磁化水降低喷射混凝土回弹量的试验研究.pdf

磁化水降低喷射混凝土回弹量的试验研究 ① 汪学清１， 周坤鹏１， 张志高２， 田凤格１， 李鑫鹏１ （１．中国矿业大学（北京） 力学与建筑工程学院，北京 １０００８３； ２．新巨龙公司 龙堌煤矿，山东 荷泽 ２７４９００） 摘 要 为了减少煤矿巷道掘进过程中喷射混凝土作业产生的回弹量，达到节资降耗的目的，在混凝土喷射机供水管路中直接串 联磁水器，分别用不同磁感应强度条件下的磁化水拌制喷射混凝土，在施工现场研究了磁感应强度与喷射混凝土回弹量的关系。 结果表明与普通水相比，用不同磁感应强度条件下的磁化水拌制的喷射混凝土，其回弹量均有不同程度的降低，尤其是当磁感应 强度为 ４３０ mT 时，回弹率降到了 ８．66％，取得了降低喷射混凝土回弹量的良好效果。 关键词 喷射混凝土； 磁化水； 磁感应强度； 回弹量 中图分类号 TD３５２．１５文献标识码 Adoi１０．３９6９／ j．issn．０２５３－6０９９．２０１９．０１．００７ 文章编号 ０２５３－6０９９（２０１９）０１－００２９－０３ Experimental Study on Reducing Shotcrete Rebound by Using Magnetized Water WANG Xue⁃qing１， ZHOU Kun⁃peng１， ZHANG Zhi⁃gao２， TIAN Feng⁃ge１， LI Xin⁃peng１ （１．School of Mechanics ＆ Civil Engineering， China University of Mining ＆ Technology （Beijing）， Beijing １０００８３， China； ２．Longgu Coal Mine， Xinjulong Group Co Ltd， Heze ２７４９００， Shandong， China） Abstract In order to reduce shotcrete rebound in the coal mine roadway excavation for saving material resources and reducing consumption， a magnetizer was directly connected to the water supply pipe of the shotcreter， and shotcrete was prepared with magnetized water under different magnetic flux densities， on the construction site， and the relationship between shotcrete rebound and magnetic flux densities was investigated． The results showed that shotcrete rebound was reduced to some extent by using the magnetized water to replace ordinary water． Especially， with the magnetic flux density at ４３０ mT， the shotcrete rebound reduced to ８．66％， showing a good effect． Key words shotcrete； magnetized water； magnetic flux density； rebound 喷射混凝土作为一种支护形式，被越来越多地运 用到煤矿巷道支护中。 喷射混凝土支护是以压缩空气 为动力，利用混凝土喷射机，将掺有外加剂的混凝土拌 和料与高压水混合， 通过喷射枪头喷射到岩壁表面 上，并迅速凝结形成混凝土层的支护方式，它能起到及 时加固围岩的作用。 喷射混凝土支护具有技术先进、 质量优良、施工方便、安全性能可靠等诸多优点［１－２］。 但是在施工现场进行喷射混凝土作业时，会产生较大 的混凝土回弹量，导致施工现场的粉尘浓度过高，严重 影响作业工人的身心健康，降低施工现场的能见度。 目前喷射混凝土回弹率一般都在 ３０％以上，造成了大 量材料的浪费，严重影响喷射质量，甚至工程的质量和 进度［３－５］。 目前，国内外专家对此作了相应的研究，提 出了许多新技术措施，包括喷射混凝土的配比优化、添 加速凝剂、磁化水技术等。 其中磁化水技术具有无需 添加任何化学物质、不产生环境污染等优点，只需要将 磁水器［6－９］串联在供水管路中，操作方便，且设备费用 低廉，一次性投资，可长期受益，是一种使用简便、投资 少、见效快、容易掌握、效果显著的新技术。 目前采用 磁化水技术降低喷射混凝土回弹量的研究还不多，本 文在这方面进行了试验研究。 １ 磁水器的选择、原理及参数 １．１ 磁水器的选择 磁水器是对水进行磁化处理的关键仪器装置，按 照产生磁场的方式不同可分为永磁式和电磁式两类。 ①收稿日期 ２０１８－０８－０８ 基金项目 中央高校基本科研业务费资助（２００９QL１１） 作者简介 汪学清（１９７１－），男，山东成武人，博士，副教授，主要研究方向为岩石动力学、工程爆破、人工智能及无线传感网络。 第 ３９ 卷第 １ 期 ２０１９ 年 ０２ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol．３９ №１ February ２０１９ 万方数据 考虑到试验场地的特殊性以及煤矿井下环境对电的敏 感性和安全性的要求，同时还能够产生较均匀的磁场， 并在一定的磁感应强度范围内稳定可调，试验采用永 磁式可调磁水器。 永磁式可调磁水器由上下平行正对 的两块面积较大的磁铁组成，分别为 N 极和 S 极，形 成一个均匀稳定的磁场，通过调整两块磁铁的间距来 改变其磁感应强度大小，磁感应强度可在 ０～８００ mT 之间进行调节。 试验中，将喷射混凝土的注水管放置 于两磁铁间的磁场中，即可完成对通过磁场的水流的 磁化处理过程，得到相应磁感应强度条件下的磁化水。 １．２ 磁水器的工作原理 水分子是极性分子。 由于氢键的作用，水中大量 的水分子间会缔合形成大小不同的水分子团，其余呈 游离态的单个水分子分布在水分子团之间。 在水中， 单个水分子和小分子团相比大分子团而言，具有更强 的渗透力、更高的溶解力和溶氧力，故而具有更强的活 性效应。 在磁水器中，普通水沿着与磁力线垂直的方向并 以一定的流速切割磁力线，在一定强度的磁场作用下， 会被磁化而变成磁化水，其磁化过程如图 １ 所示。 普 通水被磁化后，水分子之间形成的氢键会发生变化甚 至断裂破坏，导致较大的分子团会离解成更多的小分 子团和单个水分子，结果在宏观上就表现为水的表面 张力减小，水的渗透性、溶解力和吸附力增强，水的活 性效应得到提高。 由于水的活性增强，磁化水与喷射 混凝土拌合料的结合更加容易和充分，所得喷射混凝 土性能更优越，其回弹量较用普通水拌制的混凝土的 回弹量更少。 图 １ 磁水器工作原理 ２ 现场试验 ２．１ 工程概况 试验地点为全长 ４6３ m 的 ２３０５S 皮带机头通道。 其断面为平顶半圆拱形断面，巷道净宽 ５ m，净高 ４．３ m，净面积 １９．８ m２；荒宽 ５．３ m，荒高 ４．４５ m，荒面积 ２１．７ m２。 水沟净宽０．３ m，净深 ０．３ m，净面积 ０．０９ m２；荒 宽０．５ m，荒高０．４ m，荒面积 ０．２ m２。 水沟壁厚 １００ mm。 如图 ２ 所示。 5000 5300 150150 4300 4450 20502250 150 风筒 1200 电 缆 2250 水管 Φ108 风管 1350 锚索 1900 300 300 锚索 Φ1000 1200 800 3200 高强锚杆Ф222500 mm 间排距12001200 mm 巷 道 中 心 线 皮 带 中 心 线 起拱线 制 冷 管 单 轨 吊 梁 中 心 线 1200 1200 图 ２ 断面永久支护图 在进行永久支护喷射混凝土时，必须拉线喷射混 凝土（拱顶、拱肩、拱基），使巷道圆滑无急角，喷射混 凝土厚度 １５０ mm，找喷成型拖后迎头不大于 ５０ m。 如出现大坑处必须打设造型锚杆并挂网再进行喷射混 凝土作业，喷厚不得超过 １５０ mm。 喷射顺序为先墙 后拱，从墙基开始自下而上进行，喷枪头与受喷面应尽 量保持垂直。 喷枪头与受喷面的垂直距离以 ０．８ ～ １．０ m 为宜，具体喷射过程中应根据出料量的变化，及 时调整距离，使喷射的湿混凝土无流淌，粘着力强，喷 厚要达到规定要求。 ２．２ 试验参数与方案 试验时喷射混凝土的技术参数与试验前保持一 致，尽量保证作业人员的适应度，保持其以前的喷射方 式和操作习惯，尽量排除人为因素对试验结果的影响。 本试验具体技术参数为喷射混凝土强度等级为 C２０， 配料质量配合比为水泥 ∶ 砂 ∶ 石子 ＝ １ ∶２ ∶２，体积比 １∶１．９6∶１．７6，水灰比 ０．５，选用 PO４２．５ 水泥，中粗河 砂，石子粒径 ５～１０ mm；速凝剂在喷射混凝土料时加 入，掺量为水泥量的 ２％～４％。 配比混合料时，使用专 用配比容器，确保水泥、石子与砂的比例准确。 水流速 度控制在 ０．２ m／ s 左右。 分别选取磁感应强度 ０ mT（即普通水）、２５０ mT、 ３３０ mT、３７０ mT、４３０ mT 共 ５ 个强度级别进行试验，每 个强度级别试验不少于 ３ 次，然后取其平均值作为该 强度级别的试验结果，以尽可能消除偶然因素的影响。 ２．３ 试验数据 试验获得的混凝土回弹量数据见表 １。 ０３矿 冶 工 程第 ３９ 卷 万方数据 表 １ 磁感应强度与喷射混凝土回弹量的试验数据 磁感应强度 ／ mT 喷射量 ／ kg 回弹量 ／ kg 回弹率１） ／ ％ 相对回弹率２） ／ ％ ０３３７７１．５２１．２２ ２５０３３７6０．８１８．０４１４．９９ ３３０３３７５０．５１４．９９２９．３6 ３７０４０４6９．８１７．２８１８．５７ ４３０４０４３５．０８．66５９．１９ １） 回弹率＝回弹量 喷射量１００％； ２） 相对回弹率＝ １－ 某磁感应强度下回弹率 无磁化时回弹率 １００％。 根据表 １ 可以发现，磁感应强度为 ３７０ mT 时，回 弹率出现了突然大幅度上跳的现象。 根据当时的现场 情况分析此次喷射作业现场条件比较复杂，喷射机头 与喷射面距离较远，喷射角度也无法保持垂直，作业人 员未能完全按照既定的作业方案进行喷射作业，这些 情况对结果造成了较大影响。 同时在称量混凝土回弹 量的过程中，作业现场地面有大面积积水，导致混凝土 回弹量中含有较多的水分。 诸多因素的综合作用导致 混凝土回弹量的结果偏大，造成了此次回弹率出现大 幅度上跳的现象。 为了去除磁感应强度为 ３７０ mT 时存在的噪音，采 用 MATLAB 软件对原始数据进行降噪处理，检测数据 中的奇异值，并得到对应的真实值，结果如图 ３ 所示。 点数 22 20 18 16 14 12 10 8 1.51.02.02.53.54.03.04.55.0 回弹率/ 原始信号 去燥信号 □ ○ □ ○ □ ○ □ ○ □ ○ □ ○ 图 ３ 原始信号和降噪处理后的信号 根据图 ３ 可以发现，原始数据中磁感应强度为 ３７０ mT 时的回弹率值存在较大的噪音，会对后续的数 据分析产生一定程度的影响，同时根据降噪之后的信 号得到了对应的真实值，为 １３．０８％。 将对应的真实值 代入数据中，并对修正后的数据进行回归分析，结果如 表 ２ 所示。 从上述分析结果发现，磁感应强度与回弹率之间 存在极强的相关关系，而且两者之间满足二项式曲线 关系。 相比于普通水，利用磁化水拌制的喷射混凝土 的回弹量均有不同程度的降低；而且随着磁感应强度 表 ２ 降噪处理后的磁感应强度与回弹率数据 磁感应强度／ mT回弹率／ ％相对回弹率／ ％ ０２１．２２ ２５０１８．０４１４．９９ ３３０１４．９９２９．３6 ３７０１３．０８３８．３6 ４３０８．66５９．１９ 逐渐增大，混凝土回弹量呈现逐渐减小的趋势，特别是 当磁感应强度为 ４３０ mT 时，混凝土回弹量仅为普通水 混凝土回弹量的 ４０．８１％，降幅超过 ５０％，效果显著。 因此，采用磁化水拌制喷射混凝土降低回弹量的方法 是行之有效的，而且产生的减幅效果也是非常明显的。 ３ 结论与建议 １） 采用磁化水拌制喷射混凝土减低回弹量的方 法是有效的，与普通水相比，用磁化水拌制的混凝土的 回弹量均有不同程度的降低，特别是当磁感应强度为 ４３０ mT 时，喷射混凝土回弹率降到了 ８．66％，降幅超 过 ５０％。 ２） 将磁水器串联在供水管路中制备磁化水拌制 喷射混凝土的方法，基本上不改变原喷射混凝土工艺， 不影响原来的现场生产，也便于作业人员熟悉掌握，而 且是一次性投资，成本低，见效快。 ３） 利用磁化水技术降低喷射混凝土回弹量的方 法是有效的，但是受试验场地条件的差异及限制，操作 人员的施工技艺水平，喷射混凝土材料的差异等都会对 试验产生影响，所以选取合适的试验参数，并予以量化， 才有利于相应研究的开展，并取得有效的试验成果。 ４） 目前磁水器的设备大多都局限于较小的磁感 应强度范围，而磁化水技术的试验研究对磁水器提出 了更高的要求，特别是可调的高磁磁水器（磁感应强 度不低于 ８００ mT）。 因此试验设备的缺乏对磁化水技 术的研究产生了较大的影响，甚至延缓了研究进度。 ５） 鉴于本文的试验情况及相应的试验结果，建议 扩大磁感应强度研究范围，考虑更多的试验参数，比如 经过磁场的水流速度、磁场对水流的作用长度、水质情 况、被磁化后水的磁化效果等等，并且加大试验量，获 取更多有效的现场资料，才能更加充分地了解并掌握 磁化水技术，尽快将其应用到实际工程建设中，帮助工 程师们解决相应的工程问题。 参考文献 ［１］ 薛 鑫，裴巧玲． 喷射混凝土技术探讨［J］． 石家庄铁路职业技术 学院学报， ２００９（９）５９－6２． （下转第 ３５ 页） １３第 １ 期汪学清等 磁化水降低喷射混凝土回弹量的试验研究 万方数据 被输送浆体的流态也是应考虑的因素。 例如，在 发生淤积的水平管路上，放射性密度仪或磁力流速仪 的读数会不准确。 如果流速不保持大于临界流速的状 态，则沉降快的浆体会使有旁路管路的仪表读数失真。 该输送系统使用的检测仪器主要是电磁流量计和 压力传感器。 电磁流量计内衬采用抗磨材料，从而排除了磨损 和更换问题。 这种流速仪不会束缩过流断面，因而不 会引起下游的磨损问题。 它不受固体颗粒含量的影 响，因而无需因流态变化而重新校准。 压力传感器使用封闭式的毛细管测压装置，毛细 管隔着隔膜装在管子上，测压力时隔膜把浆体与测压 管隔开。 传感器安装在距泵出口 ２ m 的管路上，可避 免受到震动而失效。 ５ 结 论 １） 钨矿尾矿浆体属于与时间无关的非牛顿流体， 为屈服应力宾汉塑性体浆体。 通过对浆体颗粒悬浮机 理、非均质悬液的流态分析，设计综合考虑浆体浓度、 再选厂尾矿粒度、总输送量等因素影响，设定输送流速 区间为 ２～２．５ m／ s，输送最大压力为 ４０ kg／ cm２。 ２） 管路磨损取决于浆体固、液相特性，流动条件， 管壁类型等因素。 输送系统以紊流流态输送，避免固 结颗粒形成低床沿着管底滑动引起磨损。 在丁形管、 阀门、弯道和弯头等位置采取相应措施，避免水流方向 急剧改变的地方发生磨损。 ３） 通过考量不同类型输送泵特性、再选厂生产输 送量变化和将来坝体增高等因素，针对关键二级泵站 采用 ２ 组 ３ 台串联泵配置，单组 １、２ 级泵配置调频器， 可满足输送系统在设定流速、工作状态稳定运行要求。 ４） 可靠的检测仪器配以常规的控制仪表和电讯 系统，多泵站的浆体管路系统可以从始端控制室实施 全面控制。 参考文献 ［１］ Hsu S T， Beken A V， Landweber L， et al． The Distribution of Sus⁃ pended Sediment in Turbulent Flows in Circular Pipes［C］∥Preprint of paper presented and Atlantic City AIChE meeting on Solids Trans⁃ port in Slurries，１９７１． ［２］ Wasp E J， Aude T C， Kenny J P， et al． Deposition 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