喷射混凝土防弹及降尘技术的研究及应用

喷射混凝土防弹及降尘技术的研究及应用
一、项目背景
《喷射混凝土防弹及降尘技术的研究及应用》解决了煤矿喷射混凝土“干喷”回弹及降尘技术的难题，并取得了技术突破。

《喷射混凝土防弹及降尘技术的研究及应用》采用学科交叉，理论研究和实验研究相结合，利用现代分析仪器和检测方法，边应用边改进的研究技术路线。

揭示了喷射混凝土回弹及产尘机理：喷射混凝土喷射物料混合不均匀及粘性低是内因，喷射过程的高速气流及圈吸作用，物料在运动过程中的碰撞及喷射物料与巷道壁面的弹性碰撞是外因。

对喷射物料水泥、外加剂、沙子、石子等物料及矿井水物理化学性质，进行了系统的研究，确定了物料的最优值。

研制出了新型复合喷射混凝土外加剂。

新型复合喷射混凝土外加剂的组分为：速凝物质A；具有高吸水性能物质B；高分子聚合物P。

添加了新型复合外加剂的喷射混凝土粘度好，润湿性优，pH值相对较小，喷射混凝土后期强度大。

改进了喷射混凝土的施工技术。

1、主要技术性能指标：
采用该研究成果，喷射物料的初凝结时间短，喷厚增加，单轴抗压强度高，降尘及减回弹效果显著。

(1）喷射混凝土粉尘全尘浓度降低62.9%，呼尘浓度降低：33.3%。

(2）喷射混凝土的回弹率为7.6%;(GB50056-21《锚杆喷射混凝土支护技术规范》8.5.4喷射混凝土的回弹率边墙不应大于15%，拱部不应大于25%)。

(3）喷射混凝土的喷射混凝土试块28d单轴抗压强度44.524Mpa,喷射混凝土强度的提高了89%。

2、研究成果的主要科技创新：
（1）从本质上揭示了喷射混凝土回弹及产尘机理；
（2）系统的对喷射混凝土物料的物理化学性质进行了研究，并
确定了最优值
对高庄煤矿喷射混凝土的喷射物料：水泥、外加剂、沙子、石子等物料及矿井水物理化学性质，进行了系统的分析和研究，并确定了物料的最优值。

（3）研制出了新型复合喷射混凝土外加剂。

（4）喷射混凝土使用新型复合剂后，回弹率低、降尘效果明显、强度大，取得了较好的效果。

在高煤公司进行实际应用，降低了喷射混凝土回弹率和粉尘浓度，提高了巷道喷射混凝土支护的后期的强度。

有效的改善了劳动环境，提高了支护质量，提高了劳动效率。

经济显著，两年共节支总额2000万元，新增产值3000万元。

研究成果的应用，提高了矿井的抗灾能力,保证了煤矿的安全生产和矿工的身体健康，社会效益巨大。

喷射混凝土“干喷”技术具有设备简单、移动方便，输送距离长等优点,在巷道支护工程中而被广泛采用。

但施工过程中存在：回弹率高，粉尘浓度大，后期支护强度损失大。

致使喷射混凝土“干喷”材料浪费大；劳动环境差，严重危害施工人员身心健康及支护质量安全。

《喷射混凝土防弹及降尘技术的研究及应用》解决了煤矿喷射混
凝土“干喷”回弹及降尘技术的难题。

研究成果有广阔的推广应用前景。

二、技术内容
1、揭示了喷射混凝土回弹及产尘的本质
1）喷射过程的高速气流及圈吸作用
喷射射流射流主体呈橄榄形，其四周为回流区。

所产生的高速气流会破坏团粒的粘结，并和空气中的粉尘一起形成物料气体双相流，从而造成喷射混凝土回弹和粉尘的产生。

2）物料在运动过程中的碰撞
物料在运动过程中产生碰撞，在碰撞过程中所产生的能量，一部分由混凝土物团内部相互间黏着力消耗掉，物团间的黏着力达不到能了要求，造成物团的分崩离析，使附着在石子砂子上的水泥等粉尘飞扬。

3）喷射物料与巷道壁面的弹性碰撞
在喷射混凝土过程中, 石子和砂子与围岩的碰撞,使回石子为和砂子回弹。

喷射混凝土回弹和产尘的本质为：喷射混凝土喷射物料混合不均匀及粘性低是内因，喷射过程的高速气流及圈吸作用，物料在运动过程中的碰撞及喷射物料与巷道壁面的弹性碰撞是外因。

2、系统的对喷射混凝土物料的物理化学性质进行了研究，并确定了最优值
对高庄煤矿喷射物料：水泥、外加剂、沙子、石子等物料及矿井水物理化学性质，进行了系统的分析和研究，并确定了最优值。

1）水泥与速凝剂
实验数据：
J85速凝剂掺量在4%，5%，6%时，凝结时间从3.48min降至2.97min，终凝时间由4.42min降至4.11min； J85速凝剂掺入量在6%以上时，初凝结时间达速凝剂一等品（＜3min）技术要求。

现场合理的J85速凝剂掺量应在5%—6%时范围。

2）矿井水
矿井水影响分析：
当外加剂的掺量为3%、4%时有利于缩短喷射物料的凝结时间；但当外加剂掺量增加后（5%以上）矿井水对混凝土的凝结时间略有影响。

3）喷射混凝土物料水泥：沙子：石子合理的配比
喷射混凝土物料水泥：沙子：石子合理的配比为：1:1.8:2.2。

砂石试块单项抗压强度
3、喷射混凝土的回弹率仅为国标的1／2；粉尘全尘降低了62.9%，呼尘降低了33.3%；喷射混凝土强度增加了89%
采用该研究成果，喷射物料的初凝结时间短，喷厚增加，单轴抗压强度高，降尘及减回弹效果显著。

(1）喷射混凝土粉尘全尘降低了62.9%，呼尘浓度降低了33.3%；
(2）喷射混凝土的回弹率为7.6%；(GB50056-21《锚杆喷射混凝土支护技术规范》8.5.4喷射混凝土的回弹率边墙不应大于15%，拱部不应大于25%)。

(3）喷射混凝土的试块28d单轴抗压强度44.524Mpa,喷射混凝土的强度提高了89%。

4、系统的阐明了复合喷射混凝土外加剂的防弹及降尘机理
研制出了新型复合喷射混凝土外加剂，组分为：1）速凝物质A；2）具有高吸水性能物质B；3）高分子聚合物P。

喷射混凝土的回弹及降尘与喷射物料的粘度、润湿性、PH值、电化学特性等有密切关系。

1）喷射混凝土的黏度及润湿性
添加了新型复合外加剂喷射混凝土的粘度是添加J85速凝剂黏度的1.28倍。

润湿速度的比较
加入新型复合外加剂的水泥润湿速度为10mm/min, 加入J85的水泥润湿速度为6mm/min,而纯水泥的润湿速度为5.2mm/min。

添加新型复合喷射混凝土外剂加喷射混凝土润湿性能优良，优于J85速凝剂。

2）喷射混凝土的pH值和电化学特性
不同配比下水泥浆体的pH值
样品编号
J85 J85 J85 新型复合外加新型复合外加新型复合外加水泥掺量(%)
8.3 6 4 6 8 10 pH 12.5 11.5 9.8 8.3 8.0 8.1
添加了新型复合外加剂的水泥浆体的pH 值要小于添加J85速凝剂的pH 值。

pH 值小有利于喷射混凝土后期强度的增加。

新型复合外加剂的电化学特性：组分B 的结构特点决定了组分B 的性能。

组分B 是由两层硅氧四面片和一层夹于其间的铝氧八面体片构成的2：1型层状硅酸盐矿物。

其矿物的微观结构见图。

组分B 具有可塑性。

吸水后，其体积可膨胀10～30倍。

高分子聚合物P 在水泥－水界面上具有很强的吸附能力，改善了混凝土拌合物的和易性。

当喷射混凝土物料中加入了新型复合外加剂后，物料在水化过程中，由于所携带着的负电荷，对未被润湿且带正电荷的水泥粉尘有一定的静电吸附作用，通过物理吸附和化学吸附吸附在物料团粒表面，达到降尘效果。

Si o
Al Si
o
Al OH 2Si
o Al 2H +20H -+OH 2+--
OH OH
B 表面电荷产成的示意图
3）添加了新型复合外加剂喷射混凝土的微观结构
新型复合外加剂组分B 与水泥生成物C-S-H 凝胶结合在一起，除了起充填作用外，还可以吸附周围的大量自由水，使混凝土试快空隙
变小，界面趋于密实。

高分子聚合物P 促进了水泥浆体的润湿性能和粘结性和和易性，使得水泥试块中的凝胶形成比较均匀。

4) 红外吸收光谱分析
添加了新型复合外加剂混凝土试块在不同水化阶段（10min 、1hour 、1day ）的反应产物进行红外光谱分析：1）新型复合外加剂的加入加快了水泥的水化进程，促进了水化硅酸钙的生成，使水泥达到早强；羟基（－OH ）官能集团将对水化对其产生影响重要影响。

（2） 新型复合外加剂反应过程中含碱量降低，组分B 不仅能作为骨料提高水泥的强度，而且还能促进水泥水化反应,促进水泥胶体的形成，增加浆体的粘性，有助于降低喷射混凝土粉尘。

0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
1.05
T (%)－1 添加了新型复合外加剂水泥试块10min ，1h ，1d 红外光谱扫描
（3）新型复合外加剂中的高分子聚合物P 溶于水后所产生的羟基和氢键与水泥水化产物发生反应，增加了喷射物料的粘度。

水溶性高分子聚合物P 作为混凝土增粘剂，增加了混凝土物料的和易性，但会对混凝土的速凝有一定的干扰。

三、推广应用情况
该项目通过在枣庄矿业（集团）公司高庄煤矿现场实验并进行了推广应用。

通过推广应用结果表明，喷射混凝土喷射回弹率为7.6%，粉尘全尘浓度降低了62.9%，呼吸性粉尘浓度降低了33.3%，喷射混凝土单轴抗压强度为44.524mPa，是原喷浆施工工艺强度的1.89倍。

“喷射混凝土防弹及降尘技术的研究及应用”的应用,减少了喷射混凝土喷射过程喷射物料的回弹及粉尘的产生，喷射物料的凝结时间降低，巷道顶部无垮塌现象，减轻工人的劳动强度，节约劳动成本，改善施工环境，保证矿工的身体健康,提高支护强度及巷道支护安全系数等。

四、成果提供单位
高庄煤业公司生产科。