喷浆支护原理及质量影响因素浅析

喷浆支护原理及质量影响因素浅析

王兆阳 易明军 董江应

贵州盘江精煤股份有限公司火烧铺矿 贵州 盘州 553539

摘要：喷浆作为一种辅助支护手段在煤矿井下广泛运用，其对巷道支护保持巷道稳定有着十分重要的作用。介绍了喷浆对巷道支护的作用原理，探讨了影响喷浆支护的影响因素，结合当前的喷浆经验提出了合理建议，为保障煤矿喷浆质量提供一定的指导。

关键词：喷浆支护原理；喷浆质量；影响因素

喷浆技术上世纪60年代在我国煤炭系统率先引进应用，随着技术的日益成熟，由于其简便快捷的特点，广泛应用于煤矿井巷、边坡、隧道、地铁、涵洞等工程中，已成为地下工程围岩支护系统中的重要环节。根据喷射工艺的不同主要分为干喷、湿喷2种^[1]。干喷混凝土由于成本低、工艺简单等，在我国广泛使用，但干喷混凝土也一直存在粉尘大、回弹率高、强度低等缺点。相比于干喷混凝土，湿喷混凝土粉尘小、回弹率低、强度、均质性和支护效果均有较高提升，但存在配套设备大，不易开展作业及对喷射机械要求高等缺点。无论干喷还是湿喷，其对巷道支护的原理均是相同的，同时影响其喷射质量的因素也是大同小异。首先分析喷浆队巷道的支护原理，根据其支护原理结合矿井喷浆工艺，探讨影响喷浆质量的因素，给出合理的建议，以期保证巷道的长期稳定。

1 喷浆支护原理

喷浆支护是将水泥、骨料、速凝剂按设定比例混合搅拌均匀，在压风作用下经喷射机沿输料管压送至喷头，在喷头处与高压水混合形成束料，以较高的速度撞击围岩表面，在后续束料的撞击下，围岩被浆层覆盖、封闭；在速凝剂作用下，浆料在较短时间内快速凝固，及时向围岩提供一定的支护力。喷浆对巷道的支护作用可从力学和非力学效应两个方面分析。

1.1封闭围岩，改善围岩条件

井下巷道开挖后，巷道面往往形成大小不一的裂隙，若不对裂隙进行及时封闭，空气和水会沿着裂隙侵入岩体深部，在水和空气作用下，岩体发生物理、化学反应，其力学性能弱化，承载能力降低，从而可能导致巷道长期变形。另一方面，岩壁长期暴露在空气中，裂隙内的胶结物质逐渐脱落，在应力作用下岩体间裂隙相互连接、贯通，使得部分岩体被分割成独立存在的块体，造成岩块冒落，特别在围岩裂隙较发育的巷道尤为明显。因此，对围岩进行喷浆施工作业时，浆料高速地冲击围岩表面进而逐渐渗入岩体裂隙中，对裂隙进行充填，随着浆料的凝固，将破碎的岩块粘结起来，岩体的完整性得到改善，增加其自承能力，避免或缓解围岩出现应力集中，导致围岩松动；随着喷层厚度的增加，喷层将围岩完全覆盖、封闭，避免了空气和水对围岩的侵蚀作用，从而保证巷道的长期稳定。

1.2改变围岩受力状态

巷道的开挖打破围岩的初始应力状态，使围岩的应力状态发生改变，巷道周围的应力重新分布，表现为侧向压力降低、垂向压力增高，围岩所受偏应力快速增加。在偏应力作用下，必然导致一定范围内的围岩失稳破坏，应力峰值向巷道深部转移。围岩破裂失稳后，仍具有承载能力且围岩的残余强度与支护的大小有关。喷浆后浆料的快速凝固，能给予一定的支护力，使得围岩面由二维应力状态向三维应力状态转变。喷浆支护依靠浆层与接触围岩面的附着力和抗剪力，即围岩层面以剪切应力的形式传递浆层，浆层表现为轴力压缩随围岩一起变形。浆层作为一种柔性材料，其能与围岩的变形相协调，随着围岩的变形将给予更大的围岩反作用力，改善围岩的应力状态，增强围岩的自承能力。

2 影响喷浆质量的因素

2.1喷浆厚度

巷道支护仍然会经历变形，这就要求喷层除了满足对围岩的支护作用外，还应具有一定的柔性，以适应后期巷道变形。与岩石一样，混凝土具有优越的抗压性能，但其抗拉强度仅为抗压强度的十分之一。喷浆作为巷道支护的辅助性手段，其往往配合锚杆或U型棚对巷道进行联合支护，其并不承担主要的支护作用，相比于支护作用其封闭围岩，改善围岩条件的作用在维持巷道稳定性上更加重要。合理的喷浆厚度既能充分封闭围岩，改善围岩条件，又具有一定的柔性，与围岩一起协调变形。厚度过薄，喷层不足以完全覆盖围岩，对围岩进行封闭。喷层过厚，其刚性增强，抗弯拉性能降低；在一定变形条件下，喷层将发生开裂、脱落，对围岩的封闭性降低，反而不利于巷道的维护，且耽误施工进度，浪费材料，在经济上也不合理。因此，对巷道支护而言，并不是喷浆厚度越厚其支护效果越好。根据大多数矿井的喷浆经验，目前普遍喷浆厚度为100mm，将锚杆、U型棚等覆盖不外露，使其不受侵蚀，以保证主体支护系统的稳定。

此外，为了改善喷浆后其抗弯强度低的缺点，在隧道工程采用在喷浆时加设双层钢筋网或钢格栅拱架，从而形成钢筋混凝土结构。与单纯的喷浆层相比，形成的钢筋混凝土结构不仅拥有良好的抗压性能，其更兼具优越的抗弯拉性能，能更好地适应巷道在应力作用下的变形，使得围岩在大变形条件下浆层不产生开裂。因此，钢筋混凝土的喷浆支护方法也是煤矿喷浆支护发展一个值得借鉴的地方。

2.2主体支护效果

巷道开挖后，巷道周围的应力会重新分布，在一定范围内形成应力集中区，在不采取支护的情况下，受外部扰动或长时间受集中应力的作用，处于应力集中区的围岩亦会破裂变形其承载能力降低，从而应力进一步调整向深部转移，因此应力转移一个是持续进行的过程，表现为巷道随时间的持续变形。对巷道进行及时支护，能够有效控制围岩破裂损伤区的范围及其破裂损伤的程度，避免应力的进一步调整转移，对围岩的造成进一步的损伤，这便是支护对控制围岩变形的主要作用。使用联合支护时，巷道的主体支护效果好坏直接影响喷浆的质量。因此，首先应保证主体支护设计合理，能有效限制巷道不发生大的变形而保证喷层的稳定。所以在安装锚杆、锚索或U型棚时应按照设计要求进行施工，并且在喷浆作业前应检查锚杆、锚索托盘必须紧贴岩面，螺帽是否松动，锚固力和预紧力矩达到要求，U型棚卡缆螺丝是否松动等，避免主体支护强度不够而影响喷浆的效果。

2.3施工工艺

(1)原材料和配比。喷浆支护所需的原材料主要包括水泥、速凝剂、集料、水等。①水泥。在进行水泥的选择时，不仅要考虑其是否满足工程需求，还需要考虑其与速凝剂之间的相容性和围岩所处环境的影响；选择水泥应优先采用速凝、快硬及后期强度高的硅酸盐水泥，对含地下水或含可溶性硫酸盐较高的围岩进行喷浆时则需要考虑使用抗硫酸盐类水泥。②集料。合理的粒级搭配对喷浆工艺具有十分重要的影响。集料粒径过小，会使得浆料凝固后干缩，喷浆强度达不到要求；集料粒径过大，则会堵塞输料管，同时回弹量也较大。所以适宜选择细模度数大于2.5的中粗砂和粒径为5~15mm的坚硬碎石。③配比。喷浆前应进行多次配比试验，确定合适的配比方案，保证喷浆质量与效果。

(2)围岩附着性。浆层与围岩拥有良好的附着性才能充分发挥浆层的力学性能。在巷道变形时，浆层与围岩一起协调变形，不至于由于其附着性不足而使围岩与浆层发生离层，导致浆层对围岩的支护作用失效。因此在喷浆前应首先对作业面进行冲洗，使喷面受潮，将表面粉尘冲洗干净同时对岩面上松动的矸石进行清理，为喷浆作业创造条件，保证喷浆效果。对于浆层与围岩附着性差的地段，可以采用在混凝土加入钢纤维，提高浆层与围岩粘结能力，同时也增强浆层的抗弯拉性。

(3)风压。喷浆是以压风为动力将搅拌的混合料沿输送管压送至喷头，所以风压的大小对于喷浆质量的影响不可忽视。风压过小会导致喷射的浆料动力不足，喷浆强度低且会造成输送管堵塞；风压过大则会导致浆料喷出时分离，喷浆效果差且骨料回弹大。在喷浆作业中，一般将风压控制在0.12~0.18MPa较为合理^[2]，同时应根据送料距离的变化及时调整风压，保证风压处于合理适度的范围。

(4)分层喷射。巷道变形是一个持续的过程，对于围岩不稳定、巷道变形较大的地段应采用分层喷射。分层喷射可以先进行一次初喷等到巷道释放一部分变形后再进行复喷，从而避免巷道变形大导致浆层破坏，亦能避免一次喷射厚度大而未达到初凝使得浆料下坠与围岩面形成空壳。采用分层喷射应注意掌握好喷射的时间间隔，间隔时间段短会对初次喷射的喷层产生影响，间隔时间长会导致复喷时集料回弹大。一般复喷时间应以大于2小时、小于24小时为宜，且复喷时应对初喷层进行洒水湿润。

(5)喷浆作业与后期养护。喷浆时应保证水灰比为0.4~0.45^[3]，按先帮后顶，先凹后凸的顺序进行喷浆，喷头成螺旋状运动，喷头与喷射面垂直，并保持0.8-1.2m距离，这样喷浆的效果最为理想。作业人员应根据出料量的变化及时调整水量，保证喷出的浆料不流淌，附着力强，回弹少。待浆料终凝2h后，还应对浆层进行洒水养护，保证其有适宜的硬化条件。

3 结语

喷浆作为巷道支护的一种支护手段，对维持巷道长期稳定性具有重要作用。应根据巷道的实际环境选择合适的原料和配比，制定合理施工规范与流程，设置适宜的施工参数，才能保证喷浆质量合格，最大程度矿井提升经济效益。

参考文献

1. 李飞. 喷浆质量影响因素分析及其控制措施分析[J].世界有色金属, 2020(08):222-223.

2. 乔志英. 锚喷支护中合理喷层厚度的探讨[J].山西煤炭, 2009, 29(04):25-27.

3. 刘峰, 宋飞飞. 影响湿法喷浆质量的因素研究[J].混凝土, 2011(07):134-135