浅谈新型矿用煤矸石喷射混凝土材料的研究与应用

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[摘要]锚喷支护是目前煤矿井巷支护中最先进的支护方式，选用喷射混凝土进行巷道支护，也是煤矿最常用的一种支护方式。山东能源淄矿集团许厂煤矿本着就地取材的原则，用煤矿自产废弃物煤矸石做成替代普通喷射混凝土的砂子、石子，具有良好的经济和社会效益。该支护方式已在全矿进行推广，最具代表性的巷道就是330采区辅助回风巷，该巷道长度为1100米，全部采用新型矿用煤矸石喷射混凝土材料支护，效果显著。

[关键词]煤矸石 替代 相同强度 经济、社会效益

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：

一、研究原理

以许厂煤矿破碎煤矸石为主要原料，破碎后经过振动筛过滤，将碎块状矸石脱离，然后再将磨碎后呈粉末状的矸石灰进行拌料、最后喷浆。在配比相同、使用普通速凝剂的情况下，煤矸石喷浆材料的强度等级达不到原喷射混凝土的强度等级要求。但是，以新型速凝剂巷膜素代替普通速凝剂后煤矸石喷浆材料的强度值就可以达到原喷射混凝土的强度要求。利用新型速凝剂、水泥配制新型煤矸石喷射混凝土材料，即达到了煤矸石替代石子、砂子等喷浆材料的目的。

一般情况下喷射混凝土的原材料主要包括水泥、骨料、外加剂与拌合用水。喷射混凝土的配制对原材料都有所要求。

1、水泥

选用的水泥种类和标号需满足工程使用的要求，由于在拌合中还要加入外加剂，所以在选择水泥时还需要考虑水泥对速凝剂的相容性。喷射混凝土应优先选择不低于42.5号的普通硅酸盐水泥。

2、骨料

拌制喷射混凝土时使用的骨料主要是破碎后的煤矸石。喷射混凝土对骨料的硬度、颗粒级配、含水率等都有一定的要求。拌制喷射混凝土时宜选用磨碎后的粉末状煤矸石，细度模数小于2.5。煤矸石的含水率对拌制的喷射混凝土也有一定的影响，含水率低时，施工时会产生大量的粉尘，污染工作面环境，含水率过高时，混合料的湿度过大，多数情况下会发生堵管，所以煤矸石的含水率最好控制在4%-8%。煤矸石的最大粒径不宜大于15mm，这样可以减少回弹，同时减少喷射机和输料管道之间的磨损，适用于远距离输料，也减少了堵管现象。在拌制喷射混凝土时，选用的骨料级配必须是连续级配，若使用剪短级配，缺少中间颗粒的话，混凝土拌合物容易产生离析，粘结性较差，回弹率会高，抗压强度一般也会下降。

表1 许厂煤矿矸石物理性能

原料名称 含水率 /% 含泥量 /% 密度 g/cm3 堆积密度 g/cm3

许厂煤矿矸石 5 17.4 2.37 1.32

3、外加剂（巷膜素）

喷射混凝土时会添加一定量的外加剂，通过添加剂来调节喷射混凝土的性能，以达到施工要求。添加速凝剂后可以缩短凝结时间，提高早期强度，增加一次喷层厚度，并可以减少回弹损失。添加速凝剂时要控制好添加量，并不是越多越好，一般情况下最佳掺量为水泥掺量的2.5%-4%，如果偏离这一范围，可能会延长凝结时间，对后期强度也会产生不利的影响。巷膜素是由徐州中矿大贝克福尔科技有限公司研制的一种改性速凝剂，具有速凝、早强、后期强度损失少等特点。一般情况下，煤矿井下锚喷支护所用喷射混凝土的集料主要是5mm左右的砂和石子，许厂煤矿煤矸石与其相比有含泥量大、杂质含量多、压碎指标值大等缺点，在配比相同的情况下，煤矸石喷浆材料的强度等级达不到原喷射混凝土的强度等级要求。但是，以巷膜素代替原速凝剂后，煤矸石喷浆材料的强度值就可以达到原喷射混凝土相同的强度，同时，加入巷膜素后的煤矸石喷浆材料的回弹率也随之降低，这样即节约了喷浆原料同时也降低了喷浆成本。

表2 巷膜素技术指标

物料名称 来 源 外 观 堆积密度 g/cm3 凝结时间/min 抗压强度比 /%

初凝 终凝

巷膜素 徐州中矿大贝克福尔科技有限公司生产 浅灰或浅 红色粉末 1.25 ≤3 ≤12 85

速凝剂 焦作新筑王新材料有限公司 浅黄或浅灰粉末 1.10 ≤3 ≤12 62

4、拌合水

喷射混凝土的拌合水与普通混凝土拌合水的要求一样，不能使用污水、pH小于4的酸性水和海水等等。

二、回弹率实验

喷浆料回弹是由于喷射材料与坚硬表面、钢筋碰撞或集料颗粒间相互撞击而从受喷面上弹落下来的现象。在我国混凝土喷射作业中，不同程度的存在粉尘大、回弹率高、质量不稳定等问题。据统计，采用一般喷射混凝土装置，按照正常泥、沙、水的配合比，矿山巷道喷射混凝土回弹率高达35%-40%。

煤矸石经破碎后可形成连续的颗粒级配，用其为骨料的喷射混凝土，其需水量提高，保水性、黏聚性增强，有利于施工中降低粉尘浓度和回弹量，改善劳动环境。表3为回弹率实验结果。

表3 煤矸石喷射混凝土回弹率试验结果

物料名称 收集料称重 /kg 理论质量 /kg 回弹率 /%

煤矸石喷射混凝土 205-308 2050 10-15

普通喷射混凝土 636-778 2050 31-38

三、技术配比方案

在设计喷射混凝土配合比时，既要满足支护结构对喷射混凝土的物理力学性能方面的要求，又要考虑到喷射混凝土施工工艺方面的要求，要使喷射混凝土具有足够的抗压、抗拉、粘结强度，而且收缩变形值保持最小，喷射作业时的回弹率也要降到最低。设计喷射混凝土配合比，首先要能满足所需要的强度要求，回弹量要小，尽量要减少粉尘，粘附性要好，又不能发生堵管。喷射混凝土的胶骨比、水灰比都影响喷射混凝土的性能。胶骨比一般为1：4 -1：4.5，水灰比控制在0.4-0.5。

1、喷浆材料中各种材料的比重

水 泥 320～360 kg/m3

煤矸石 1280～1440 kg/m3（含水率4%）