噴射混凝土技術(shù)在礦山盲豎井工程中的應(yīng)用

摘　要:陜西鉛硐山鉛鋅礦采用噴射混凝土支護盲豎井獲得成功,可供同類型工程借鑒。闡述了工程的可行性,介紹了工程質(zhì)量控制等方面的施工經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞:噴射混凝土;盲豎井;支護;質(zhì)量控制;配合比

　　噴射混凝土作為一種成熟的施工技術(shù),多年來在礦山平巷、隧道工程和建筑基坑支護中已得到普遍應(yīng)用,但在豎井井壁支護方面,目前使用的尚不多見。陜西鉛硐山鉛鋅礦盲豎井工程原設(shè)計采用300mm厚素混凝土整體澆灌支護,后改為150 mm厚噴射混凝土支護(馬頭門除外) 。實踐表明,這一變更十分成功,不僅加快了工程建設(shè)步伐,降低了工程造價,還提高了工程質(zhì)量。時至今日,該井投入使用已將近10年,未發(fā)現(xiàn)任何不良跡象。該工程作為噴射混凝土支護盲豎井在我國的一個成功應(yīng)用,為同類型礦山建設(shè)提供了不可多得的有益經(jīng)驗。

1　工程概況

　　鉛硐山鉛鋅礦系高山礦床,地下開采,采用平硐溜井- 盲豎井聯(lián)合開拓方式,于1994年12月28日開工建設(shè),要求24個月建成。其中盲豎井全長286m,凈徑4 m。在1580, 1530, 1480, 1430, 1380, 1330m標高處有6對馬頭門。井塔頂部設(shè)有天輪硐室,井底設(shè)有水窩。該井在礦山投產(chǎn)后,主要用于提升人員、材料、設(shè)備及廢石,并敷設(shè)風、水、電管線,供井下生產(chǎn)使用。雖然該井施工的技術(shù)難度不算太大,但由于穿越多個中段,需要協(xié)調(diào)的工序較多,施工組織十分復雜。實踐中采用分階段吊罐法自下而上反掘;自上而下刷大成井的施工方案。

　　礦區(qū)以鉛硐山背斜構(gòu)造為基本格局,礦體上盤圍巖為碳質(zhì)千枚巖加薄層灰?guī)r,下盤圍巖為生物微晶灰?guī)r。盲豎井布置于礦體下盤灰?guī)r中,巖體質(zhì)量好,壁面硅化粗糙,無大的地質(zhì)構(gòu)造, f = 8～12。

2　噴射混凝土支護盲豎井的可行性

2. 1　可行性

　　與被動受壓的現(xiàn)澆混凝土支護相比,噴射混凝土支護能主動承壓,將混凝土和圍巖有機的結(jié)合在一起共同作用,充分發(fā)揮圍巖本身的能力。同時,在高速度噴射的沖擊下,使混凝土得到強烈的搗固和振實,而且噴射混凝土工藝又可使用較小的水灰比,使得噴射混凝土具有較高的物理力學性能,從而具有以下優(yōu)點。

　　(1) 噴射混凝土與圍巖緊密結(jié)合,形成一個共同作用體,在圍巖較好的情況下,其承載能力比噴射混凝土本身要大的多。這種良好的粘結(jié)力對井下支護是十分重要的,因為井下支護有賴于混凝土與圍巖的相互作用。

　　(2) 噴射混凝土與圍巖緊密結(jié)合,形成一層密閉而致密的保護層,隔絕了水和空氣與巖層的接觸,防止巖層風化,阻止節(jié)理、裂隙間充填料的流失。

　　(3) 噴射混凝土嵌入巖層張開的節(jié)理、裂隙和不平整處,把被切割、分離的圍巖固結(jié)成一個整體。同時,由于噴后圍巖輪廓表面比較平整,有利于圍巖周邊應(yīng)力更好的釋放。

　　(4) 噴射混凝土本身有較高強度,能阻止小塊松石冒落。因而認為,采用噴射混凝土支護盲豎井井壁是一種可行的施工方法。但是,在討論某工程能否采用噴射混凝土支護時,還必須考慮其地質(zhì)情況。因為,噴射混凝土支護在使用上也其局限性,當?shù)叵聨r層有下列諸種情況之一時,不宜采用這種支護形式。

　　(1) 涌水量大,淋水嚴重;

　　(2) 巖石破碎,節(jié)理十分發(fā)育,穩(wěn)定性較差;

　　(3) 圍巖中含有蛋白石、活性二氧化硅等能與噴射混凝土中的堿性摻和料發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)。鉛硐山鉛鋅礦盲豎井地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單,小井反掘貫通后,整個地質(zhì)特性已揭露:灰?guī)r,無大的構(gòu)造,f = 8 ～12 ,整體性和穩(wěn)定性均好;淋水量極少;圍巖中不含蛋白石和活性二氧化硅;巖壁硅化粗糙,能與混凝土很好結(jié)合。綜上所述,鉛硐山鉛鋅礦盲豎井采用噴射混凝土技術(shù)支護井壁是完全可行的。

2. 2　必要性

　　采用噴射混凝土支護盲豎井可縮短工期,從而滿足建設(shè)要求。鉛硐山鉛鋅礦當年由中國有色金屬工業(yè)總公司和陜西省聯(lián)合投資建設(shè),實行業(yè)主負責制,采用國企改革初期“誰貸款,誰還款”的新模式。

　　根據(jù)當時國際、國內(nèi)鉛鋅市場行情及投資貸款利息,經(jīng)設(shè)計院和礦方有關(guān)人員測算,工程每提前1個月完成,企業(yè)可多獲利至少500萬元。建設(shè)工期及工程效益在這里尤顯突出。而制約鉛硐山鉛鋅礦建設(shè)的關(guān)鍵因素與其他礦山相同,依然是井巷工程。

　　根據(jù)井巷工程施工總體計劃,通過計算分析得出總工期27個月。其中1330 m中段平巷施工和盲豎井施工在整個井巷工程中至關(guān)重要。在眾多工序當中,由于受交叉作業(yè)及井下工作面狹窄等因素的影響,縮短工期十分困難, 1330 m中段平巷施工耗時11個月,但作為要穿越多個破碎帶的1100 m長的獨頭掘進平巷而言, 11個月的工期已經(jīng)接近極限速度,唯一可大幅度調(diào)整的只有盲豎井的支護時間。原設(shè)計盲豎井整體澆灌混凝土需耗時7個月。如果采用噴射混凝土支護井壁,按每班平均作業(yè)10 m計算,并考慮銜接時間及彈性因素, 286 m的盲豎井井筒僅需20多天即可噴完,再加上馬頭門澆灌混凝土時間,盲豎井支護可在3～4個月內(nèi)完成。同時,可使總工期縮短到23～24個月,完全能達到要求兩年建成鉛硐山礦的總目標。

2. 3　盲豎井支護工程造價比較

　　(1) 噴射混凝土的支護厚度較整體澆灌薄,從而減少了掘進工程量。

　　(2) 噴射混凝土省去了模板,并節(jié)約了35%以上的混凝土材料和勞動力。

　　(3) 噴射混凝土減少了大量的井下輔助性工作,也可直接降低工程造價。表1反映出兩種支護方法對陜西鉛硐山鉛鋅礦盲豎井造價情況的影響。由表1可知,噴射混凝土支護鉛硐山鉛鋅礦盲支井比澆灌混凝土可節(jié)約投資31萬元,降低造價33%。綜上所述,鉛鋅礦盲豎井采用噴射混凝土方法支護,不但技術(shù)上完全可行,而且從各方面考慮也是十分必要的。經(jīng)蘭州有色設(shè)計院、陜西鉛硐山礦、鑫城監(jiān)理公司及施工單位聯(lián)合專家小組反復論證,決定變更原始設(shè)計,除馬頭門外,豎井全段采用噴射混凝土支護。

3　工程質(zhì)量控制

　　與其他先進施工技術(shù)相同,當充分條件和必要條件具備之后,該技術(shù)能否成功運用,關(guān)鍵在于工程質(zhì)量控制。如工程質(zhì)量得不到保證,噴射混凝土技術(shù)的先進性將蕩然無存。

　　首先,噴射混凝土要求掘進開挖工序達到較高的光面爆破水準。如開挖后光爆效果不理想,將會在一定程度上擾動圍巖,從而增加荷載,同時還易造成局部位置應(yīng)力集中。另外,巖面過于凹凸不平,勢必增大噴射混凝土回彈量,導致混凝土中的粗骨料流失過多,降低混凝土強度。

　　其次,是厚度問題。噴射混凝土不能像普通混凝土那樣表面上整齊劃一,噴射時要求操作手根據(jù)巖石具體情況進行適當調(diào)整。由于巖石表面凹凸不平,難免會使凹進去的地方噴的厚,凸出來的地方噴的薄。而凹進去的地方噴的過厚并不增加承載力。相反,一旦凸出來的地方噴的過薄,不但會降低載荷能力,這些地方的噴層還可能脫落,從而破壞其整體性。因此,就噴射混凝土而言,厚度控制極為重要。

　　第三,在強度方面,噴射混凝土與普通混凝土有著不同的特性,不但受材料質(zhì)量、拌和程度及配合比等因素的影響,還與回彈量的大小有關(guān)。如回彈量大,粗骨料大量彈出,噴射混凝土會變成弱化的含砂薄層結(jié)構(gòu),從而降低強度。

　　控制噴射混凝土施工質(zhì)量,必須切實把握好各個環(huán)節(jié)。鑒于此,該工程在具體實施前,由礦方、設(shè)計院、監(jiān)理公司及施工單位組成聯(lián)合小組,本著從嚴要求的精神,經(jīng)過反復探討,制定出了詳細周密的分步實施計劃。

　　(1) 施工單位先拿出行之可靠的施工技術(shù)方案。方案中包括光面爆破、厚度控制、強度保證及回彈控制等保證工程質(zhì)量的手段、方法和措施。經(jīng)審定后按有關(guān)要求進行準備。

　　(2) 在井筒刷大時,根據(jù)圍巖具體特征,通過控制鉆孔質(zhì)量,合理選用爆破參數(shù)和起爆順序,同時采用多鉆孔、小藥卷等各項措施,提高光面爆破效果,并確保該分項工程達到優(yōu)良標準。

　　(3) 先試噴30 m平巷,觀察實際施工水平,然后試噴10 m豎井,再觀察。同時,分別取3組試塊做耐壓試驗,并連續(xù)測定施工中的回彈量,以考核實際結(jié)果是否符合規(guī)范要求。

　　(4) 埋設(shè)厚度檢查樁,尤其強調(diào)在巖層凸出處埋設(shè)檢查樁,有效控制噴層厚度。

　　(5) 監(jiān)理公司調(diào)整工作重點,由原來的事前要求,事后檢查的靜態(tài)管理方法,改變?yōu)槿^程監(jiān)控的動態(tài)管理模式,施工時增加旁站時間和人數(shù),進行全方位全時段監(jiān)察、管理。

　　通過采取上述措施,噴射混凝土工作在初期階段取得了令人滿意的結(jié)果。隨后,聯(lián)合小組決定先噴井筒上部100 m段,確認工程質(zhì)量優(yōu)良后,再噴下部。施工中,各單位緊密協(xié)作,嚴把質(zhì)量關(guān),從材料供應(yīng)開始,對每個工序,每個環(huán)節(jié)都力爭做到精益求精,尤其是關(guān)鍵環(huán)節(jié),如噴射操作、混凝土攪拌及材料供應(yīng)等,更是從嚴要求,認真執(zhí)行規(guī)范。

　　在厚度控制方面,本次施工,在強化管理下,施工單位克服了作業(yè)環(huán)境差的困難,合理地加密了厚度檢查樁的埋設(shè),有效地保證了噴層厚度。通過對所有檢查樁逐個檢查,整個盲豎井噴射混凝土厚度,不論凸處及凹處均達到了設(shè)計和規(guī)范的要求。

　　強度方面,本著從嚴要求的精神,施工單位通過反復進行配合比試驗,將設(shè)計給定的混凝土標號由C20提高到C23,確保施工結(jié)果100%滿足設(shè)計強度要求。23組試塊的檢測結(jié)果表明,所有試塊強度均超過設(shè)計要求,且數(shù)值穩(wěn)定,其中達到C20～C23強度等級的試塊有9塊,其它14塊試樣的強度等級均在C23以上。以C23為強度標準,根據(jù)GBJ107 - 87規(guī)定的混凝土強度檢驗評定方法:

mfcu - λ1 Sfcu ≥ 0. 9 fcu, k

fcu, min ≥λ2 fcu, k

　　式中:mfcu ———強度平均值,本例結(jié)果為23. 1MPa;

　　　　fcu, k ———強度標準值,本例為23MPa;

　　　　fcu, min ———強度最小值,本例為20. 8MPa;

　　　　λ1 ,λ2 ———合格判定系數(shù),本例取值分別為1. 65及0. 85;

　　　　Sfcu ———強度值標準差,本例計算結(jié)果為0. 63。

　　兩種條件均同時滿足,說明該盲豎井噴射混凝土在強度方面不但完全達到了,而且超過了設(shè)計和規(guī)范要求。

　　綜上所述,鉛硐山鉛鋅礦盲豎井噴射混凝土支護在質(zhì)量控制方面十分成功。經(jīng)中國有色金屬工業(yè)質(zhì)量監(jiān)督站評定,工程質(zhì)量優(yōu)良。

4　結(jié)論和建議

　　鉛硐山鉛鋅礦于1996 年底順利建成,歷時24個月,開創(chuàng)了在我國兩年建成一個中型礦山的先例(我國同類型中型礦山建設(shè)的定額工期為39 個月) 。這其中噴射混凝土支護盲豎井功不可沒,前后僅用27天即完成,縮短工期3個月,降低造價30多萬元。該工程的實施,為其他具備相應(yīng)條件的礦山進行類似工程的支護提供了借鑒。通過這次工程實踐,得出了許多寶貴經(jīng)驗,建議采用噴射混凝土支護盲豎井井壁時,要注意下列幾個方面的問題。

　　(1) 把好材料供應(yīng)關(guān)。水泥要使用大窯產(chǎn)品,并定期進行復檢,監(jiān)測其穩(wěn)定性。對細石、砂、速凝劑等材料要嚴格把關(guān),定期試驗,確保質(zhì)量合格。

　　(2) 厚度控制。檢查樁是控制噴射層厚度的一個重要手段,它不但可用于檢查,更重要的是,它還可以當作標志。通過檢查樁,噴射手能夠有效地提高用肉眼控制噴層厚度的能力。如果因為作業(yè)環(huán)境差而少埋檢查樁,往往會導致未埋設(shè)地段厚度不夠。因此,合理加密厚度檢查樁是保證噴層厚度的一個重要措施。

　　(3) 回彈問題。噴射混凝土施工規(guī)范( GBJ86- 85)規(guī)定:水泥、砂、石配比宜為1 ∶2 ∶2。然而,本次施工實踐證明該配比并不合適。噴射混凝土的回彈物主要是石子,按上述配比拌和于混合料中的石子,有相當一部分在施工時,彈落下來。本工程在試噴初期曾采用這種配合比,結(jié)果回彈量較大,效果很不理想。通過反復試驗,將配比調(diào)至1 ∶2 ∶1. 5左右。實踐證明,這一調(diào)整非常得當,不但降低了回彈(在10%以下) ,更重要的是保證了混凝土強度。

　　當所使用的砂料為粗砂時,碎石用量可下調(diào)。但并不是說噴射混凝土的最佳配比應(yīng)為1 ∶2 ∶1. 5或1 ∶3 ∶1,因為每個工程所使用的砂、石及水泥品質(zhì)各不同,同一配合比所得到的混凝土強度也就不同。但可以肯定,噴射混凝土的配比應(yīng)根據(jù)實際情況,通過試驗確定。因此,建議修改現(xiàn)行噴射混凝土施工規(guī)范。

(收稿日期: 2006 - 06 - 09)

作者簡介:馬永寧(1962) ,男,現(xiàn)任陜西有色集團經(jīng)濟運行

部副主任。