现代隧道湿式喷浆技术在矿井巷道施工中的应用
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【摘 要】为合理解决什林煤业当前矿井普遍采用的潮式喷浆工艺存在粉尘大，功效低，回弹率高、劳动强度大等问题，面对当前矿井辅助运输的胶轮化和对喷射混凝土的新要求，通过对现代隧道湿式喷浆技术的引进、消化与吸收，为矿井下一步喷浆工艺的改进提供了新路径。工程实践表明：在矿井巷道施工中采用湿式喷浆技术实现了单进水平和喷浆质量的较大提升，取得了良好的经济技术效益。
【关键词】现代隧道湿式喷浆技术；矿井；半机械化作业模式
井巷开拓作为矿井日常生产的重要组成部分，巷道掘进及锚网支护技术已较为成熟。但当前矿井普遍采用的潮式喷浆工艺存在粉尘大，功效低，回弹率高、劳动强度大等问题，严重制约着矿井单进水平及综合效益的提升，而湿式喷浆工艺已在我国现代隧道施工中得到了广泛应用，其优越的施工工艺，得到了广泛的认同。面对矿井辅助运输的胶轮化、巷道断面的大型化和对喷射混凝土的新要求，湿式喷浆工艺为下一步煤矿喷浆工艺的改进指明了新路径。
1.现代隧道湿式喷浆技术
1.1 湿式喷浆技术原理
湿式喷浆机主要由混凝土泵、电气系统、机械手、速凝剂泵组成，并配有搅拌设备。据了解，由中铁岩峰成都科技有限公司研制的PS5I-H转子式混凝土喷射机采用国内外独创的转子活塞——凸轮喂料机构,彻底解决了湿拌成品混凝土物料在转子料腔内的粘结堵塞问题，实现了小团粒喂料、管道内均匀稀薄流均匀连续的输送和速凝剂添加的定量控制。该产品设计合理，结构简单，技术先进，达到了国内领先水平，为井下湿式喷浆工艺的研究应用提供了设备保证。
由于湿喷工艺喷射的是成品塑性混凝土，因此可以充分应用混凝土技术发展成果，发展复合材料技术，为发展井下用高性能喷射混凝土奠定实践基础。
铁路隧道工程中广泛使用湿式喷浆机作业，山西中南部铁路通道发鸠山及南沟口隧道位于安泽县及长子县境内，由中国中铁五局承建。工程围岩等级属V、VI类，隧道围岩以三叠系下统和尚沟组砂岩，泥岩互层为主，泥岩遇水易软化，砂岩垂直节理发育，受节理切割，易形成块状，岩体较完整，埋深约50-100米，断面100m2，隧道采用上下台阶光爆施工，采用锚网喷进行初期支护处理，架棚钢筋混凝土砌筑作为二次支护的支护方式，初喷厚度约3—5mm，复喷厚度到棚子外沿，厚度约30mm,喷浆机采用成都岩锋科技公司生产的Tk系列湿式喷浆机，喷浆料采用混凝土罐车运输，汽车自动上料，经现场调查工作面粉尘较小、喷浆回弹率在20%—30%之间，混凝土强度在C25-C30之间，喷浆工作效率较高，工人劳动强度低。
2.在矿井施工中的应用性研究
2.1 矿井概况
霍州煤电集团什林煤业有限责任公司原为临汾市国有煤矿，地处霍州市师庄乡古道岭（垣）—周村—李雅庄—董南岭—南庄一带，位于霍州市北部直距约6.5km，行政区划属退沙街道办事处管辖。2009年10月21日进行了兼并重组，重组后井田面积增加到9.5009km2，矿井设计生产能力90万吨/年。矿井采用综合开拓方式，批采煤层为2#煤、10#煤和11#煤，设计服务年限为13.2年，井下共布置三条开拓大巷，大巷支护采用锚网梁索+喷联合支护方式。
原先矿井采用转Ⅵ潮式喷浆机喷浆，由于矿井属于资源整合矿井，巷道开拓工程量较大，此项工艺存在混凝土质量不易控制、回弹料高、粉尘浓度大、效率低下及劳动强度较大等问题，造成巷道喷浆工作滞后较为严重，制约着矿井单进水平及综合效益的提升。此外由于井田内断层、陷落柱较为发育、巷道断面较大等实际情况，都对原先巷道喷浆工艺及施工质量提出了新的、更高的要求。
2.2 施工方案与参数选择
湿喷并不只是一种工艺的选择，也并不只是单纯追求粉尘和回弹的降低，而是以质量控制为核心的一种新的喷射混凝土技术体系。从喷射混凝土原材料优选、配合比设计与优化、湿喷工艺参数优化、施工组织与设备配套方案设计与优化等全过程，建立质量控制与保障体系，用经济合理的方案满足喷射混凝土设计要求。
控制指标：通过对喷射混凝土质量控制指标，即平均强度、匀质性（变异系数）、密实性、早期强度、黏结强度、水灰比、速凝剂、喷嘴料流质量及射流密实过程的有效控制，建立起符合矿井实际的湿喷工艺质量控制体系。
根据湿式喷射工艺要求并结合矿井地面及井下实际情况，在巷道喷浆作业过程中，决定采用湿式喷射混凝土半机械化作业模式，即由混凝土搅拌机（地面建有水泥筒仓及受料斗等设备）、胶轮运输罐车、专用溜槽、湿喷机（2～3台）组成井下喷射混凝土半机械化作业线。矿井湿式喷射混凝土半机械化作业模式如下图所示：
材料选取：水泥选择42.5#硅酸盐水泥；砂子采用坚硬耐久的中砂或粗砂，细度模数应大于2.5，含水率宜控制在5%-7%，含泥量不得大于3%；石子采用坚硬而耐久的碎石，粒度为5-15mm，石粉含量不得大于2%，针状、片状颗粒含量不应大于15%；速凝剂：液态，粘度300-500mpa.s，掺入量4%--9%（喷浆厚度一般为100mm）。
PS5I-H防爆湿喷机：生产能力5m3/h，额定工作压力0.5Mpa，最大输送距离水平30m、垂直10m，机旁粉尘＜10mg/m3，回弹率平均＜20%。
2.3 效果对比及分析
为验证湿式喷浆在煤矿施工中的应用效果，在矿井辅助运输大巷进行了试验研究，试验效果对比及分析如下：
速凝剂：影响喷射混凝土性能的一个重要指标，影响喷射混凝土早期强度发展与后期强度水平，同时对回弹和喷层密实性产生重要影响。工艺对速凝剂掺量的控制同样是粗放的，基本是由人工凭经验在上料处通过抛撒控制，计量不准同时混合不匀。而湿喷可以通过计量泵对掺加比例进行准确控制并在喷嘴处通过高速射流均匀混合。
水灰比：混凝土强度和耐久性的决定性因素，是混凝土配合比设计与试验最关键的参数。混凝土中除化学结合水和凝胶水外，其余水分在混凝土硬化后蒸发，在水泥石中形成毛细孔，因此水灰比决定了水泥石的孔隙率和孔的形状，水灰比越低，孔隙率就越低，混凝土渗透性就越低，混凝土耐久性就越好。强度与水灰比关系如下式：