一种用于喷射支护井下巷道的材料及制备方法

本发明涉及一种可用做喷射支护井下巷道的材料及其制备方法，特别 适用于煤矿、冶金、水利和铁路隧道等地下巷道工程的支护。

锚喷支护是一种提高围岩自撑能力的主动支护方法，在经过了多年的 研究、试验和推广应用，现已成为矿山及地下工程巷道的主要支护手段。 而井下喷射混凝土施工是锚喷支护施工中的重要组成部分。目前广泛用于 煤矿井下巷道支护的喷射混凝土原材料除一些外加剂(如速凝剂)外，基 本与普通施工中所使用的材料相同，即水泥、砂、石子或石粉，将它们按 一定比例混合搅拌后送入混凝土喷射机，再利用压缩空气把干或潮的混合 料送至喷嘴处加水后高速喷射到受喷面上。使用这种材料的弊端主要表现 在施工时粉尘和回弹率高，分别达到了100mg／m3和30％，远远超过了国家 规定标准，严重影响了工人的身体健康；此外，其施工成本高，自重大， 且采石破坏生态环境，挖砂损失土地资源等均构成对使用该喷射支护材料 的不利因素。

为了避免上述弊端，本发明的目的在于提供一种具有粉尘浓度小，回 弹量低的，且尤其适用于喷射支护井下巷道的材料以及它的制备方法。

本发明的技术解决方案是：以经过加工筛分后形成粒度均匀的煤矸石 与熟石灰混合作为骨料，配以水泥和速凝剂构成该材料。

所述煤矸石为充分自燃膨胀后形成的具有活性的自燃陶粒，该陶粒的 粒径应≤15mm。熟石灰的重量应≤10％自燃陶粒重量；自燃陶粒与水泥的 配比为2∶1-7∶1；速凝剂是水泥重量的2-6％。

将上述材料按以下步骤制备：

1、由矸石山采料，并加入＜10％煤矸石重量的水进行机械破碎，然后 筛分分类；

2、按比例加入熟石灰，至少提前二天存入井下专用料场以充分潮解；

3、使用时，加入适当比例的水泥和速凝剂进行集中拌料，然后经混 凝土喷射机对巷道实现喷射支护。

与现有技术相比本发明的优点是：

这种以自燃陶粒为骨料的混凝土与传统的喷射混凝土的最大区别在 于，以往的混凝土主要使用的是惰性材料作为其混凝土的骨料，而自燃陶 粒是煤矸石露天堆放、完全自燃后形成的具有活性的物质，具有一定的凝 胶活性。它在混凝土中不但起到骨料的支撑作用，其中一部分矿物参与水 泥的水化反应，起到凝胶的作用，有利于提高混凝土的强度。本发明正是 利用了这种具有活性、且充分自燃的煤矸石所形成的质轻、强度高的新矿 物质-自燃陶粒作为喷射混凝土的骨料，又加入一定比例的熟石灰后，使 其Ca+浓度加大，更增强了活性并促进了反应，且其骨料的和易性好，粘 度大，加之合理的施工工艺，经试验表明可大幅度降低喷射混凝土的施工 成本，提高其喷护的强度，回弹量下降到15％以下，粉尘浓度降至50mg／m3 以下，都分别比原来降低了50％，从根本上解决了喷射混凝土支护中回弹 量大，粉尘浓度高的两大难题。同时，因自燃陶粒具有的较强汲水特性， 还为改善工人的劳动作业环境，减轻劳动强度、降低施工成本，以及减少 工人职业病的发生和提高井下巷道支护的安全可靠性都提供了有利条件。

煤矸石是夹在煤层间的脉石，是煤矿开采中的废弃物，由于排出量大， 占用了大量的土地，也污染了环境。然而随着使用本发明井下巷道喷射混 凝土支护范围的逐渐扩大，其骨料的需要量亦不断增大，这既给煤矸石的 综合利用创造出了新途径，也可大大降低对环境的污染并节约土地资源。

开滦(集团)公司从1997年开始研制并使用本发明新材料、新工艺。 它采用了堆放时间在20年以上，其内部温度高至900℃以上并由内部向外 部自燃的具有一定含炭量和硫分的煤矸石做骨料，加定量水(通常为小于 煤矸石重量的10％即可)，经机械破碎后筛分出≤15mm粒径的自燃陶粒， 再加入重量比为≤10％的熟石灰，装入矿车运至井下，放置在专用料场(最 好有二天以上的时间充分潮解)。待使用时，在拌料过程中加入普通硅酸 盐水泥(其比例是自燃陶粒与水泥之比为2∶1-7∶1)和速凝剂(是水泥 重量的2-6％)，最后经混凝土喷射机实现对巷道的喷射支护。

上述自燃陶粒的主要物理性能是：

湿容重1200-1600kg／m3，    干容重  1100-1500kg／m3，

含水量4-6％，                  比重    2200-2600kg／m3； 其主要化学成份为：

SiO2 50-65％，    Al2O3 12-25％，    Fe2O3 5-10％，

CaO 1-2％，    MgO 1-2％，Loss(烧失量)4-6％。

为了得到更好的支护效果，自燃陶粒还可按粒径再分为细骨料(0- 5mm)和粗骨料(5-15mm)两种，而其颗粒级配最好符合：粗骨料与细骨 料之比为1∶1．3-1∶2．0。

当取自燃陶粒与水泥之比分别为：

3∶1，    4∶1，    5∶1，    6∶1，    7∶1； 则该材料所对应的强度为：(Mpa)

3天 9．5-12．5  9．0-12．0  8．5-11．0  7．5-10．0  6．5-9．0  7天 12．5-16．0  12．0-14．0  11．0-12．5  10．0-11．5  9．0-10．0  28天 21．5-28．5  20．5-26．5  18．5-24．5  17．5-23．0  15．5-20．0

以上数据表明该材料强度是满足或高于设计规范要求的。不仅如此， 该材料的其他技术指标如稠度、凝结时间等也都达到了喷射混凝土支护的 设计要求。

现以本公司唐山矿为实例：过去喷浆使用的是砂石骨料，存在着生产 成本高、施工中回弹量大、粉尘浓度高等问题。1998年9月唐山矿进行了 以自燃陶粒为骨料的喷射混凝土试验，试验地点选在7044总回风道。试 验结果见下表：

以上数据表明，唐山矿在使用自燃陶粒混凝土与原来砂石混凝土在现 场试块与拉拔实测中，7天的抗压强度分别提高1-3．1％和5．4-9．6％；28 天的抗压强度分别降低2．3％和1．8％，但仍能满足(设计14．7Mpa)要求， 并比设计要求分别提高13．6％和11．6％。粉尘中游离SiO2降低55％，呼吸 性粉尘降低44％，总粉尘降低56％，回弹降低50％，喷射效率提高20％。

与传统的喷射混凝土支护相比，由于新材料的制造、运输方便，货源 充足，加之施工的回弹量降低，故每米巷道喷射支护的材料费可节省300 -600元，其施工成本明显降低。

在本发明新材料、新工艺采用后，还提高了喷射支护的效率，节约压 风、水、电及人工费用，可产生的经济效益是原来的22％；减少设备维修 和易耗材料消耗可产生经济效益是原来的20％。

另外，对巷道支护的后期维护，因本发明具有较好吸附性，很少发生 浆体爆裂、脱落等现象，在同等条件下减少后期维护量2％。

综合以上几项分析，一般支护每米巷道可节省资金400-700元，1999 年开滦(集团)公司共计完成井下喷射支护巷道17800m，创造经济效益900 余万元。

从社会效益分析，由于工作场所粉尘浓度的降低，因而改善了作业环 境，降低了工人尘肺病的发病率，对于提高职工的健康水平，延长劳动力 的使用寿命等，其滞后效益无法计算。而这种煤矸石的重新开发利用，既 减少污染，又为本企业职工增加就业提供了机会。

利用本发明的新材料，目前在开滦(集团)公司已经扩展到在井下大 型机电硐室中应用，并用于井下铺轨、注筑和水泥制品的制备中(此时材 料中自燃陶粒的粒度选取应在5-30mm之间)。由于充分自燃的煤矸石在 全国煤矿企业中废弃有数十亿吨，大量的矸石山不仅破坏环境还占用了很 多土地资源，已成为公害，显然能够使它变废为宝并充分利用，必将会创 造出非常可观的经济和社会效益。