湿法喷射混凝土在矿井巷道支护中的应用研究

柏 楠

（南京科工煤炭科学技术研究有限公司，江苏 南京 210018）

常见于矿井巷道支护的喷射混凝土可分为两种，即干法喷射混凝土与湿法喷射混凝土。但是与干喷混凝土相比，湿法喷射混凝土因其强度较高，能够产生良好的混凝土喷射施工效果，可使工程结构得到可靠防护，有助于提升矿井巷道的质量、承载能力与结构稳定性，故而这种类型的混凝土在矿井巷道支护方面得到了大力应用[1]。对于矿山而言，巷道支护是一项极为重要的工作，其整体质量与喷射混凝土的质量密切相关，因此明确湿法喷射混凝土的应用步骤和质量控制方法，并努力提高该工艺在巷道支护上的应用效率，对于矿山实现安全生产具有重要的意义。

1 巷道湿法喷射混凝土的支护技术原理

1.1 降尘原理

干法喷射混凝土虽然制作简便，但由于拌和过程中不加水，导致现场的粉尘量较大，而湿法喷射混凝土则强调了原料拌和过程中加水的重要性，因此粉尘量得到了良好控制。另外，应用干法喷射工艺时，即便在喷嘴部位加水，由于喷射时出料的速度较快，物料和水难以均匀混合，所以粉尘量依然很大。对于湿法喷射施工工艺而言，由于喷射出来的混凝土具有一定的黏性，因而可产生明显的降尘效果。

1.2 回弹少的原理

应用湿法喷射施工工艺的过程中，不仅要注意拌和加水，还需要按照标准使用添加剂，因此增加了物料的黏结能力，物料不会因为喷射的速度较快而降低其黏附性，从而产生了较少的回弹量[2]。应用干法喷射施工工艺时，通常在混凝土喷出以后才开始加水，无论是加水量还是拌和质量都不易控制，而且由于混凝土的黏性较低，当其喷射到岩面上时必然会出现较多的回弹量。

1.3 支护原理

湿法喷射混凝土的拌和质量较高，各种添加剂的使用改善了混凝土的性能，可更为牢固地与锚杆连接为一个整体，从而发挥了较强的锚固作用，能够降低层移、围岩裂隙、岩体破坏性变形等发生的概率，进而可使喷射面产生良好的力学性能，有助于提高围岩的强度和整体稳定性。

1.4 减小帮部损伤原理

进行巷道掘进施工时，平衡的应力因开挖而遭到破坏，由此帮部就会不可避免地产生剪切位移或围岩裂缝。如果地层较软，这种状况更容易出现。由于湿法喷射混凝土提高了物料的黏附力，即使围岩已经松动也会在较短的时间内得到稳定，而固结后的表层混凝土便成为围岩的保护层，应力则可重新恢复平衡状态，由此可防止帮部出现严重损伤。

2 湿法喷射混凝土施工的分析

在水泥混凝土拌和站按照配合比规定来制作成品混凝土，之后将其输送至工作场地，启动专用机械设备使成品混凝土到达设备的喷嘴部位，紧接着在该部位添加速凝剂，最后快速喷射出混合物料。这一系列操作即为湿法喷射混凝土。需要注意的是，为了使混凝土在围岩表面形成牢固的喷层，应保证速凝剂与混凝土处于良好结合状态。湿法喷射混凝土不需要较大的水灰比，只要将混凝土拌和均匀，准确控制减水剂与砂石料的用量，并加入适量的添加剂，即可保证混合物料产生较高的强度。另外，由于早期强度比较理想、粉尘量少且回弹量不多，因而这种工艺能够有效降低施工成本以及对周围环境的污染程度，有利于维护施工人员的身体健康。基于这些突出优势，湿法喷射混凝土在矿井巷道支护方面的使用率显著提升。

3 湿法喷射混凝土的应用

3.1 施工前的准备

在矿井巷道正式进行混凝土湿喷操作之前，需要做好以下几项施工准备工作。一是务必检查开挖轮廓的实际状况，确保其符合设计要求。二是掌握受喷围岩的表面尺寸，对欠挖部位的施工采用补凿法，施工过程中注意敲帮问顶，及时清理存在的浮石。三是先用高压风清除围岩表面的浮尘，再对围岩进行冲洗。四是将湿喷设施运输至作业面并检查其完好状况，确保湿喷机空载运行稳定，风压系统无任何异常，且溜槽、进料口与管路均保持畅通。

3.2 供风

利用高压风管在混凝土喷射机内部引入高压风，这一过程即为供风。当高压风供应正常时，基于压缩空气的推力，喷射机内装入的混凝土即可运行至喷嘴部位，继而向围岩表面高速喷射，在喷射过程中混凝土因受到较大冲击而产生了致密性。一般来说，风压不易低于0.4MPa或高于0.6MPa，这是因为较弱的风压不利于挂料冲进砂浆层，脱落现象难以避免[3]；较强的风压则促进了围岩与粗骨料的碰撞，继而可增加回弹量。适宜的风压不仅能控制回弹量，而且可保证混凝土的粘附能力。

3.3 制备及运输混凝土

拌和站是制备混凝土的主要场所。虽然水泥的种类较多，但应优先选择强度等级不高于32.5的硅酸盐水泥。粗骨料一般为粒径在15mm以下的碎石，细骨料则为细度模数超过2.5的中粗砂。通常而言，混凝土应保持介于45%至55%之间的砂率。工程用水应当符合有关要求，但为了控制混凝土的含水率，需要使用适量的高效减水剂，这样可使混凝土的坍落度达到80mm～130mm的标准。混凝土的搅拌时间不得少于2min，时间控制以均匀拌和为依据。混凝土罐车是将混凝土运送至巷道作业面的专用车辆，为防止混凝土强度降低或其坍落度增加，罐车转入混凝土之前，必须先反转并彻底清除内部的残留水。

3.4 喷射施工

在矿井巷道底部喷射混凝土应选择由下至上的方式，以确保围岩表面不会受到回弹料的污染。在喷射过程中，岩面与喷嘴之间的距离应保持在1米左右，并按照要求对风压进行合理调整。为了保证管道畅通、出料均匀，防止管内的物料产生拥堵现象，应当选择质量可靠的速凝剂管作为出料管。值得注意的是，喷射过程中的风压、料斗内的存料量都应具有合理性，并及时清除掉振动筛筛网上的杂物与大骨料，否则容易出现上料不均匀、堵管等问题。如果初喷层厚度偏小，就会产生较差的骨料粘接效果，最终可导致回弹量显著增加；反之骨料的粘接力得到增强，进而可增加混凝土的自重，并由此导致初喷层坠落。因此，控制初喷层的厚度必须以围岩和施工实况为依据，一般来说其厚度应为50mm左右。进行喷射操作时，为了防止因喷视角过大而致使岩面的喷料脱落，或出现回弹量增加、喷面凹凸不平等状况，受喷表面与料束之间的夹角应为90°，且误差控制在1～15觷之间。考虑到盲管存在于个别部位，应采用与盲管正对的方式进行喷射施工，以保证产生的透水空隙符合要求。对于表面被钢筋网片覆盖的围岩，应当近距离进行喷射，并以保证后续喷射的混凝土具有良好的密实度为目的，于垂直方向上预留一定的角度。按照施工设计要求同时结合现场情况，对一次喷射厚度进行把握，避免因喷射厚度不合理而导致喷层下垂、骨料回弹、空鼓等问题。通常来说，一次喷射厚度与骨料粒径之比约为2:1。采用湿喷混凝土施工工艺时，一次喷射厚度宜为50mm，二次喷射厚度应大于100mm。为了确保上下层混凝土具有较强的粘结性能，不仅要在二次喷射之前对受喷表面洒水润湿，而且应对分层喷射的时间进行合理安排。

4 湿喷法施工的质量控制

4.1 移动喷头的方式

湿喷混凝土的过程中，操作者应根据围岩状况选择合理的操作方式。喷射轨迹主要有三种类型，即螺旋线型、绕S型与绕8字型。具体操作步骤为，首先在喷射机内装入满足设计要求的混凝土，然后在机器运行的状态下，以“先墙体后供体、由下至上”为原则进行喷射，保证受喷表面完全被物料覆盖。如果喷射后的表面存在凹凸不平的问题，应对表面进行填平，然后使喷头呈现螺旋状或S状，最后缓慢匀速地向前移动。为了控制回弹量并使混凝土表面光滑平整，前后喷射的混凝土之间应保持半圈重叠，且每次喷射的距离不应小于3m或大于4m。

4.2 调整回弹量

若骨料、钢筋与混凝土喷射面之间产生碰撞现象，一部分混凝土便会被挤掉，这部分混凝土的重量被称作回弹量。无论是喷射角度、水灰比、钢筋量还是骨料粒径与喷射机风压，都可对回弹量产生重要的影响。一般来说，较大的回弹量容易出现在初次喷射阶段，但在塑性层形成阶段因混凝土含有嵌入的粗骨料，回弹量则呈现出下降的趋势。为了控制回弹率，一次喷射的最小厚度不得低于40mm。另外，因杂物在回弹料中的占比高于水泥，这部分物料尽量不要被湿喷机回收利用。

4.3 喷射角和距离的质量控制

对喷嘴进行合理调整，是保证喷射效果的重要举措。调整喷嘴的目的是使之与岩面之间形成直角。对于边角处部分较厚的混凝土，为了确保喷射质量，应当先将喷嘴下调10°左右，然后再向混凝土顶部喷射。如果钢筋、格栅等物覆盖在受喷表面，喷头可保持一定的倾斜度，但角度不应过小，否则可降低受喷表面混凝土的固结能力，容易产生物料滚动现象。若施工过程中出现了波形喷面，应将增减回弹量作为有效的处理措施。对喷射距离的控制需以产生最小回弹量为出发点，因此应充分考虑料束的作用力，一般情况下不建议喷射距离超出0.2m～1.2m的范围。若要保证喷射距离的合理性，还应有效控制喷嘴处的气压，使其介于0.4MPa至0.6MPa之间。

4.4 添加速凝剂

速凝剂的添加能够改善混凝土的性能，同时也有利于降低回弹量以及增强物料的黏结效果。一般而言，速凝剂的用量为水泥用量的3%至5%。如果增加速凝剂的比重，混凝土的强度将难以得到保证。若速凝剂用量不足，则喷层容易出现下垂、流淌、脱落等问题，不利于有效控制回弹量。

5 结语

综上所述，湿法喷射混凝土不仅易于操作，而且表现出较多的优势。将这种施工工艺应用于矿井巷道支护方面，在施工过程中掌握正确的操作方法，并注重对喷射效果的控制，有助于提升巷道支护的质量，可为矿井安全生产奠定良好的基础。