高应力破碎镍矿机械化湿喷混凝土配合比优化

姚 松 韩 斌 吴爱祥 王贻明 郭军强 何建元

(1.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京100083；2.金川集团股份有限公司矿山工程分公司，甘肃 金昌 737100；3.金川集团股份有限公司龙首矿，甘肃 金昌 737100)

高应力破碎镍矿机械化湿喷混凝土配合比优化

姚 松1韩 斌1吴爱祥1王贻明1郭军强2何建元3

(1.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京100083；2.金川集团股份有限公司矿山工程分公司，甘肃 金昌 737100；3.金川集团股份有限公司龙首矿，甘肃 金昌 737100)

针对金川镍矿矿岩破碎，地压较大，采用传统的干喷锚网支护效果不理想且巷道返修率高的问题，提出湿喷混凝土技术来改善这一局面。采用正交设计方法进行配合比试验，研究了水灰比、水泥、减水剂和砂石比(细砂与绿豆石的质量比)对湿喷混凝土工作性及力学性能的影响规律。结果表明：各因素对湿喷混凝土工作性的影响顺序为：水灰比>水泥掺量>砂石比>减水剂掺量，要保证湿喷料浆塌落度大于150 mm，其水灰比应大于0.44、水泥掺量应大于430 kg/m3、砂石比应在2～4；水泥掺量对湿喷混凝土的力学特性影响最大，其次为水灰比，砂石比与湿喷混凝土强度呈凸形关系，减水剂对湿喷混凝土的强度影响较小。引入单位价值强度系数V对不同水泥掺量湿喷混凝土的经济性进行对比，确定了最佳配合比，通过现场应用达到了较好的效果，具有较高的综合经济效益。

高应力破碎镍矿 湿喷 配合比优化 经济性

湿喷混凝土技术使用混凝土喷射机，利用压缩空气或其他动力，将预先按一定比例配好的混凝土料浆通过管道输送并高速喷射到受喷面上，迅速凝固成具有一定抗压、抗拉强度的支护结构，从而对围岩起到一定的支护作用[1]。相对于传统干喷技术，湿喷技术具有低回弹(5%～10%)、低粉尘、喷层均匀厚度大、力学性能优、施工效率高且经济效益显著的特点。鉴于上述原因，湿喷混凝土已在发达国家广泛采用，并逐渐替代干喷混凝土[2-3]。

金川镍矿矿岩破碎，地压较大，现在井下应用较多的支护方式是干喷+锚网，但是其工艺复杂、效率低、施工速度慢，而且巷道变形和破坏频现，造成巷道返修率高且返修困难，对矿山正常生产造成极大的影响。图1为工人正在对破坏的支护体进行返修。

图1 破坏支护体返修Fig.1 Repairing of destructive roadway support

湿喷混凝土是解决这一问题的有效手段，但是湿喷混凝土技术的设备设施投资大、工艺复杂、对物料要求高，因此湿喷混凝土配合比的管理与控制显得极其重要。本研究针对这一问题，结合金川湿喷物料的特点，通过室内正交试验，对配合比进行确定和优化。

1 室内湿喷配合比正交试验

1.1 湿喷材料选择

湿喷混凝土主要由水泥、骨料、外加剂组成。水泥是湿喷混凝土的主要胶凝材料，掺入较多的水泥既可以确保混凝土的和易性，也可以获得较高的喷射混凝土强度[4]；砂石粒级组成选择不合适，会对湿喷混凝土工艺产生严重影响，合理的粒级组成，不仅可增加骨料与水泥浆的黏结面积，而且容易拌和均匀[5]；减水剂可以改善塑性状态下混凝土的和易性和凝聚性，有利于混凝土料浆的泵送[6-7]。根据金川镍矿实际情况，借鉴国内外相关经验，决定采用42.5级水泥，水泥用量控制在400 ～ 480 kg /m3范围内，同时基于现场湿喷设备的相关技术参数，设计石子最大粒径在16 mm 以下。

试验用水泥为金川公司生产的P.O42.5R高性能水泥，骨料包括绿豆石和细砂，其中绿豆石的最大粒径为16 mm，细骨料的细度模数为3.05，二者级配曲线如图2。减水剂使用BASF公司生产的Rheoplus 26R型聚羧酸高效减水剂。

1.2 湿喷配合比试验方案设计

开展湿喷配合比室内试验，通过湿喷料浆工作性及湿喷混凝土强度指标对比研究，为现场湿喷工艺提供试验依据。考虑到湿喷混凝土组分较多，为科学合理选择最佳湿喷混凝土配方，选用了正交设计安排配合比试验。采用L16(44)正交表安排试验，正交设计因素包括水泥掺量、水灰比、减水剂和砂石比，各因素试验水平选取见表1[8-10]。

图2 骨料级配曲线Fig.2 Granular composition curves of aggregates

表1 L16(44)因素水平Table 1 L16(44)factors and levels

根据表1，在L16(44)正交表中安排试验方案，见表2。

表2 配合比正交试验方案Table 2 Program of orthogonal testin different mix proportion

1.3 试验方法及过程

按照各湿喷配合比方案配制湿喷料浆，搅拌均匀后测定其塌落度，然后浇注于尺寸为100 mm×100 mm×100 mmm的立方体试模内，常温下养护24 h 后拆模搬运至养护室，养护温度为30 ℃，湿度为95%。试块养护至预定龄期后，应用WES-100液压万能试验机测定湿喷试块7 d和28 d 单轴抗压强度(UCS)。

2 正交试验结果分析

2.1 正交试验结果

各配合比方案下湿喷料浆的塌落度和强度指标见表3。

2.2 各因素对湿喷料浆工作性影响规律分析

根据正交试验结果，可获得湿喷混凝土料浆水灰比、水泥掺量、砂石比和减水剂掺量与塌落度关系曲线(见图3)。

表3 不同配合比湿喷混凝土的塌落度和单轴抗压强度Table 3 Slump and UCS of wet shotcretewith different mix proportions

图3 湿喷料浆塌落度与各因素的关系Fig.3 Relationships between factors and slump of wet shotcrete slurry

根据图3，可得出：

(1)总体来看，塌落度与试验设计范围内的水灰比、水泥掺量、砂石比和减水剂掺量有明显的关系特性，影响最大的因素为水灰比，其余依次为水泥掺量、砂石比和减水剂掺量，塌落度变化幅度分别为100、45、37和29 mm，可见这些因素的选取对湿喷混凝土的工作性具有重要影响。

(2)湿喷料浆水灰比每提高0.01，塌落度提高10 mm左右，且在试验范围内持续提高，二者关系曲线几乎成直线；水泥掺量在420～460 kg/m3范围内每增加10 kg/m3，塌落度增大12 mm左右，且塌落度提高率逐渐降低，超过460 kg/m3后，随着水泥掺量的增加，塌落度提高很小；随着砂石比的增加，湿喷料浆塌落度先提高后降低；减水剂每提高0.1%，湿喷料浆塌落度增大约8 mm，且随着减水剂掺量的增加，增大幅度升高。

(3)湿喷料浆的塌落度可以较为准确地反映料浆工作性与水灰比、水泥掺量、砂石比和减水剂掺量之间的关系，要保证湿喷料浆塌落度大于150 mm，其水灰比应大于0.44、水泥掺量应大于430 kg/m3、砂石比应在2～4。

2.3 各因素对湿喷混凝土强度影响规律分析

湿喷混凝土强度与湿喷料浆水泥掺量、水灰比、砂石比和减水剂的关系见图4。

图4 各因素与湿喷混凝土单轴抗压强度的关系Fig.4 Relationships between factors and UCS of wet shotcrete

(1)从图4(a)可见：水泥掺量是影响湿喷混凝土强度的关键因素，随着水泥掺量的增加，湿喷混凝土7 d强度和28 d强度增加。当湿喷料浆的水泥掺量从420 kg/m3增加至480 kg/m3时，湿喷混凝土7 d强度和28 d强度分别提高32.2%和34.3%。可见提高水泥掺量是提高混凝土强度的最有效方法。

(2)从图4(b)可见：当湿喷料浆的水灰比从0.42增加至0.52时，湿喷混凝土7 d和28 d强度分别降低15.1%和15.7%。可见在保证工作性的前提下，通过降低水灰比可以有效提高湿喷混凝土强度。

(3)从图4(c)可见：湿喷混凝土强度与矿石比呈凸形关系。当砂石比在1.5～2.3时，随着砂石比的增大，混凝土的强度提高，超过这个范围后，随着细砂含量的增大，混凝土强度反而降低。这是因为当粗骨料含量偏大时，容易出现泌水和离析现象，导致强度降低；细骨料含量偏大时，其比表面积增大，需要的水泥浆增多，导致包裹骨料的浆液层变薄，从而降低了混凝土强度。

(4)从图4(d)可见：相对于其他3个因素，减水剂掺量对湿喷混凝土强度的影响较小，在配合比一定时，当减水剂掺量从0.65%增加到1.1%时，湿喷混凝土7 d和28 d强度有细微下降，但是减水剂可以通过降低水灰比来提高混凝土强度。

2.4 配合比经济性分析

湿喷混凝土中水泥掺量对成本影响显著，为从经济性的角度分析湿喷混凝土强度和水泥成本的关系，达到湿喷混凝土高强度低成本或者同样的成本使湿喷混凝土达到更高强度的目的，引入单位价值强度系数(V)的概念对水泥类型进行优选，它表示单位价值的水泥所对应的强度大小，其计算式如下：

(1)

式中,UCS为湿喷混凝土单轴抗压强度，MPa；L为单方混凝土水泥掺入量，kg；P为水泥单价，元/kg。矿山公司所用42.5#水泥的价格为0.36元/kg，可得7 d、28 d单位价值强度系数V和水泥掺量的关系,表4为各配合比湿喷混凝土中水泥的单位价值强度系数。

表4 不同配合比湿喷混凝土的V值

Table 4 V values of wet shotcrete withdifferent mix proportion MPa/元

注：V7表示7 d单位价值强度系数，V28表示28 d单位价值强度系数。

由表4可见：

(1)在水泥掺量为420～480 kg/m3，随着水泥掺量的增加，7 d和28 d单位价值强度系数都呈上升趋势，可见在试验范围内水泥掺量越高，单位价值强度系数越高，经济性越好。

(2)水泥掺量从420 kg/m3增长到440 kg/m3时，7 d和28 d单位价值强度系数增幅较大，分别为8.4%和9.4%，从440 kg/m3增长到460 kg/m3增幅较小，分别为1.3%和0.3%。

2.5 推荐的最佳配合比

根据金川地下矿山不良岩体巷道的具体状况，需要满足湿喷混凝土28 d强度达到30 MPa的要求，且料浆要具有良好的工作性。水泥掺量达到440 kg/m3时，能满足C30要求，具有良好的工作性能，且具有较高的经济性，再提高水泥掺量势必会增加成本；要保证料浆工作性良好，试验结果表明水灰比不能小于0.45，尽量选取较小水灰比有利于湿喷混凝土强度的提高，选取水灰比为0.45；砂石比在2～3，湿喷混凝土具有较高的强度，所以砂石比2～3为合理级配，其中砂石比为7∶3时料浆的工作性最佳，因此确定砂石比为2.33；提高减水剂掺量可明显提高料浆的工作性，并可通过降低水灰比来提高混凝土强度，因此减水剂的掺量选取1%。表5为室内试验推荐的最佳配合比。

表5 推荐的最佳配合比Table 5 The optimum mix proportion

注：其中砂石比为7∶3。

3 现场应用

3.1 湿喷混凝土工艺

湿喷混凝土工艺可分为湿喷料地表制备、喷射料运输、井下喷射3个环节。

(1)湿喷料地表制备。砂石由安装在储料仓下的电子秤准确计量后通过皮带运送到搅拌室，水泥由水泥仓通过螺旋给料机添加控制，水和减水剂采用计量泵直接加入搅拌槽，然后用搅拌机搅拌均匀。

(2)湿喷料运输。地表制备好的湿喷料浆需要在保持其稳定性的前提下运输至井下湿喷工作面。金川镍矿采用适用于井下作业的喷浆罐车(如图5)进行运输，运输过程混凝土罐不断旋转对混凝土进行搅拌，使混凝土不会在运输过程中发生沉淀、离析，保持良好的流变特性。

(3)井下喷射。矿山目前采用普茨迈斯特SPM4210喷浆台车进行湿喷支护，如图6。喷射过程中采用遥控式机械手臂进行喷浆，喷嘴可进行360°旋转，最大喷射量可达20 m3/h，见图7。

图5 湿喷混凝土输送罐车Fig.5 Delivery tanker of wet shotcrete

图6 SPM4210湿喷台车Fig.6 SPM4210 Jumbo

图7 遥控喷浆机械臂Fig.7 Remote control arm of wet shotcrete

3.2 配合比管理

湿喷混凝土配合比的设计与浇筑混凝土基本相同，但是经过湿喷机喷嘴添加速凝剂喷出后，再经回弹，达到工作面的混凝土的配合比与搅拌站料浆的配合比有一定的差别，目前对于附着配合比尚无较精确的控制及反演方法[11]。因此，附着配合比管理较困难，对于湿喷混凝土一般采取控制搅拌站配合比的管理办法和控制现场的回弹率来管理配合比。表6为现场测量回弹率的结果。

表6 喷浆回弹率测试结果Table 6 The result of rebound rate of wet shotcrete

由测量结果可知，2次回弹率的平均值为7%，湿喷混凝土附着配合比得到了较好的控制。

3.3 养 护

干燥收缩将引起湿喷混凝土开裂，在一定程度上影响其抗渗性和耐久性[12]。干燥收缩的影响因素有混凝土的水灰比、水泥的成分和用量、水泥的水化程度、细掺料和外加剂以及集料的品种和用量等，事实上，湿喷混凝土的水胶比很低，未水化的水泥颗粒多，对干燥收缩有抑制作用。为控制衬砌表面的干燥收缩，加强了对湿喷混凝土养护，喷射后1 h 开始喷水养护，每隔4 h 喷1次水，连续养护不少于14 d。

3.4 应用效果

经过现场应用，湿喷混凝土28 d强度达到30 MPa，较之前的干喷混凝土不到20 MPa提高50%以上，湿喷混凝土的回弹率小于10%，远远小于干喷混凝土大于30%的回弹率，喷层裂纹较干喷明显减少，巷道返修率大大降低，具有较高的综合效益。

4 结 论

(1)通过室内正交试验，研究不同物料掺量对湿喷混凝土工作性的影响规律，结果表明：对湿喷混凝土工作性影响最大的因素为水灰比，其次为水泥掺量、砂石比和减水剂掺量，要保证湿喷料浆塌落度大于150 mm，其水灰比应大于0.44、水泥掺量应大于430 kg/m3、砂石比应控制在2～4。

(2)通过室内正交试验，研究不同物料掺量对湿喷混凝土力学特性的影响规律，结果表明：水泥掺量是影响湿喷混凝土强度的关键因素，在满足工作性的前提下降低水灰比可以有效提高湿喷混凝土强度，合理骨料级配能获得较好的强度。

(3)引入单位价值强度系数V对不同水泥掺量的湿喷混凝土的经济性进行对比分析，结果表明：水泥掺量在420～480 kg/m3时，随着水泥掺量的增加，单位价值强度系数升高。

(4)为满足工程要求的湿喷混凝土强度达到C30的要求，正交试验推荐水泥掺量为440 kg/m3、水灰比为0.45、砂石比为7∶3，减水剂添加量为1%。

(5)通过在金川镍矿的应用，取得了较好的支护效果和较高的综合效益。

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(责任编辑 徐志宏)

Mix Optimization of Mechanized Wet Shotcrete in High-stress Fractured Nickel Mine

Yao Song1Han Bin1Wu Aixiang1Wang Yiming1Guo Junqiang2He Jianyuan3

(1.KeyLaboratoryofHigh-EfficientMiningandSafetyofMetalMine，MinistryofEducation，Beijing100083，China;2.MineEngineeringCorporation，JinchuanGroupLtd.，Jinchang737100，China;3.LongshouMine，JinchuanGroupLtd.，Jinchang737100，China))

For solving the problems of poor supporting effect，high repair rate of the traditional dry shotcrete-rockbolt-mesh support in Jinchuan nickel mine，which is fractured and under high geo-pressure，the wet shotcrete technology is adopted to make the situation better.The effects of water-cement ratio，cement，water reducer and sand-coarse aggregate ratio(fine mung bean stone mass ratio)on workability and mechanical properties of wet shotcrete are studied in mix proportion experiment by using orthogonal design.The results show the effect sequence as following：water-cement ratio> cement dosage > sand-coarse aggregate ratio> water reducer dosage.And，water-cement ratio greater than 0.44，cement dosage greater than 430 kg/m3，a 2～4 sand-coarse aggregate ratio are necessary to acquire a slurry with a slump greater than 150 mm.Cement dosage is the biggest influence on the mechanical properties of wet shotcrete，followed by water-cement ratio and water reducer in sequence.The relationship curve between sand-coarse aggregate ratio and strength of wet shotcrete is a convex curve.The economical efficiency of wet shotcrete with different cement dosages is researched by introducing the concept of the coefficient of strength per unit costV.Finally，the optimum mix proportion is determined.The application of the wet shotcrete achieves good effect and higher comprehensive economic benefit.

High-stress fractured nickel mine，Wet shotcrete，Mix optimization，Economical efficiency

2015-08-04

“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2012BAB08B02)，新世纪优秀人才支持计划项目(编号：NECT-07-0070)，国家自然科学基金项目(编号：50774011)，教育部长江学者和创新团队发展计划项目(编号：IRT0950)。

姚 松(1990—)，男，硕士研究生。通讯作者 韩 斌(1969—)，男，副教授，博士。

TD353

A

1001-1250(2015)-11-027-06