新型隔热混凝土喷层支护技术研究与应用.pdf
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1、第 3 4卷 第 1 期 2 0 1 7年 1月 长 江科学 院 院 报 J o u r n a l o f Ya n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c Re s e a r c h I n s t i t u t e V0 1 34 No 1 J a n 2 0 1 7 doi : 1 0 1 1 988 c ky y b 2 01 50 8 99 新型隔热混凝土喷层支护技术研究与应用 姚韦靖 。 庞建勇 ( 安徽理工大学 土木建筑学院, 安徽 淮南2 3 2 0 0 1 ) 摘要 : 针对 当前矿井热害 问题 , 对深井热源进行了 阐述 , 从 喷射
2、支 护材料角 度 出发 , 选取 陶粒 、 玻化微 珠 、 粉 煤灰 作为隔热材料 , 通过正交试验 的方法 , 研制 出一种新型 隔热混凝 土 ; 由功效 系数法得 出最佳掺 量配 比 , 在保 证混凝 土力学性能的前提下, 提高了保温隔热性能, 其导热系数仅为普通混凝土的 1 8 。结合淮南矿区巷道锚喷支护工 程, 进行了回弹损失、 围岩压力、 混凝土应力和围岩收敛的现场试验。现场监测结果表明, 该种隔热混凝土材料不 仅隔热效果明显, 而且工作性能完全符合井下喷射混凝土的施工需要 , 有利于井下作业人员的安全和身心健康 , 具 有 良好的推广和使用价值。 关键 词 : 喷射混凝土 ; 保温
3、 隔热 ; 正交试验 ; 锚 喷支 护技术 ; 工程应用 中图分类号 : T U 4 5 文献标志码 : A 文章编 号 : 1 0 0 1 - 5 4 8 5 ( 2 0 1 7 ) 0 1 0 1 2 4 0 5 1 研究背景 目前 , 喷射混凝土广泛应用于煤矿巷道锚喷支护 工程中, 但随着开采深度 日益增加, 地温呈线性增长 趋势 , 严重的高温热害, 不仅影响矿山的开采效率 , 也 严重威胁作业人员的生命安全。有关统计表明: 工作 面风温超过标准 1 , 工作效率降低 7 1 0 , 同时, 风温在 3 0 3 7 c c以上的工作面 , 较 3 0以下的工作 面的事故率增加1 5 2
4、 3 倍 。 而 目前 , 常用的井下降温方法为机械制冷方式 , 主要是人工引入冷介质 , 如地面 、 地下降温系统、 空 气冷却器 、 人工制冷降温技术等 。本 文从 支护 材料角度出发 , 通过正交试验 , 研制 出一种新型隔热 混凝土材料 , 其既具有保温隔热效果 , 又具有 良好的 力学性能 ; 将其应用于煤矿巷道锚喷支护当中, 目的 在于限制围岩热量 向巷道内传播 , 再辅 以通风降温 等机械制冷方式 , 将热量排 出, 是一种治本 的主动降 温措施 。该保温隔热材料已经 申请国家发明专利。 2 材料特性与作用机理 2 1 深 井热 源分 析 矿井高温热害的产生是由于各种热源 向井巷
5、散 热的缘故 , 包括井巷围岩散热、 空气 自压缩热 、 机 电 设备散热 、 运输中的矿物和岩石放热 , 以及人员散热 等 。其 中, 围岩传热 占据主要影响 , 围岩通过传 导的方式从岩体本身传到整个深部巷道中去, 也可 作用于地下水 , 通过对流传递热量。这样 , 井下空气 利用上述 2种方式获取热量 , 热量源源不断地从巷 道 围岩深处 向表 面传递 , 致使温度升高。围岩传热 为最直接和主要的井下热源 , 占总热源 比重的 4 8 左右 。为此 , 有必要从 喷层材料人手 , 研制一种 隔热混凝土材料 , 应用于井下喷层支护 , 用以阻止嗣 岩热量向巷道内传播。 2 2 隔热材料的选
6、取 ( 1 )页岩陶粒: 页岩陶粒细观结构如图 1 ( a ) 所 示 , 是由泥质岩石 、 黏土 、 粉煤灰 、 煤矸石为主要原材 料 , 经过加工煅烧而制成的具有一定颗粒级配的陶质 物 , 其内部有封闭的微孔结构 , 外部是一层致密的釉 壳包裹 , 呈球状。具有孑 L 隙率高、 筒压强度高 、 保温隔 热 、 耐火性好 、 抗震及耐久性好的特性 。 ( 2 )玻化微珠 : 玻化微珠如 图 1 ( b ) 所示 , 是 一 种非金属轻质保温绝热颗粒材料 , 呈颗粒粉末状 , 以 火山岩矿石中的松脂岩为原材料 , 经开采后 , 破碎 、 筛分 、 高温瞬时燃烧膨胀玻化而成 。具有理化性 能稳定
7、、 轻质、 导热 系数低、 隔热防火 、 耐高低温、 抗 老化 、 吸水率小等优 良特性。 收稿 日期 : 2 0 1 5 - 1 0 - 2 6 : 修 回日期 : 2 0 1 5 -1 1 1 2 基金项目: 国家安全生产监督管理总局 安全生产重大事故 防治关键技术 科技项 目( a n h u i 一 0 0 0 3 2 0 1 6 A Q) ; 安徽 省高校 自然科学重 大项 目 ( K J 2 0 1 5 Z D 2 0 ) 作者简介 : 姚韦靖 ( 1 9 9 0 一 ) , 男 , 安徽 芜湖人 , 博士研究生 , 研究方 向为岩土工程 , ( 电话) 1 8 2 5 5 4 1
8、 5 0 6 8 ( 电子信箱 ) y a o w e ij i n g 0 7 1 3 1 6 3 C O Il l 。 通讯作者 : 庞建勇 ( 1 9 6 4 一 ), 男 , 河北保定人 , 教授 , 博士生导师 , 博士 , 从事矿 山岩体力学 与支 护方面的教学与研究工作 , ( 电话 ) 1 3 8 5 5 4 8 8 5 2 8 ( 电子信箱 ) p m g j y o n g 1 6 3 c o rn。 第 1 期 姚韦靖 等 新型隔热混凝土喷层支护技术研究与应用 ( a ) 贝 嚣 陶 椒 ( b )玻 化 微 珠 图 1 页岩陶粒和玻化微珠细观 图 F i g 1 S h
9、 a l e c e r a mi s i t e a n d g l a z e d h o l l o w b e a d 2 3隔热材 料作 用机 理概 述 利用 陶粒 、 玻化微珠较石子、 砂子导热系数和重 度低 的优点( 性能对 比见表 1 ) , 将其掺入混凝土中 代替石砂 , 有助于混凝土材料内部形成多孔结构 , 使 热量不仅在骨料中传播 , 还在空隙中传播 , 空隙中的 空气本身即为良好的隔热材料 ( 导热系数仅为0 0 2 3 W ( mK) ) , 这 样 , 既增 加 丫热 量传 递 时的损 失 量 , 还延长 了热量传递 的路径 , 间接延缓 了传递 速 度 , 使得混
10、凝土材料的导热系数降低 , 增强了其保温 隔热性能 。但是 , F 于石砂骨料掺量 的减 少, 混 凝土的强度必将 下降。本文通过试验 的方法 , 得到 一 种合理掺量配比, 研制一种既具有 良好 的保温隔 热效果 , 又能满足喷射混凝土强度需要 的新型隔热 混 凝土 材料 。 表 1 材料导热 系数和密度 Ta bl e 1 The r ma l c o nduc t i v i t y c oe ffi c i e nt an d de ns i t y o f t h e ma t e r i al 3 隔热混凝土 的配制及试件制作 3 1 材料的选择 ( 1 )水泥 : 采 淮南某厂生
11、产的 P 0 4 2 5 级普 通硅酸盐水泥 ; 石子 : 采用淮南本地产 的瓜子片 , 由 于应 j 于喷射混凝土 , 故控制粒径为 5 1 0 mm; 砂 子 : 采 用淮南本地 的河砂 , 其细度模数 为2 8 , 含泥 量 3 M P a , 粒径为 5 1 5 1 1 1 11 1 , 在材料中作为粗骨料代替瓜子片。 ( 4 )玻化微珠 : 采用河南信阳某 厂生产的玻化 微珠 , 密度为 8 0 k g m , 吸水率为 1 0 , 在材料 中以 占混凝土的体积 比掺入 , 以代替砂子。 ( 5 )聚丙烯纤维 : 研究表 明, 加入 聚丙烯纤维 , 能够有效提高混凝土的抗拉 、 抗裂
12、性能 , 使其延性和 韧性都得到大幅度提高 1 2 - 1 3 , 采用 山东泰安某 厂生 产的单丝束状聚丙烯纤维 , 长度为 1 2 m i l l 。 ( 6 )外加剂 : 减水剂 , 采用苏州某厂生产的聚羧 酸减水剂 ; 早强剂 , 采用淮南产的氯盐类早强剂。 3 2配合比设计 以矿井喷射混凝土为基础 , 根据试验多次试配 和现场工程实践经验 , 确定喷射混凝 土的配合 比为 水泥 : 石子 : 砂子 : 水 =1: 1 8 4:1 8 4: 0 4 5 。聚 丙烯纤维掺量为0 9 k g m , 减水剂和早 强剂掺量分 别占水泥质量 的 1 和 2 。混凝 土配 合 比保持不 变, 改
13、变页岩陶粒 、 玻化微珠和粉煤灰掺量作为控制 变量。陶粒取代石子用量 : 2 0 , 4 0 , 6 0 ; 玻化微 珠 占混凝土体积 比: 6 0 , 1 0 0 , 1 4 0 ; 粉煤灰取代 水泥用量 : 1 0 , 2 0 , 3 0 , 具体 表 2 。 表 2 掺量 取值 Ta bl e 2 Do s a g e c ont en t s 3 3 试 验 过程 及结 果 采用 正 交 试 验, 设 计 了 2 7组 试 验 ( 具 体 表 3 ) , 对材料 2 8 d的 导热系数 、 抗压 、 抗拉 、 抗折强 度作 了测试 。试验时, 由于玻化微珠质轻 , 且极易飘 散, 试验
14、前均先进行 了过水处理 。将水泥 、 石子 、 砂 子和页岩陶粒先搅拌 2 mi n , 待搅拌均 匀后 , 加入水 和玻化微珠搅拌 2 m i n , 静置 2 4 h , 等试块有一定强 度后即可拆模 , 拆模后立即放入标准养护窀 , 期间定 期洒水养护 , 并用湿布覆盖试块保持湿润 , 养护 2 8 d 后进行力学性能测试 , 其结果见表 3 。 从表 3可 知, 试 件 的导 热 系 数介 于 0 1 7 8 4 0 2 5 3 3 W ( K m) , 比普通混 凝土的 导热系数 1 7 4 W ( Km) 小得 多, 而抗压、 抗拉 、 抗折强度分别介 于l 7 3 - 3 1 6
15、 , 1 1 2 1 9 7 , 1 4 3 3 1 8 MP a , 强度也 下降 明显。有必要通过功效系数法分析, 选 最佳掺量。 3 4功效 系数分析 功效系数分析数据见表 4 。 1 2 6 长 江科学 院院报 2 0 1 7年 0 2 5 3 1 0 2 5 3 3 0 2 4 9 8 0 2 1 2 0 0 2 1 2 3 O 2 1 2 5 0 2 0 5 0 0 2 0 9 3 0 2 0 3 6 0 2 O 7 8 02 08 2 02 O 7 5 0 2 0 4 1 0 2 0 4 3 0 2 0 5 2 O 1 9 3 2 0 1 9 2 0 0 1 9 3 5 0 2
16、0 4 2 0 2 1 3 1 O 2 1 3 9 0 1 78 9 0 1 7 8 4 O 1 8 O 1 0 1 8 4 2 0 1 8 3 7 O 1 8 3 9 31 6 28 3 2 7 2 2 8 1 3 0 2 7 6 2 5 1 2 34 2 2 3 2 6 7 2 5 馏 2 39 2 8 1 2 7 3 2 6 7 2 2 2 21 3 1 9 5 2 7- 3 2 6 5 2 5 1 2 0 5 1 8 1 1 7 3 21 1 2 0 3 l 8 4 1 _ 8 6 1 7 5 1 6 8 1 9 O 1 9 7 1 _ 8 2 1 61 1 4 2 1 31 1 7
17、3 1 6 2 1 5 4 1 51 1 4 5 1 4 4 1 4 3 1 3 3 1 2 3 1 6 8 1 6 2 1 5 6 1 3 5 1 2】 1 1 2 1 3 2 1 2 2 1 1 4 2 5 2 2 5 0 2 3 2 2 9 8 3 1 8 2 _ 8 9 2 7 5 2 71 2 6 9 3 1 8 3 1 6 3 0 4 2 9 9 2 5 6 2 _ 3 9 2 1 0 1 9 5 1 7 6 2 5 8 2 _ 3l 2 O 8 1 8 3 1 5 2 1 4 5 1 7 2 1 6 1 1 4 3 0 7 0 5 0 7 0 4 O 7 1 4 0 8 4 2
18、0 8 4 0 0 8 4 0 0 8 7 0 0 8 5 2 0 8 7 6 0 8 5 9 0 8 5 7 O 8 6 ( ) 0 8 7 4 0 8 7 3 0 8 7 0 0 9 2 3 0 9 2 9 0 9 2 2 0 8 7 4 0 8 3 7 0 8 3 4 0 9 9 7 1 0 0 0 0 9 91 0 9 6 9 0 9 71 0 9 7 0 1 0 0 0 0 8 9 6 0 8 6 1 0 8 8 9 09 7 5 0 8 7 3 079 4 07 41 07 0 6 0 8 4 5 0 81 6 07 5 6 0 8 8 9 0 8 6 4 0 8 4 5 0 7
19、0 3 0 6 7 4 061 7 08 6 4 0 8 3 9 0 7 9 4 0 6 4 9 0 5 7 3 0 5 4 7 0 6 6 8 0 6 4 2 0 5 8 2 0 9 4 _4 0 8 5 3 0 8 5 3 0 9 6 4 1 0 0 0 0 9 2 4 0 馏 l 7 O 7 2l 0 6 6 5 0 8 7 8 0 8 2 2 0 7 8 2 0 7 6 6 0 7 3 6 O 7 31 0 7 2 6 0 6 7 5 0 6 2 4 0 8 5 3 0 8 2 2 0 7 9 2 0 6 8 5 O 6 1 4 0 5 6 9 0 6 7 0 0 6 1 9 0 5
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- 新型 隔热 混凝土 支护 技术研究 应用
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