礦進補償收縮鋼纖維混凝土性能試驗研究與工程應(yīng)用.pdf

1、噴射混凝土技術(shù)，是目前地下工程支護中最有效的支護方式之一，它不僅可以作為初期支護確保巷道施工過程中的安全，也可以與其它支護構(gòu)件聯(lián)合或單獨地作為結(jié)構(gòu)物的永久支護，維護結(jié)構(gòu)物的長期穩(wěn)定和安全使用。但噴射普通混凝土存在早期收縮大、脆性大和韌性差、抗?jié)B阻裂效果不好等缺點。這些缺點將可能造成巷道支護結(jié)構(gòu)的破壞，降低巷道的使用壽命，同時也對煤礦運營產(chǎn)生嚴重的安全隱患。如何提高支護材料的力學性能和抗?jié)B防裂性能，增強支護體的變形能力和使用壽命是今后支護

2、材料的發(fā)展方向。
　　 結(jié)合煤礦巷道支護現(xiàn)狀，應(yīng)用材料復合技術(shù)，配制出噴射補償收縮鋼纖維混凝土這一新型支護材料。通過理論分析、試驗研究、數(shù)值分析和現(xiàn)場應(yīng)用相結(jié)合的方法對噴射補償收縮鋼纖維混凝土進行系統(tǒng)研究。主要研究工作及成果如下：
　　 (1)從研究水泥、膨脹劑和速凝劑的成份以及作用機理入手，采用四種不同種類的膨脹劑與速凝劑、水泥進行水化反應(yīng)，結(jié)合電鏡掃描試驗和X衍射試驗分析水化反應(yīng)產(chǎn)物的生成、晶體結(jié)構(gòu)和礦物形貌等。試驗

3、結(jié)果對比得出，CSA膨脹劑、速凝劑和硅酸鹽水泥水化3d時，鈣礬石晶體的衍射峰值較大，鈣礬石生成數(shù)量較多，表明三者之間有較好的適應(yīng)性，同時有利于噴射混凝土早強的要求。
　　 (2)結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)試驗和錨桿噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)范要求，采用CSA膨脹劑進行混凝土基本力學性能試驗。結(jié)果表明，隨著膨脹劑摻量的增加，混凝土強度變化比較明顯，當膨脹劑摻量為8％時，表現(xiàn)出較好的力學特性；隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的力學性能有所提高，鋼纖維摻量在

4、1.0％～1.2％時，混凝土的抗壓強度基本不變，抗拉強度增長趨勢緩慢；當鋼纖維體積摻量為1.0％和膨脹劑摻量為8％時，補償收縮鋼纖維混凝土達到最佳力學效果，顯示出鋼纖維和膨脹劑的復合增強效應(yīng)。
　　 (3)對補償收縮鋼纖維混凝土進行抗?jié)B和抗裂試驗，分析比較普通混凝土和補償收縮鋼纖維混凝土開裂情況，得出補償收縮鋼纖維混凝土的防開裂效果最好，限裂效能等級達到一級，同時對比普通混凝土與補償收縮鋼纖維混凝土的抗?jié)B性能，試驗結(jié)果表明，素混

5、凝土的最大平均滲水高度為11.5cm，補償收縮鋼纖維混凝土最大平均滲水高度為4.2cm，比素混凝土減小了63.5％，顯示出補償收縮鋼纖維混凝土抗?jié)B能力明顯優(yōu)于素混凝土。
　　 (4)限制膨脹率是補償收縮混凝土的一個重要指標，通過限制膨脹率測試，得出隨著膨脹劑摻量的增加，混凝土早期變形較大；主要膨脹變形量集中在7d-14d之間，膨脹劑摻量為6％時，14d的膨脹變形為0.00017，膨脹劑摻量為10％時，14d的膨脹變形達到0.00

6、028；同時得出有無鋼纖維混凝土的限制變形隨著齡期變化規(guī)律基本相同，14d時，膨脹劑摻量為10％時，混凝土的變形為0.00025，表明鋼纖維的摻入限制了混凝土的膨脹，降低了各齡期的膨脹變形。
　　 (5)根據(jù)相似理論建立模型的相似準則，采用素混凝土、鋼纖維混凝土、補償收縮混凝土和補償收縮鋼纖維混凝土四種材料進行巷道支護結(jié)構(gòu)的模型試驗，分析不同材料對支護結(jié)構(gòu)承載力的影響、支護結(jié)構(gòu)在圍壓作用下的破壞形狀和極限承載力，以及試件破壞時，

7、支護結(jié)構(gòu)的裂縫分布和開展形式。試驗結(jié)果表明，補償收縮鋼纖維混凝土支護結(jié)構(gòu)初裂荷載和極限承載力比普通混凝土提高了146％和72％，試件破壞呈現(xiàn)延性破壞。
　　 (6)對噴射補償收縮鋼纖維混凝土支護結(jié)構(gòu)在工作過程中與圍巖相互作用的力學原理進行了系統(tǒng)的闡述。采用薄殼理論對噴射混凝土支護結(jié)構(gòu)進行簡化計算，推導出該薄殼體的解析解。
　　 (7)采用數(shù)值計算軟件對噴射補償收縮鋼纖維混凝土支護結(jié)構(gòu)進行有限元分析，分析支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力場和位

8、移場的分布情況；同時考慮圍巖作用下對錨噴支護進行平面和三維有限元分析，得出圍巖-支護結(jié)構(gòu)體系下圍巖的應(yīng)力場、位移場、塑性區(qū)以及支護內(nèi)力的分布規(guī)律；三維有限元分析主要探討巷道開挖對圍巖穩(wěn)定性的影響，以及支護結(jié)構(gòu)的受力特征。
　　 (8)以朱集煤礦-965水平軌道大巷為依托工程，按照錨網(wǎng)噴支護原理和技術(shù)要求，采用噴射補償收縮鋼纖維混凝土對巷道支護進行現(xiàn)場應(yīng)用，通過現(xiàn)場測試，分析噴射補償收縮鋼纖維混凝土力學性能以及鋼纖維分布特性，監(jiān)測