPa，底部距巷道周边2.6m处有最大集中应力16.5MPa。喷厚增加巷道的变形量减少，巷道的位移量减少。喷层厚度100mm时的位移量达到了工程的要求。

根据以上分析，本着节约实用的原则，根据价值工程原理，确定巷道的拱部和边墙分别喷100mm和120mm的SPC混凝土。

四、喷射工艺

1、机械设备

（一）混合料搅拌机。采用卧式强制式纤维搅拌机，型号为JS-250XW，该机型专为煤矿井下搅拌纤维研制，具有防爆设计、体积小、移动方便的特点。

（二）混凝土喷射机。采用潮喷工艺，选择ESP-6型混凝土喷浆机。

2、施工工艺

纤维喷射混凝土采用潮喷施工工艺，分2层施工。第1层用素混凝土进行找平，对超挖的部分进行填补，喷厚30～50mm。待硬化并强度达到5～8MPa后，在设计确定的断面位置打锚杆、挂金属筋网、打锚索；第2层喷纤维混凝土在掘进工作面后30m以外进行。

五、巷道表面位移的观测结果和喷层应力分析

1、巷道表面位移的观测结果

试验分两段进行：第1段是喷射纤维混凝土段；第2段为素混凝土对比段。两个观测站的距离比较近，所受的地质扰动相似，相比纤维混凝土段的顶底位移区别不大，两帮纤维混凝土段位移大些，原因是加纤维段掺加了纤维材料，韧性和延性比较好，表现出“柔性支护”特征，素混凝土对比段韧性比较差些。

2、喷层应力分析

喷层应力采用的是在施工过程中预埋型号为HGLZ-25型振弦式混凝土应力计，放置的位置与巷道轮廓线垂直，目的是监测喷层轴向应力变化情况。

素混凝土对比段应力的变化是由初期的拉压应力结合向拉应力转移，在180d时拉应力的点比较多，破坏点的出现也开始增多，到达1a以后由于开裂使得应力得到了释放，转向以压力应力为主。该试验段到2a多时破坏开裂点已经很多，进行了修护加固。纤维混凝土由于韧性和剪切强度比较高，巷道的“柔性变形”释放了部分应力，总体应力比素混凝土小，喷层通过变形与围岩实现了耦合支护，巷道施工3a后保持完好，没有喷层开裂脱落现象出现。观测结果显示，在到达350d后随着巷道的变形使应力得到释放，应力重新分布产生新的平衡，转成以压应力为主。

六、纤维混凝土的性能的改善

1、纤维混凝土较普通混凝土对于控制裂缝发展的优越性

混凝土不可避免地会产生裂缝，尤其对于大体积混凝土，然而，纤维混凝土在有效控制裂缝产生和控制裂缝发展上具有巨大的优越性。纤维可以阻碍混凝土内部微裂缝扩张，水泥基料和纤维共同受力。即使在产生裂缝后，横跨裂缝的纤维可以单独或者与钢筋共同参与受力，限制裂缝进一步发展。因此，混凝土中适量配比的纤维的阻裂效果明显。

2、收缩性能改善

在通常的纤维掺量下，纤维混凝土较普通混凝土的收缩值降低7%～9%。因此，纤维混凝土的收缩性能明显改善。

七、结束语

综上所述，高韧性纤维混凝土在深部软岩巷道支护中的应用一定要更加的有效，那就需要进一步的分析高韧性纤维混凝土的应用方法和对策，以不断提高其应用的水平。

【参考文献】

[1]王其胜.深部软岩巷道矿压特征与支护技术研究[D].中南大学，2014.26-59

[2]王其胜.钢纤维混凝土增强作用及在软岩巷道支护中的应用[J].辽宁工程技术大学学报，2014，03：337-340.