方树林
(1.煤炭科学研究总院，北京 100013；
2.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；
3.煤炭资源高效开采与 洁净利用国家重点实验室，北京 100013；
4.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)
喷射混凝土技术20世纪早期在英美等国家已经开始试用[1]，40年代即开始进行系统研究和试验，50年代已经在金属矿山、煤矿、水利水电、土木工程以及地下支护结构中广泛应用。矿井喷射混凝土是指用喷射机将混凝土混合物高速喷射到巷道岩壁上，待其凝结硬化产生强度特性后达到支护围岩的作用。它与普通混凝土支护最大的区别在于不需要模板，而是直接使用喷射机将混凝土喷向受喷岩面[2]，在一定条件下具有技术先进、经济合理、安全可靠、速度快、成本低、质量好、适用范围广等一系列显著特点[3]。矿井实际生产中，喷射混凝土技术可在不同围岩、不同规模、不同用途的井下巷道中，做临时支护、永久支护、结构补强以及冒落修复等应用[4-10]。
近年来，随着实际应用领域的不断扩大，对喷射混凝土基本力学性能的试验方法、强度指标的确定和影响因素的分析等相关方面的研究也不断深入，形成了诸多试验成果。高喜才等[11]制备了4种龄期混凝土试件，采用扫描电镜观测其微观形貌，并进行单轴压缩力学特性测试，分析了混凝土损伤累积过程中连续超声波参数变化规律。王嘉旋等[12-13]分别研究了高性能纤维喷射混凝土和矸石基喷射混凝土的力学性能。张戈[14]详细研究了配合比参数、矿物掺合料、聚乙烯醇纤维、速凝剂掺量等因素对掺入无碱速凝剂喷射混凝土性能的影响规律，提出了高性能喷射混凝土组成设计方法。王家滨等[15-16]分别考虑水胶比、粉煤灰和钢纤维影响，研究了喷射混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度经时变化规律以及渗透性、耐久性特点，并建立了相应的预测模型。文献[17]基于轴拉法力学原理，设计了一种拉拔填有混凝土和锚杆或锚索的套筒的方法，简捷地实现了对二者黏结强度的测试。李培涛[18]研究了20～50 ℃的不同温度环境下喷射混凝土进行物理性能和强度特性、抗压破坏本构关系模型、粘结性能和耐久性。丁莎[19]围绕微观性能、力学性能、渗透性3个方面，通过试验研究了喷射混凝土不同配合比对其微观结构和宏观性能的影响。汪在芹等[20]采用自行设计的室内湿喷混凝土性能检测方法，开展了喷射混凝土的力学、抗裂及施工性能试验研究。
由上可见，单轴抗压强度是衡量喷射混凝土性能的一个重要指标，目前对喷射混凝土抗压强度的试验研究多来自实验室，很少来自煤矿井下现场。实验室无法真实还原混凝土的喷射工艺和养护环境，而煤矿井下特殊的地质环境，如埋藏深、地压大、煤尘多、有淋水、湿度大，一定程度上影响了喷射混凝土强度的变化规律。因此，本文以内蒙古某矿井底车场锚喷支护巷道工程为依托，采用“喷射大板法”，在井下现场将施工用的喷射混凝土制成标准试块，开展不同龄期条件下的单轴压缩试验，测定煤矿真实环境下的喷射混凝土强度参数。
内蒙古某矿目前正处于基建时期，回风立井井筒现已竣工，正在施工井底车场。此次试验即选取风井马头门及东西两翼总回风大巷作为试验对象，其巷道布置如图1所示。试验巷道平均埋深约600 m，温度19 ℃左右，湿度98%左右，设计沿3-1煤层顶板掘进。3-1煤层位于延安组第二岩段顶部，煤层倾角1°～5°，平均厚度2.91 m。煤层顶板主要为砂质泥岩和粉砂岩，底板主要为砂质泥岩。
图1 试验巷道布置Fig.1 Layout of test roadway
试验巷道断面呈半圆拱形，墙高1.80 m，拱高2.85 m，掘进断面23.0 m2。巷道支护方案为“锚网索喷”，巷道开挖后第一步先喷厚约50 mm的混凝土，及时封闭表面围岩，然后采用直径22 mm、长度2 400 mm的锚杆支护浅部围岩，并附加钢筋网护表，同时采用直径22 mm、长度4 300 mm的锚索支护深部围岩，最后复喷150 mm左右厚度的混凝土至巷道成型，喷射混凝土强度等级C25。试验巷道支护形式如图2所示。
图2 试验巷道支护设计断面Fig.2 Cross section of test roadway supporting design
(1)喷射混凝土原材料及配合比。水泥采用P.O.42.5(32.5 MPa)普通硅酸盐水泥；
砂子采用坚硬的中、粗砂，粒径0.5～2.0 mm，含水率控制在5%～7%，含泥量不大于3%；
石子采用坚硬耐久的卵石或碎石，粒径不应大于15 mm；
水采用pH值大于4、SO42-的含量低于1%的生活用自来水；
采用BR-S5型速凝剂，掺量为水泥质量的2.5%～4.0%。喷射混凝土配置按照水泥∶砂子∶石子∶水∶速凝剂=1.00∶1.76∶2.16∶0.43∶0.05，称重偏差为水泥2%、砂子3%、石子3%、速凝剂1%。
(2)喷射工艺。巷道掘出后先初喷混凝土及时封闭围岩，然后进行锚网索支护，考虑到施工工艺衔接，又能尽快封闭围岩，确定喷射混凝土滞后锚网索支护的距离不超过20 m。根据相关作业规程[21]和技术措施[22]，喷射混凝土设备选用气动湿喷机，供气压力应保持在0.12～0.18 MPa的低气压范围，可降低骨料回弹；
喷头处水压应比气压高0.1 MPa左右，保证水流充分湿润混凝土混合料；
水灰比控制在0.4～0.5，初喷时可适当减少石子掺量；
喷头方向：当喷头喷射方向与受喷面垂直，并略向刚喷射的部位倾斜时，回弹量最小。除喷巷帮侧墙下部时，喷头的喷射角度可下俯10°～15°外，其他部位喷射巷道顶部时，要求喷头的喷射基本上垂直于顶部围岩受喷面，喷距450～600 mm；
喷射巷道帮部时，喷头的喷射角度下俯不超过10°，喷距300～500 mm；
喷射厚度，初喷30～50 mm，复喷150～170 mm，总厚度200 mm。
为了反映喷射混凝土的真实强度，了解现场试验和实验室试验的区别，故在煤矿井下施工现场进行喷射混凝土抗压强度测试。根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范(GB 50086—2015)》[22]，喷射混凝土试块现场取样采用“喷射大板法”，即在井下将混凝土拌合物喷制成大板，然后将其切割成标准立方体试块，分别在井下和地面实验室2种环境中养护试块。
具体步骤和要求：①在地面预制好长450 mm、宽350 mm、高120 mm的木试模，其中一小边为敞开状；
②将试模带到井下试验巷道取样点，使其与底板呈80°夹角(敞开边朝下)斜立于墙脚，放置牢靠；
③将喷射机喷头对准试模，自下而上逐层喷射混凝土，喷满后，用抹刀将混凝土表面刮平，移至养护点。
方案1：井下现场环境养护(温度19 ℃、湿度98%)，分早期和后期2种龄期，早期分6、12、18和24 h四个时间段，后期直接养护至28 d。
方案2：将喷满混凝土的试模升井至地面，置于实验室养护箱标准条件养护(温度20±2 ℃、湿度95%±1%)，直接养护至28 d。
以上2种方案的混凝土养护至规定时间后脱模，对脱模后形成的混凝土大板用切割机切割成100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，立方体试块的允许偏差为：边长不大于±1 mm，直角不大于2°，最后用SYE-2000型压力试验机对试块进行抗压强度试验。
喷射大板法制成的标准试块如图3所示。
图3 “喷射大板法”现场制作混凝土试块Fig.3 "Shotcrete large plate method" for making concrete test blocks on site
混凝土试块单轴压缩加载设备采用SYE-2000型压力试验机，其主要技术参数：最大试验力2 000 kN；
测力分度值：①0～60 kN，0.2 kN/小格；
②0～150 kN，0.5kN/小格；
③0～300 kN，1.0 kN/小格；
示值精度±1%；
活塞最大行程150 mm；
活塞上升速度0～50 mm/min；
圆试样夹持范围为(φ5～φ32)mm；
主机的外形尺寸为820 mm×550 mm×1 960 mm；
测力机外形尺寸1 200 mm×750 mm×1 800 mm。扁试样夹持范围为0～25 mm；
拉伸夹头间最大距离(包括活塞行程) 为700 mm；
上下压力板间最大距离(包括活塞行程)为700 mm；
主机质量约1 800 kg，测力机质量约500 kg。
试验前，将立方体试块表面擦拭干净，然后把试块置于试验机下压板正中间，保证二者中心垂直对准，开动试验机，使上压板与试块接触，调节压力机油门保持连续均匀加压，加压速度控制在0.3～0.5 MPa/s，当试块开始急剧变形、接近破坏时，停止试验机油门，直至试块完成破坏，记录此时试验机油表读数，即为试块的破坏荷载。据破坏荷载，按照式(1)计算抗压强度：
(1)
式中，fcc为混凝土立方体试块抗压强度；
F为试块破坏载荷；
A为试块承压面积。
值得注意的是，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T 50081—2002)》[23]规定，当采用非标准试件(标准试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm)进行试验时，最终测得的强度值应乘以相应的尺寸换算系数。试验采用的试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，对应的换算系数为0.95。
试验过程如图4所示。
图4 喷射混凝土抗压强度试验过程Fig.4 Test process of compressive strength of shotcrete
4.1 24 h抗压强度
井下实际应用中，经常要求混凝土强度越早发挥作用越好，这样就能达到及时支护围岩的效果，因此较高的混凝土早期强度对支护意义重大。以6 h为单位，分别测出6、12、18和24 h混凝土的抗压强度，见表1。
表1 喷射混凝土24 h早期抗压强度试验结果Tab.1 24 hours early compressive strength test results of shotcrete
运用最小二乘法对表1中的数据进行处理后，得到喷射混凝土的24 h抗压强度随时间变化曲线，如图5所示。
图5 喷射混凝土24 h早期抗压强度变化曲线Fig.5 Change curve of the 24 hours early compressive strength of shotcrete
对曲线进行回归分析，得到喷射混凝土早期抗压强度与时间的关系为[24]：
fcc=0.19e0.13t,0≤t≤24 h
(2)
式中，fcc为喷射混凝土抗压强度；
t为混凝土喷射完成小时数。
(1)喷射混凝土24 h抗压强度随时间呈指数式增长规律，前期增长缓慢、后期增长迅速，这与水泥水化速度和速凝剂凝结时间有关。
(2)24 h强度的最终值为3.68 MPa，占设计强度的18.4%，说明喷射混凝土能及早、及时支护围岩，这对控制巷道变形、维持巷道安全有重要作用。
4.2 28 d抗压强度
立方体28 d抗压强度是混凝土强度指标的判定标准。试验对井下现场采用“喷射大板法”制成的标准立方体试块，分井下和实验室2种环境养护至28 d后，测出的抗压强度见表2。
(1)所有试验的8批混凝土试样测试强度均达到设计要求，即C25等级，且数据离散性不大，最大强度为28.2 MPa，最小强度为25.2 MPa，平均为26.6 MPa。
(2)同一批次的混凝土试样，实验室标准条件养护下测试的强度均比井下现场条件养护下测试的强度要大，其中东翼井底车场和回风大巷试样标养强度比现养强度分别大0.5 MPa和0.2 MPa，西翼井底车场和回风大巷试样标养强度比现养强度分别大0.9 MPa和0.3 MPa，前者比后者增大0.8%～3.3%，平均增幅1.8%，原因与井下温度低、湿度大有关，这说明实验室标养条件下测试的结果比真实值偏大。
表2 喷射混凝土28 d抗压强度试验结果Tab.2 28 days compressive strength test results of shotcrete
(3)与室内实验结果相比，现场测试结果更接近真实值，其原因是室内实验无法真实模拟混凝土的喷射工艺和养护环境，所以采用“喷射大板法”现场制作混凝土并在井下环境中养护，是获得喷射混凝土真实强度的正确途径之一。
为真实还原煤矿巷道喷射混凝土的施工工艺和养护环境，通过采用“喷射大板法”在井下现场将施工用的喷射混凝土制成标准试块并在井下环境中养护，开展不同龄期条件下的单轴压缩试验，测定煤矿真实环境下的喷射混凝土强度参数。
(1)喷射混凝土24 h早期抗压强度随时间呈指数式增长规律，前期增长缓慢、后期增长迅速，24 h强度终值为3.68 MPa，占设计强度的18.4%，说明喷射混凝土能及早、及时支护围岩，这对控制巷道早期变形、维持巷道安全有重要作用。
(2)现场试验测得的喷射混凝土28 d抗压强度数据离散性小，抗压强度25.2～28.2 MPa，平均26.6 MPa，是设计强度的106.4%。
(3)现场测试得到的喷射混凝土抗压强度与实验室测试结果存在0.8%～3.3%的差异，后者偏大，前者更接近真实值，所以采用“喷射大板法”现场制作混凝土并在井下环境中养护，是获得喷射混凝土真实强度的正确途径之一。
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