聚丙烯纤维混凝土喷层在矿业工程中的应用

姚传勤

（安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南232001）

摘要：随着煤炭开采向深部发展,地压显现十分明显,围岩变形量大,巷道破坏严重,对安全 生产和经济效益产生较大的消极影响。采用普通混凝土喷层,施工后不久易出现裂缝,甚至逐 渐发 展到剥落和掉块,丧失了对围岩的封闭和支护作用,特别是在一批新型可伸长锚杆相继问世以 后,这一不匹配问题更加突出。将聚丙烯纤维作为煤矿巷道混凝土喷层的辅助加强筋，能有 效的解决这一难题。通过对聚丙烯纤维混凝土喷层的工业性试验研究可知，聚丙烯纤维有效 提高了喷射混凝土的粘聚性，使喷层抗拉强度高、韧性好，且有效降低混凝土的回弹率和用 量，施工工艺简单。由于不增加施工难度和工程费用，且力学性能优良质量可靠，在煤矿锚 喷巷道支护中的应用前景十分广阔。

关键词：新型混凝土；喷层；喷层混凝土应力

中图分类号：TD353文献标识码：A[WT]文章编号：16721098(2008)02002604

The Application of Polypropylene Fiber Concrete

Spray Layer in Mining Engineering

YAO Chuanqin

(School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science and T echnology，Huainan Anhui 232001,China) Abstract: With coal exploitation depth rise strata pressure obviously increases,which causes big deformation of the surrounding rocks and disastrous damage ofroadways. It has very negative effects both in safety and economic aspects. Clas sic concrete spray layer cracks, even peels off and drops in blocks easily soonafter it is done, which fails to confine and support the surrounding rocks. Theproblem of classic concrete spray layer mismatching with anchors becomes more se rious with appearance of new type of extensible anchors. An effective solution t o this problem is to apply polypropylene fiber concrete, a new compound material , as an auxiliary reinforcing bar to concrete spray layer. The industrial experi ments of polypropylene fiber concrete spray layer indicated that polypropylene f iber concrete enhances the spray concretes cohesion, and the spray layers ex tension strength and its flexibility increase. The rebound ratio and dosage of c oncrete decrease. Polypropylene fiber concrete simplifies concrete spray technol ogy. Without adding any additional performing difficulty or cost, polypropylenefiber concrete with excellent mechanical property and reliable quality has goodprospect of application in roadway support by anchoring in coal mines.

Key words:new type of concrete; spray layer; stress of spraylayer concrete

随着矿山建设向深部发展，将会遇到越来越多的软岩地层，这类岩体中的地下工程地压显现 十分明显，围岩变形量大，巷道破坏严重，对安全生产造成严重威胁。根据观测研究，发现 普通混凝土喷层常出现断裂、剥落甚至坍塌现象，这是由于普通混凝土喷层具有弹脆性的特 点，不能很好地适应巷道变形的要求，因此锚喷支护的重要措施是改善混凝土的整体力学性 能，使喷射混凝土能够适应巷道变形要求。将聚丙烯纤维作为煤矿巷道混凝土喷层的辅助加 强筋，能很好的解决这一难题［1］。

1喷射聚丙烯纤维混凝土的特点

1.1化学物理特性

聚丙烯纤维是切割后短而细的分散性纤维, 是由多种高性能掺合物构成的一种新型建筑材料 （见表1）。

表1聚丙烯纤维的化学物理特性

性能指标吸水率/%

密度/(kg•m-3)纤维长度/mm熔点/℃

燃点/℃热导率 耐酸碱性

抗拉强度/MPa无 0.9112～64160～175590低强350～770 1.2特点

喷射纤维混凝土是在喷射混凝土中掺入高性能合成纤维, 它除有喷射混凝土抗压、 抗拉、抗 剪、抗弯和粘结强度高的优点外,还具有以下特点：① 增大一次喷射的厚度,形成更厚的喷 射混凝土层；② 具有更高的粘稠性,大幅度降低混凝土回弹,降低成本；③阻止混凝土因收 缩而产生龟裂现象,提高抗渗性能、抗冻融性能；④ 合成纤维作为混凝土的微加强筋系统, 增大其抗冲击能力,明显提高抗弯曲强度,使其疲劳强度可提高3 倍以上；⑤ 同金属网相比, 纤维更易于运输、储存和使用,泵送容易,不会损伤设备；⑥ 纤维以三维方式均匀自动分布 在混凝土中,不需要改变原混凝土配合比,纤维能抗酸碱腐蚀,没有锈蚀问题,能改善混凝土的 水密性,对主筋形成保护,可延长混凝土的寿命；⑦ 采用水降解纸袋包装,该包装直接投入搅 拌机,搅拌时间不超过5 min ,即可使纤维均匀分布于拌和料中。正是喷射聚丙 烯纤维混凝土具有上述优点,它才被越来越广泛地应用于建筑、交通、水工、军事、土木及 各种构筑物的加固补强和保护［2］。

2喷射纤维混凝土施工工艺

2．1工程概况

淮北矿业集团桃园矿7244工作面位于四采区上山南翼二阶段，为72煤第四个工作面，其上 方为7242采空区。该巷道原设计为锚带网支护，由于地压大，顶底板岩石及两帮煤体松软破 碎，巷道变形破坏严重。如果继续沿用原支护形式，必然造成巷道边施工，边修复的被动局 面，不但影响巷道进尺，而且还对矿井安全造成严重威胁。因此，必须改变原支护形式，采 用适合巷道围岩变形特点的新型支护体系即：锚杆、挂绳、喷浆、注浆、锚索一体化的支护 形式,简称锚注支护来解决上述难题。

2.2施工工艺

喷射原则自下而上,先凹后凸,旋状喷射,环环相连,圈圈相压。(1) 准备工作喷射前, 先用高压水(风) 清洗受喷面,待喷射机到位调试后,再采用先注水后通风疏通管路。

(2) 拌和料 纤维严格按掺量加入, 必须采用强制式搅拌机, 无论采用何种方法掺 加纤维,搅拌时间长短以纤维能够均匀分布为宜,一般为3～5 min。

(3) 上料开机后要连续上料,保持料斗饱满,料斗口设一活动15 mm 孔径筛网, 以滤除超径骨料进入机内。

(4) 操作顺序先注水,后送风,再进料,根据受喷面喷出混凝土情况,控制注水量。

(5) 喷射顺序应分段、分片、分块进行。每片均自下部开始水平方向呈旋环状移动喷射, 并 往返一次喷射,然后向上移动,依次循环进行喷射纤维混凝土作业。喷射前,要对受喷面凹洼 处先喷找平。

(6) 最佳喷射距离与角度喷头出料口至喷面距离视供风压力大小随 时调整,干喷机以0.6～1.0 m 为宜,湿喷机以1.2～1.8 m为 宜,喷射料束以垂直受喷面为佳。

(7) 喷射料束运动轨迹螺旋环状水平移动, 一圈压一圈, 圈径约300 mm,行间搭接约300～500 mm。

(8) 喷射料旋转速度及一次喷厚以2～3s 转动一圈为宜,一次喷射厚度以不堕落时的临界状态或所需厚度确定。一般喷 射纤维混凝土一次喷厚不小于50 mm ,由于外加剂的作用,待其初凝后可回头再 次喷射直至达到要求厚度。

(9) 高压风、水控制水灰比由熟练喷射手控制,以喷出的混凝土湿润光泽、粘塑性好、无 干 斑流淌现象为标准,否则就需要调整风、水压力。一般喷射机水压控制在0.2～0.25 MPa,风压控制在0.12～0.15 MPa;湿喷机(TK961型) 水压控制在0.6～0.8MPa ,风压控制在0.4～0.5 MPa 。

(10) 发现断水、停电或断料处理措施喷头应迅速撤离受喷面,严禁用高压风、水冲击未终 凝的混凝土。

(11) 养护由于喷射层一般较薄,加之外表面系数大,因此,喷射纤维混凝土2 h后浇水养护,养护时间不小于14 d,要经常保持潮湿状态［3］。

3现场试验量测结果

根据轨回二联巷实际围岩情况和现场施工情况安排，现场试验段选在距A2控制点向南32~52 m（第一段）、 52~72 m（第二段）、 72~92 m（第三段）。其中第一段为普通混凝土喷层，喷厚100 mm；第二段为纤维混 凝土喷层，喷厚100 mm,纤维掺量为0.9 kg/m；第三段也为纤维 混凝土喷层，喷厚100 mm，纤维掺量为1.2 kg/m。 现场试验选 择了三个监控量测断面， 断面位置均位于各段中部， 对各区段的施工全过程分别进行了围 岩压力、 喷层混凝土应力、 回弹损失率的监控量测（见图1～图2，表3）。

其相比，A2+62和A2+82（纤维混凝土喷层）断面处围岩压力均较小，且分布均匀。这 是由于在巷道开挖后，随着时间推移，因纤维混凝土喷层具有较好的变形能力，喷层与围岩 一起变形，释放部分围岩压力，岩体自承能力有所提高。因此，与普通混凝土相比，作用在 纤维混凝土喷层上的压力有所减小，且较为均匀。玹/d

处混凝土的力学性能。

为了研究聚丙烯纤维对喷射混凝土回弹率的影响，现场对喷射普通混凝土与喷射聚丙烯纤维 混凝土采用干喷法和同一个风、水压参数，由同一个熟练喷射手在淮北矿区桃园煤矿7244巷 道拱部选择1～4点进行现场喷射混凝土试验。测试方法为每喷3 m混凝土， 收集回弹量(见表2)。

表2喷射混凝土回弹损失率检测结果

工程概况喷射部位实际拌和混凝土重/kg回弹混凝土重/kg回弹 损失率/%平均回弹损失率/%未掺纤维混凝土掺入纤维混凝土巷道拱部1巷道拱部2巷道拱部3巷道拱部47 2 51.67 293.77 214.17 215.61 603.31 565.21 192.51 224.522.11 21.4616.5316.9721.8916.75结果表明，掺入聚丙烯纤维 后，提高了喷射混凝土的粘聚性，能有效降低混凝土的回弹率，比普通混凝土喷层的回弹率 降低了5.14％，降低了混凝土的用量，节约了成本。同时加入纤维后，还能增加混凝土喷层 的一次喷射厚度，降低了工人劳动强度。

4结论

（1） 喷射混凝土中加入聚丙烯纤维后，提高了混凝土的粘聚性，使得混凝土回弹 率降低了5.14％，减少了混凝土用量，节约了成本。

（2） 聚丙烯纤维混凝土喷层支护段各测点围岩压力值较小，分布均匀，实现了围岩压力重 分布，施加在混凝土喷层上的压力减小。

（3） 聚丙烯纤维混凝土喷层应力小于普通混凝土喷层应力，且分布较均匀。

（4） 聚丙烯纤维混凝土抗折强度明显提高。

综上所述，喷射聚丙烯纤维混凝土将以其优良的力学性能、可靠的质量和低廉的价格受到越 来越多的矿业建设者的清涟，在煤矿巷道支护中的应用前景十分广阔。

参考文献：

［1］庞建勇,郭兰波.软岩巷道网壳喷层新技术［J］.中国矿业大学学报,2003， 5(32)：508510.

［2］朱永全， 刘勇， 刘志春，等. 聚丙烯纤维喷射混凝土性能和衬砌试验［J ］. 岩石力学工程学报， 2004，(10)：3 3763 380.

［3］童建军.聚丙烯纤维网湿喷混凝土施工方法［J］.铁道建筑，2004(11)：3 739.

［4］贺常乐，欧志华.聚丙烯纤维混凝土的研究现状及探讨［J］.广东建材，200 5（6）：89.

［5］陈磊，陈太林.聚丙烯纤维混凝土动态力学性能试验研究［J］.混凝土与水 泥制品，2005（1）：4142.

(责任编辑：何学华)