0引言
近年来，湿喷混凝土技术以其生产效率高、施工过程粉尘及回弹率低、工程质量好等诸多优势，不仅可以作为永久支护，而且也能用于掘进工作面的临时支护等，具有广泛的适应性。在我国水电、水利及地铁等大断面地下工程中已得到较广泛应用。但由于湿喷混凝土工艺流程较复杂、设备及外加剂价格相对较高，目前在我国煤矿巷道支护尚处于起步阶段。课题组在山东省设计产能最大的煤矿－新巨龙煤矿及山西省同煤集团的千万吨级的同忻煤矿开展的湿喷混凝土支护技术进行示范研究，取得了良好应用效果，为应用推广提供了宝贵的现场经验。为适应不同矿井条件，设计了“地面配料+井下搅拌和湿喷”、“地面配料、搅拌+井下湿喷”两种湿喷混凝土模式。研究了湿喷混凝土外加剂性能及配合比定量控制技术，并与干喷混凝土技术进行了技术经济对比分析，为湿喷混凝土技术在类似条件下的煤矿推广应用提供参考借鉴［1－4］。
1双模式湿喷混凝土工艺流程
针对湿喷混凝土工艺流程复杂现状，为简化工艺流程、提高适应性，以新巨龙煤矿、同忻煤矿两种不同矿井开拓形式的工程背景，分别设计了“地面配料+井下搅拌和湿喷”、“地面配料、搅拌+井下湿喷”两种湿喷混凝土模式。
1．1地面配料+井下搅拌和湿喷模式
新巨龙煤矿是立井开拓，湿喷混凝土工艺流程设计总体思路是在地面将砂子、石子按比例配好，然后在井下加水、水泥、减水剂搅拌，最后将搅拌好的混凝土输送到湿喷机进行湿喷作业。根据井下混凝土搅拌方式的不同，先后研制了井下集中式搅拌站，螺旋式定量配水运输车［5］搅拌两种混凝土搅拌装备。1．1．1井下集中式搅拌站搅拌混凝土数个岩巷掘进工作面集中使用一个集中式混凝土搅拌站，采用专门加工的矿用混凝土运输罐车输送拌和料至各个湿喷混凝土地点，同一水平断面较大的数个开拓大巷(一般为岩巷)掘进适合该混凝土搅拌方式。如图1所示，该工艺流程为:石子、砂子→配料机→密闭运输箱→井下集中式搅拌站(加入水泥、水、减水剂)→矿用混凝土运输罐车→MeycoAltera小型湿喷机［6］(喷头处加入液体无碱速凝剂)→湿喷。图2、3分别为地面配料机及井下搅拌站实景。1．1．2螺旋式定量配水输送车搅拌混凝土由于混凝土运输罐车体积较大，牵引受到空间制约。此外，搅拌好的混凝土运至湿喷地点途中，为保证混凝土的稳定性，每立方米混凝土需要添加水化剂3kg，增加成本约67元。为简化流程、降低成本、提高适应性，故设计了双螺旋搅拌输送车，该运输车能够对混凝土的集料进行计量加水均匀搅拌，并将搅拌好的混凝土输送至湿喷机料斗。解决了煤矿中小巷道湿喷作业中实现搅拌、上料机械化的难题，能够推进湿喷混凝土技术在煤矿狭小施工地点(如准备巷道)的广泛应用。因此，在井巷内无法实施机械化搅拌作业，或者地面搅拌与井下喷射无法有机结合的矿山井巷湿喷混凝土作业以及大型机械不能进行的施工现场，均可以选用该种模式。其工艺流程如图4所示。
1．2地面配料、搅拌+井下湿喷模式
同忻煤矿为斜井(胶轮车运输)开拓，湿喷混凝土工艺流程设计思路为在地面将水泥、砂、石子、减水剂、水化剂加水搅拌好，然后用搅拌运输罐车运至井下，直接向湿喷机供料。如图5所示，地面配料、搅拌+井下湿喷模式流程为:石子、砂子→配料机→提升斗(加入水泥)→地面搅拌机(加入水、减水剂、水化剂)→搅拌运输罐车［7］→MeycoAltera小型喷涂机(喷头处加入液体无碱速凝剂)→湿喷。混凝土搅拌运输罐车在地面盛装混凝土前，首先通过配料机进行配料，将砂、石和水泥按一定比例称重后放到装砂料斗、装石料斗和装水泥料斗中，砂、石和水泥从装砂料斗、装石料斗和装水泥料斗的出料口漏出，通过输送带被运送到提升料斗中，提升料斗沿着提升轨道被提升到地面搅拌站的搅拌槽进料口处，接着提升料斗将混凝土自卸到搅拌槽中，在搅拌槽中实现对混凝土的搅拌。图6为搅拌运输罐车与地面搅拌机连接图。
2外加剂性能及配合比控制技术研究
湿喷混凝土外加剂主要有速凝剂、减水剂及水化剂，在湿喷混凝土施工中具有重要作用。速凝剂的作用是加速水泥水化硬化，使混凝土在很短时间内形成足够的强度，以保证快速支护的要求［8］。湿喷混凝土采用的无碱液体速凝剂与传统的铝酸盐粉状速凝剂性能对比见表1。从表中可以看出，无碱液态速凝剂各项性能均明显优于铝酸盐粉状速凝剂。高效减水剂可降低水灰比，保持混凝土坍落度，使喷射混凝土具有高早强和长期强度。水化剂可使混凝土在3～4h到3d之内保持稳定。此外，水灰比对于喷射混凝土工程质量也尤为重要。因此，根据JC477—2005《喷射混凝土用速凝剂》、JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》研究了水灰比及速凝剂对初凝时间、终凝时间的影响。研究结果见表2。传统的铝酸粉状盐速凝剂、无碱液体速凝剂在不同水灰比下与初、终凝时间的关系如图7。从图6中可以看出，无碱液体速凝剂初、终凝时间明显低于铝酸盐粉状速凝剂。速凝剂初凝、终凝时间随水灰比增大而明显延长，水灰比0．5时初、终凝时间是水灰比0．45时的2倍左右。当水灰比＜0．4时，凝结时间过快，易出现堵管等问题;而当水灰比＞0．5时，凝结时间明显减慢，会导致喷层易剥落、开裂及回弹率增高。因此，水灰比的合理范围为0．45～0．5。通过大量的现场工业试验及试验室试验，确定了以下最优配合比为水泥∶水∶砂子∶石子∶速凝剂∶减水剂∶水化剂为100∶45∶150∶225∶7∶1∶0．8。如果是短距离运输混凝土，则不需要加水化剂。干喷混凝土工艺中水泥、石子、砂子由人工控制加入，随机性大，材料配合比不易控制。水则是在喷头处完全凭工人的经验加入，无法保证水的定量，水灰比极不稳定，造成混凝土匀质性非常差。粉状速凝剂往往是在施工现场直接倒入干料中，然后人工拌和，速凝剂既不能保证定量加入，也无法与干料均匀混合，严重影响了喷射混凝土的性能。此外，由于速凝剂在干料搅拌时添加，因石子、砂子含有水分，速凝剂短时间内吸收水分在未喷射时分解其速凝成分，影响凝结时间，降低了混凝土早期强度。而湿喷混凝土工艺通过机械化配料、搅拌、喷射，实现了各环节的定量配合比。具体定量控制技术如下:(1)地面配料机的两个储料仓下方都配有电子秤装置，保证了砂子、石子的定量加入;(2)选用袋装水泥，每袋25kg，人工定量加入;(3)对于螺旋式定量配水输送车搅拌混凝土，内部有水箱和中空管状螺旋杆，螺旋杆轴上均匀设置有多个出水孔，水箱里的水通过智能控制系统能进行定量添加，从而保证水灰比定量控制;对于地面搅拌机，在搅拌机旁建了一个水仓，并连了一根水管通到搅拌机。拌制混凝土所需的水是由水泵通过节流阀送至喷水管，节流阀可调节水的流量，保证了水的定量加入，水灰比得到定量控制;(4)高效减水剂在搅拌时，利用测量容器定量添加;(5)液态速凝剂通过蠕动泵在喷嘴处定量加入，高压风管在喷头处与输送速凝剂软管相连，并将液态速凝剂雾化，然后再经过环形注入器注入到混凝土中，保证了速凝剂与混凝土充分混合。
3湿喷、干喷混凝土技术经济比较
湿喷、干喷混凝土综合技术经济指标比较见表3。从表中可看出，考虑喷射混凝土回弹率及喷厚等因素，两者成本基本持平;相同水泥、砂子、石子等材料条件下，湿喷混凝土1d抗压强度是干喷混凝土的5～6倍，28d抗压强度提高了45%～75%，能有效保证巷道围岩稳定性，并可减少喷层厚度10%～20%;湿喷混凝土工艺配合比实现了定量控制，提高了混凝土的匀质性，回弹率大幅度降低，有效节约成本;井下空气质量大大改善，有效的保护了施工人员的身体健康;此外，湿喷混凝土工艺生产效率是干喷工艺的3倍以上，加快了施工进度。通混凝土碳化试验的方法试验的，由前期已知海砂海水混凝土需要的养护时间要比普通素混凝土久，在28d后抗压强度还在提升，所以本次海砂海水混凝土碳化后抗压强度作出的结论可能不准确，对于海砂海水混凝土碳化试验的方法还需进一步研究。
4结论
(1)随着海水掺量的增加，即含盐量的增加，混凝土的坍落度近似线性增大，流动性变大，黏聚力变差。(2)随着贝壳掺量的增加，海砂海水混凝土的坍落度都逐渐变小，保水性变差。因此，在配制海砂海水混凝土时，为保证良好的和易性能，应适当增加砂率和拌和水用量，尽量选用贝壳含量较少的海砂作为混凝土原材料。(3)含盐量的增加，对海砂海水混凝土强度影响不大，但是与传统混凝土相比，海砂海水混凝土早期强度有所下降，下降幅度在20%左右，随着龄期的增加，最终海砂海水混凝土强度与传统混凝土强度相当。(4)贝壳含量对混凝土的强度有一定的影响，但不显著，贝壳含量的增加，混凝土抗压强度有减小的趋势。相比较而言，在相同条件下，贝壳含量对混凝土强度等级高的混凝土(如试验中C50海砂海水混凝土)强度影响要明显些，贝壳的存在使得高等级混凝土强度较传统同等级素混凝土强度缩水较大。(5)在利用海砂海水配制混凝土，应延长混凝土养护的时间，保证混凝土达到要求强度，此外，海砂在使用前应过5．0mm筛，筛去5．0mm以上的颗粒。这样可以降低贝壳含量，保证混凝土性能。(6)优选海砂海水混凝土的抗渗性在相同条件下要稍好于普通素混凝土，这主要是由于混凝土中的盐分结晶导致混凝土孔隙变小，混凝土变密实，提高了混凝土的抗渗性能，这对将海砂海水混凝土运用于沿海城市，水利工程的目标无疑是有利的，因此，本试验的结果为海砂海水在工程建设中应用提供了实践依据。(7)在与普通素混凝土3、7、14、28d的碳化深度对比中，优选海砂海水混凝土的抗碳化能力在碳化初期略差于传统混凝土，后期要强于传统混凝土，对此，海砂海水混凝土需要较长养护龄期的原因可能对试验结果影响较大，但根据碳化后期海砂海水混凝土的抗碳化性能依然强于传统混凝土，可以推断，海砂海水混凝土的抗碳化能力要强过传统混凝土，海砂海水混凝土抗碳化的性能不仅阻碍二氧化碳对混凝土的入侵，也会阻碍其他对混凝土有害的离子，物质的入侵，间接的提高了混凝土的耐久性，在后期与FＲP筋不考虑筋的腐蚀情况下结合使用，更能发挥出其性能的优势。
作者：邹成松 成云海 田厚强 王维德 张超超 单位：安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室
