喷射混凝土技术在矿山盲竖井工程中的应用

摘　要:陕西铅硐山铅锌矿采用喷射混凝土支护盲竖井获得成功,可供同类型工程借鉴。阐述了工程的可行性,介绍了工程质量控制等方面的施工经验。

关键词:喷射混凝土;盲竖井;支护;质量控制;配合比

喷射混凝土作为一种成熟的施工技术,多年来在矿山平巷、隧道工程和建筑基坑支护中已得到普遍应用,但在竖井井壁支护方面,目前使用的尚不多见。陕西铅硐山铅锌矿盲竖井工程原设计采用300mm厚素混凝土整体浇灌支护,后改为150 mm厚喷射混凝土支护(马头门除外) 。实践表明,这一变更十分成功,不仅加快了工程建设步伐,降低了工程造价,还提高了工程质量。时至今日,该井投入使用已将近10年,未发现任何不良迹象。该工程作为喷射混凝土支护盲竖井在我国的一个成功应用,为同类型矿山建设提供了不可多得的有益经验。

1　工程概况

铅硐山铅锌矿系高山矿床,地下开采,采用平硐溜井- 盲竖井联合开拓方式,于1994年12月28日开工建设,要求24个月建成。其中盲竖井全长286m,净径4 m。在1580, 1530, 1480, 1430, 1380, 1330m标高处有6对马头门。井塔顶部设有天轮硐室,井底设有水窝。该井在矿山投产后,主要用于提升人员、材料、设备及废石,并敷设风、水、电管线,供井下生产使用。虽然该井施工的技术难度不算太大,但由于穿越多个中段,需要协调的工序较多,施工组织十分复杂。实践中采用分阶段吊罐法自下而上反掘;自上而下刷大成井的施工方案。

矿区以铅硐山背斜构造为基本格局,矿体上盘围岩为碳质千枚岩加薄层灰岩,下盘围岩为生物微晶灰岩。盲竖井布置于矿体下盘灰岩中,岩体质量好,壁面硅化粗糙,无大的地质构造, f = 8～12。

2　喷射混凝土支护盲竖井的可行性

2. 1　可行性

与被动受压的现浇混凝土支护相比,喷射混凝土支护能主动承压,将混凝土和围岩有机的结合在一起共同作用,充分发挥围岩本身的能力。同时,在高速度喷射的冲击下,使混凝土得到强烈的捣固和振实,而且喷射混凝土工艺又可使用较小的水灰比,使得喷射混凝土具有较高的物理力学性能,从而具有以下优点。

　　(1) 喷射混凝土与围岩紧密结合,形成一个共同作用体,在围岩较好的情况下,其承载能力比喷射混凝土本身要大的多。这种良好的粘结力对井下支护是十分重要的,因为井下支护有赖于混凝土与围岩的相互作用。

　　(2) 喷射混凝土与围岩紧密结合,形成一层密闭而致密的保护层,隔绝了水和空气与岩层的接触,防止岩层风化,阻止节理、裂隙间充填料的流失。

　　(3) 喷射混凝土嵌入岩层张开的节理、裂隙和不平整处,把被切割、分离的围岩固结成一个整体。同时,由于喷后围岩轮廓表面比较平整,有利于围岩周边应力更好的释放。

　　(4) 喷射混凝土本身有较高强度,能阻止小块松石冒落。因而认为,采用喷射混凝土支护盲竖井井壁是一种可行的施工方法。但是,在讨论某工程能否采用喷射混凝土支护时,还必须考虑其地质情况。因为,喷射混凝土支护在使用上也其局限性,当地下岩层有下列诸种情况之一时,不宜采用这种支护形式。

　　(1) 涌水量大,淋水严重;

　　(2) 岩石破碎,节理十分发育,稳定性较差;

　　(3) 围岩中含有蛋白石、活性二氧化硅等能与喷射混凝土中的碱性掺和料发生反应的物质。铅硐山铅锌矿盲竖井地质结构简单,小井反掘贯通后,整个地质特性已揭露:灰岩,无大的构造,f = 8 ～12 ,整体性和稳定性均好;淋水量极少;围岩中不含蛋白石和活性二氧化硅;岩壁硅化粗糙,能与混凝土很好结合。综上所述,铅硐山铅锌矿盲竖井采用喷射混凝土技术支护井壁是完全可行的。

2. 2　必要性

　　采用喷射混凝土支护盲竖井可缩短工期,从而满足建设要求。铅硐山铅锌矿当年由中国有色金属工业总公司和陕西省联合投资建设,实行业主负责制,采用国企改革初期“谁贷款,谁还款”的新模式。

　　根据当时国际、国内铅锌市场行情及投资贷款利息,经设计院和矿方有关人员测算,工程每提前1个月完成,企业可多获利至少500万元。建设工期及工程效益在这里尤显突出。而制约铅硐山铅锌矿建设的关键因素与其他矿山相同,依然是井巷工程。

　　根据井巷工程施工总体计划,通过计算分析得出总工期27个月。其中1330 m中段平巷施工和盲竖井施工在整个井巷工程中至关重要。在众多工序当中,由于受交叉作业及井下工作面狭窄等因素的影响,缩短工期十分困难, 1330 m中段平巷施工耗时11个月,但作为要穿越多个破碎带的1100 m长的独头掘进平巷而言, 11个月的工期已经接近极限速度,唯一可大幅度调整的只有盲竖井的支护时间。原设计盲竖井整体浇灌混凝土需耗时7个月。如果采用喷射混凝土支护井壁,按每班平均作业10 m计算,并考虑衔接时间及弹性因素, 286 m的盲竖井井筒仅需20多天即可喷完,再加上马头门浇灌混凝土时间,盲竖井支护可在3～4个月内完成。同时,可使总工期缩短到23～24个月,完全能达到要求两年建成铅硐山矿的总目标。

2. 3　盲竖井支护工程造价比较

　　(1) 喷射混凝土的支护厚度较整体浇灌薄,从而减少了掘进工程量。

　　(2) 喷射混凝土省去了模板,并节约了35%以上的混凝土材料和劳动力。

　　(3) 喷射混凝土减少了大量的井下辅助性工作,也可直接降低工程造价。表1反映出两种支护方法对陕西铅硐山铅锌矿盲竖井造价情况的影响。由表1可知,喷射混凝土支护铅硐山铅锌矿盲支井比浇灌混凝土可节约投资31万元,降低造价33%。综上所述,铅锌矿盲竖井采用喷射混凝土方法支护,不但技术上完全可行,而且从各方面考虑也是十分必要的。经兰州有色设计院、陕西铅硐山矿、鑫城监理公司及施工单位联合专家小组反复论证,决定变更原始设计,除马头门外,竖井全段采用喷射混凝土支护。

3　工程质量控制

　　与其他先进施工技术相同,当充分条件和必要条件具备之后,该技术能否成功运用,关键在于工程质量控制。如工程质量得不到保证,喷射混凝土技术的先进性将荡然无存。

　　首先,喷射混凝土要求掘进开挖工序达到较高的光面爆破水准。如开挖后光爆效果不理想,将会在一定程度上扰动围岩,从而增加荷载,同时还易造成局部位置应力集中。另外,岩面过于凹凸不平,势必增大喷射混凝土回弹量,导致混凝土中的粗骨料流失过多,降低混凝土强度。

　　其次,是厚度问题。喷射混凝土不能像普通混凝土那样表面上整齐划一,喷射时要求操作手根据岩石具体情况进行适当调整。由于岩石表面凹凸不平,难免会使凹进去的地方喷的厚,凸出来的地方喷的薄。而凹进去的地方喷的过厚并不增加承载力。相反,一旦凸出来的地方喷的过薄,不但会降低载荷能力,这些地方的喷层还可能脱落,从而破坏其整体性。因此,就喷射混凝土而言,厚度控制极为重要。

　　第三,在强度方面,喷射混凝土与普通混凝土有着不同的特性,不但受材料质量、拌和程度及配合比等因素的影响,还与回弹量的大小有关。如回弹量大,粗骨料大量弹出,喷射混凝土会变成弱化的含砂薄层结构,从而降低强度。

　　控制喷射混凝土施工质量,必须切实把握好各个环节。鉴于此,该工程在具体实施前,由矿方、设计院、监理公司及施工单位组成联合小组,本着从严要求的精神,经过反复探讨,制定出了详细周密的分步实施计划。

　　(1) 施工单位先拿出行之可靠的施工技术方案。方案中包括光面爆破、厚度控制、强度保证及回弹控制等保证工程质量的手段、方法和措施。经审定后按有关要求进行准备。

　　(2) 在井筒刷大时,根据围岩具体特征,通过控制钻孔质量,合理选用爆破参数和起爆顺序,同时采用多钻孔、小药卷等各项措施,提高光面爆破效果,并确保该分项工程达到优良标准。

　　(3) 先试喷30 m平巷,观察实际施工水平,然后试喷10 m竖井,再观察。同时,分别取3组试块做耐压试验,并连续测定施工中的回弹量,以考核实际结果是否符合规范要求。

　　(4) 埋设厚度检查桩,尤其强调在岩层凸出处埋设检查桩,有效控制喷层厚度。

　　(5) 监理公司调整工作重点,由原来的事前要求,事后检查的静态管理方法,改变为全过程监控的动态管理模式,施工时增加旁站时间和人数,进行全方位全时段监察、管理。

　　通过采取上述措施,喷射混凝土工作在初期阶段取得了令人满意的结果。随后,联合小组决定先喷井筒上部100 m段,确认工程质量优良后,再喷下部。施工中,各单位紧密协作,严把质量关,从材料供应开始,对每个工序,每个环节都力争做到精益求精,尤其是关键环节,如喷射操作、混凝土搅拌及材料供应等,更是从严要求,认真执行规范。

　　在厚度控制方面,本次施工,在强化管理下,施工单位克服了作业环境差的困难,合理地加密了厚度检查桩的埋设,有效地保证了喷层厚度。通过对所有检查桩逐个检查,整个盲竖井喷射混凝土厚度,不论凸处及凹处均达到了设计和规范的要求。

　　强度方面,本着从严要求的精神,施工单位通过反复进行配合比试验,将设计给定的混凝土标号由C20提高到C23,确保施工结果100%满足设计强度要求。23组试块的检测结果表明,所有试块强度均超过设计要求,且数值稳定,其中达到C20～C23强度等级的试块有9块,其它14块试样的强度等级均在C23以上。以C23为强度标准,根据GBJ107 - 87规定的混凝土强度检验评定方法:

mfcu - λ1 Sfcu ≥ 0. 9 fcu, k

fcu, min ≥λ2 fcu, k

　　式中:mfcu ———强度平均值,本例结果为23. 1MPa;

　　　　fcu, k ———强度标准值,本例为23MPa;

　　　　fcu, min ———强度最小值,本例为20. 8MPa;

　　　　λ1 ,λ2 ———合格判定系数,本例取值分别为1. 65及0. 85;

　　　　Sfcu ———强度值标准差,本例计算结果为0. 63。

　　两种条件均同时满足,说明该盲竖井喷射混凝土在强度方面不但完全达到了,而且超过了设计和规范要求。

　　综上所述,铅硐山铅锌矿盲竖井喷射混凝土支护在质量控制方面十分成功。经中国有色金属工业质量监督站评定,工程质量优良。

4　结论和建议

　　铅硐山铅锌矿于1996 年底顺利建成,历时24个月,开创了在我国两年建成一个中型矿山的先例(我国同类型中型矿山建设的定额工期为39 个月) 。这其中喷射混凝土支护盲竖井功不可没,前后仅用27天即完成,缩短工期3个月,降低造价30多万元。该工程的实施,为其他具备相应条件的矿山进行类似工程的支护提供了借鉴。通过这次工程实践,得出了许多宝贵经验,建议采用喷射混凝土支护盲竖井井壁时,要注意下列几个方面的问题。

　　(1) 把好材料供应关。水泥要使用大窑产品,并定期进行复检,监测其稳定性。对细石、砂、速凝剂等材料要严格把关,定期试验,确保质量合格。

　　(2) 厚度控制。检查桩是控制喷射层厚度的一个重要手段,它不但可用于检查,更重要的是,它还可以当作标志。通过检查桩,喷射手能够有效地提高用肉眼控制喷层厚度的能力。如果因为作业环境差而少埋检查桩,往往会导致未埋设地段厚度不够。因此,合理加密厚度检查桩是保证喷层厚度的一个重要措施。

　　(3) 回弹问题。喷射混凝土施工规范( GBJ86- 85)规定:水泥、砂、石配比宜为1 ∶2 ∶2。然而,本次施工实践证明该配比并不合适。喷射混凝土的回弹物主要是石子,按上述配比拌和于混合料中的石子,有相当一部分在施工时,弹落下来。本工程在试喷初期曾采用这种配合比,结果回弹量较大,效果很不理想。通过反复试验,将配比调至1 ∶2 ∶1. 5左右。实践证明,这一调整非常得当,不但降低了回弹(在10%以下) ,更重要的是保证了混凝土强度。

　　当所使用的砂料为粗砂时,碎石用量可下调。但并不是说喷射混凝土的最佳配比应为1 ∶2 ∶1. 5或1 ∶3 ∶1,因为每个工程所使用的砂、石及水泥品质各不同,同一配合比所得到的混凝土强度也就不同。但可以肯定,喷射混凝土的配比应根据实际情况,通过试验确定。因此,建议修改现行喷射混凝土施工规范。

(收稿日期: 2006 - 06 - 09)

作者简介:马永宁(1962) ,男,现任陕西有色集团经济运行

部副主任。