新型隔热混凝土喷层支护技术研究与应用

姚韦靖，庞建勇

(安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001)



新型隔热混凝土喷层支护技术研究与应用

姚韦靖，庞建勇

(安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

针对当前矿井热害问题，对深井热源进行了阐述，从喷射支护材料角度出发，选取陶粒、玻化微珠、粉煤灰作为隔热材料，通过正交试验的方法，研制出一种新型隔热混凝土；由功效系数法得出最佳掺量配比，在保证混凝土力学性能的前提下，提高了保温隔热性能，其导热系数仅为普通混凝土的1/8。结合淮南矿区巷道锚喷支护工程，进行了回弹损失、围岩压力、混凝土应力和围岩收敛的现场试验。现场监测结果表明，该种隔热混凝土材料不仅隔热效果明显，而且工作性能完全符合井下喷射混凝土的施工需要，有利于井下作业人员的安全和身心健康，具有良好的推广和使用价值。

喷射混凝土；保温隔热；正交试验;锚喷支护技术；工程应用

1 研究背景

目前，喷射混凝土广泛应用于煤矿巷道锚喷支护工程中，但随着开采深度日益增加，地温呈线性增长趋势，严重的高温热害，不仅影响矿山的开采效率，也严重威胁作业人员的生命安全。有关统计表明：工作面风温超过标准1 ℃，工作效率降低7%～10%，同时，风温在30～37 ℃以上的工作面，较30 ℃以下的工作面的事故率增加1.5～2.3倍[1]。

而目前，常用的井下降温方法为机械制冷方式，主要是人工引入冷介质，如地面、地下降温系统、空气冷却器、人工制冷降温技术等[2-6]。本文从支护材料角度出发，通过正交试验，研制出一种新型隔热混凝土材料，其既具有保温隔热效果，又具有良好的力学性能；将其应用于煤矿巷道锚喷支护当中，目的在于限制围岩热量向巷道内传播，再辅以通风降温等机械制冷方式，将热量排出，是一种治本的主动降温措施。该保温隔热材料已经申请国家发明专利。

2 材料特性与作用机理

2.1 深井热源分析

矿井高温热害的产生是由于各种热源向井巷散热的缘故，包括井巷围岩散热、空气自压缩热、机电设备散热、运输中的矿物和岩石放热，以及人员散热等[7]。其中，围岩传热占据主要影响，围岩通过传导的方式从岩体本身传到整个深部巷道中去，也可作用于地下水，通过对流传递热量。这样，井下空气利用上述2种方式获取热量，热量源源不断地从巷道围岩深处向表面传递，致使温度升高。围岩传热为最直接和主要的井下热源，占总热源比重的48%左右[8]。为此，有必要从喷层材料入手，研制一种隔热混凝土材料，应用于井下喷层支护，用以阻止围岩热量向巷道内传播。

2.2 隔热材料的选取

(1) 页岩陶粒：页岩陶粒细观结构如图1(a)所示，是由泥质岩石、黏土、粉煤灰、煤矸石为主要原材料，经过加工煅烧而制成的具有一定颗粒级配的陶质物，其内部有封闭的微孔结构，外部是一层致密的釉壳包裹，呈球状。具有孔隙率高、筒压强度高、保温隔热、耐火性好、抗震及耐久性好的特性[9]。

(2) 玻化微珠：玻化微珠如图1(b)所示，是一种非金属轻质保温绝热颗粒材料，呈颗粒粉末状，以火山岩矿石中的松脂岩为原材料，经开采后，破碎、筛分、高温瞬时燃烧膨胀玻化而成[10]。具有理化性能稳定、轻质、导热系数低、隔热防火、耐高低温、抗老化、吸水率小等优良特性。

图1 页岩陶粒和玻化微珠细观图

2.3 隔热材料作用机理概述

利用陶粒、玻化微珠较石子、砂子导热系数和重度低的优点(性能对比见表1)，将其掺入混凝土中代替石砂，有助于混凝土材料内部形成多孔结构，使热量不仅在骨料中传播，还在空隙中传播，空隙中的空气本身即为良好的隔热材料(导热系数仅为0.023 W/(m·K))，这样，既增加了热量传递时的损失量，还延长了热量传递的路径，间接延缓了传递速度，使得混凝土材料的导热系数降低，增强了其保温隔热性能[11]。但是，由于石砂骨料掺量的减少，混凝土的强度必将下降。本文通过试验的方法，得到一种合理掺量配比，研制一种既具有良好的保温隔热效果，又能满足喷射混凝土强度需要的新型隔热混凝土材料。

表1 材料导热系数和密度

3 隔热混凝土的配制及试件制作

3.1 材料的选择

(1) 水泥：采用淮南某厂生产的P·O42.5级普通硅酸盐水泥；石子：采用淮南本地产的瓜子片，由于应用于喷射混凝土，故控制粒径为5～10 mm；砂子：采用淮南本地的河砂，其细度模数为2.8，含泥量<2%。

(2) 粉煤灰：是以煤炭作为主要能源发电厂的工业废料。研究表明，将其掺入混凝土材料中，能够有效节约水泥，同时提高拌合料的黏聚性和流动性。采用淮南某电厂生产的Ⅰ级粉煤灰。

(3) 页岩陶粒：采用淮南某厂生产的页岩陶粒，重度为600 kg/m3，吸水率为16%，筒压强度>3 MPa，粒径为5～15 mm，在材料中作为粗骨料代替瓜子片。

(4) 玻化微珠：采用河南信阳某厂生产的玻化微珠，密度为80 kg/m3，吸水率为10%，在材料中以占混凝土的体积比掺入，以代替砂子。

(5) 聚丙烯纤维：研究表明，加入聚丙烯纤维，能够有效提高混凝土的抗拉、抗裂性能，使其延性和韧性都得到大幅度提高[12-13]，采用山东泰安某厂生产的单丝束状聚丙烯纤维，长度为12 mm。

(6) 外加剂：减水剂，采用苏州某厂生产的聚羧酸减水剂；早强剂，采用淮南产的氯盐类早强剂。

3.2 配合比设计

以矿井喷射混凝土为基础，根据试验多次试配和现场工程实践经验，确定喷射混凝土的配合比为水泥∶石子∶砂子∶水=1∶1.84∶1.84∶0.45。聚丙烯纤维掺量为0.9 kg/m3，减水剂和早强剂掺量分别占水泥质量的1%和2%。混凝土配合比保持不变，改变页岩陶粒、玻化微珠和粉煤灰掺量作为控制变量。陶粒取代石子用量：20%，40%，60%；玻化微珠占混凝土体积比：60%，100%，140%；粉煤灰取代水泥用量：10%，20%，30%，具体见表2。

表2 掺量取值

3.3 试验过程及结果

采用正交试验，设计了27组试验(具体见表3)，对材料28 d的导热系数、抗压、抗拉、抗折强度作了测试。试验时，由于玻化微珠质轻，且极易飘散，试验前均先进行了过水处理。将水泥、石子、砂子和页岩陶粒先搅拌2 min，待搅拌均匀后，加入水和玻化微珠搅拌2 min，静置24 h，等试块有一定强度后即可拆模，拆模后立即放入标准养护室，期间定期洒水养护，并用湿布覆盖试块保持湿润，养护28 d后进行力学性能测试，其结果见表3。

从表3可知，试件的导热系数介于0.178 4～0.253 3 W/(K·m)，比普通混凝土的导热系数1.74 W/(K· m)小得多，而抗压、抗拉、抗折强度分别介于17.3～31.6，1.12～1.97，1.43～3.18 MPa，强度也下降明显。有必要通过功效系数法分析，选出最佳掺量。

3.4 功效系数分析

功效系数分析数据见表4。

表3 不同配比下试件性能数据

表4 功效系数分析数据

由表4可得，功效系数d=0.951最大，即序号5为最佳掺量，其掺量为：陶粒20%，玻化微珠100%，粉煤灰20%，其力学性能与普通混凝土的对比见表5。

表5 混凝土力学性能对比

可以看出，新型隔热混凝土材料，其导热性能明显优于普通混凝土，导热系数仅为其1/8，而抗压、抗拉、抗折强度均有所下降，分别下降了11.23%，12.44%，42.50%。这是因为页岩陶粒、玻化微珠代替石子、砂子，其本身导热系数很低，又在混凝土材料内部形成了多孔结构，使得热量不仅在骨料中传播，还在空隙中传播，延长了传热路径，增加了热量损耗，混凝土材料的隔热性能明显增加。同时，这2种保温材料的强度又很低，陶粒仅为3 MPa左右，远小于石子强度，玻化微珠呈粉末状，几乎没有强度，随着这2种材料的加入，混凝土强度下降是必然的，但当掺量较低时，陶粒掺量在20%～40%，玻化微珠掺量在60%～100%时，强度下降较小，可以满足井下喷射混凝土的施工需要，具有推广和使用价值。

4 工程应用与效果评价

4.1 工程概况

淮南矿业集团某矿，巷道埋深-780 m，Ⅳ类围岩条件，浅层煤炭开采殆尽，开始向深层开采，由高地温导致的高温热害现象尤为突出，在不采取人工制冷等措施的情况下，工作面风温高达30～40 ℃，对矿工的身心健康产生了极为不良的影响，包括使人感到烦躁、机警力降低、导致工人中暑、昏厥、休克等现象。

4.2 现场监测

为了研究新型隔热混凝土材料在巷道支护的适用性和可行性，以及实际力学性能和围岩收敛稳定情况，在进行室内试验，得出较佳掺量配比后，决定在该巷道100 m范围内采用新型隔热混凝土喷层代替传统的素混凝土喷层，并监测其支护效果。监测内容包括混凝土回弹损失率、围压压力、混凝土应力和围岩收敛测量。

4.2.1 回弹损失率

回弹是由于喷射料流与坚硬表面、钢筋碰撞或骨料颗粒间相互撞击而从受喷面上弹落下来的混合物。每喷3 m3，收集回弹物质进行称量，共测试了3段，其结果见表6。由表6可以看到，平均回弹损失率为16.81%。根据相关规定，在15%左右，可以适当回收回弹料，掺入料中继续使用，但掺入量不得超过30%。

表6 回弹损失率

4.2.2 围岩压力

试验采用双膜压力盒与钢弦频率测定仪配套量测，分别在拱顶、拱肩和墙腰对称埋设应变计。其测量结果如图2(a)所示。可以看出，喷层围岩压力在30 d前随着时间的推移逐渐增大；在30 d以后趋于稳定，围岩达到了支护稳定阶段，压力分布较为均匀。

4.2.3 混凝土应力

试验采用应变计和数字式电桥配合测量，也分别在拱顶、拱肩和墙腰对称埋设应变计。其测量结果见图2(b)。可以看出，和围岩压力相似，混凝土应力在30 d前随着时间的发展逐渐增大；30 d后喷层受力趋于平衡状态，各测点的应力值较小，且分布也较为均匀。

图2 新型隔热混凝土喷层围岩压力和 应力随时间变化曲线

4.2.4 围岩收敛

试验采用GY-85型收敛计，仪器精度达到0.01 mm，测量结果如图3所示。可以看出，巷道表面收敛变形不大，同时两帮和拱顶的变形相差不大，在10 d前围岩变形较大，收敛速度相对后期高，但其最大值也不超过1.5 mm/d，此后收敛速度很快趋于下降，在第40天时，收敛速度在0.05 mm/d左右，支护结构逐渐趋于稳定。

图3 巷道收敛量和收敛速度Fig.3 Magnitudeandspeedofroadwayconvergence

5 结 论

(1) 经过大量试验研究，研制出一种新型隔热混凝土材料，拥有很好的保温隔热性能，导热系数仅为普通混凝土的1/8，有效阻止围岩热量向巷道内部传递，为井下作业人员提供了相对适宜的作业环境，保证了其安全和身心健康。

(2) 工程实例和现场监测分析表明：新型隔热混凝土材料，其回弹损失率、围岩压力、混凝土应力和巷道收敛情况均符合工业生产的需要；支护完成后，采用大气降温机作为通风排热的冷源，达到了很好的效果，满足安全生产的需要，具有良好的应用与推广价值。

(3) 陶粒、玻化微珠和粉煤灰的使用，有效节约了资源，减少了对环境的损害，符合我国当前建设绿色环保型社会的要求。

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(编辑：赵卫兵)

Research and Application of a Shotcrete Support TechniqueUsing Thermal Insulating Concrete

YAO Wei-jing, PANG Jian-yong

(School of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

In view of the thermal pollution of mines, the heat sources of deep-mine were introduced. A novel thermal insulating concrete was prepared with ceramisite, glazed hollow bead and fly ash as heat insulation materials through orthogonal experiment. The optimum mix ratio was obtained by using efficacy coefficient method. On the premise of guaranteeing concrete’s mechanics performance, the heat preservation and insulation performance was improved, with the thermal conductivity coefficient only 1/8 of normal concrete. With the rockbolt and shotcrete support for the roadway of mining area in Huainan as engineering background, field tests of springback loss, surrounding rock pressure, concrete stress and surrounding rock convergence were conducted. Field monitoring results showed that the proposed insulating concrete material has good heat insulation effect, and its performance could fully meet the requirements of coal-mine shotcrete construction, beneficial for the underground work personnel’s safety and health of body and mind.

shotcrete; insulation; orthogonal experiment; rockbolt and shotcrete support technique; engineering application

2015-10-26；

2015-11-12

国家安全生产监督管理总局安全生产重大事故防治关键技术科技项目(anhui-0003-2016AQ)；安徽省高校自然科学重大项目(KJ2015ZD20)

姚韦靖(1990-)，男，安徽芜湖人,博士研究生，研究方向为岩土工程，(电话)18255415068(电子信箱)yaoweijing0713@163.com。

庞建勇(1964-)，男，河北保定人，教授，博士生导师，博士，从事矿山岩体力学与支护方面的教学与研究工作，(电话)13855488528(电子信箱)pangjyong@163.com。

10.11988/ckyyb.20150899

2017,34(1):124-128

TU45

A

1001-5485(2017)01-0124-05