CN105401963B - 矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌，由三维钢筋网壳支架和隔热支护混凝土喷层两部分组成，所述三维钢筋网壳支架是由几块网壳构件拼装成全封闭三心拱形，固定在围岩表面，形成外部支撑骨架，与岩石加固圈共同承受地压，所述隔热支护混凝土是在普通混凝土中掺入陶粒、玻化微珠和聚丙烯纤维，包裹于网壳支架。本发明中玻化微珠和陶粒在混凝土内部形成了多孔结构，有效降低了导热系数，使得混凝土具有很好的隔热效果，将隔热混凝土喷覆在三维钢筋网壳上，混凝土被包围在众多小跨度双向钢筋拱壳之内，喷层所受的拉剪应力被明显削弱，抗压强度得到充分利用，能够很好地满足巷道隔热支护的要求，保证井下工作人员的身心健康，提高矿井工作效率。

Description

矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌

技术领域

本发明涉及煤矿巷道隔热技术，具体涉及一种矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌。

背景技术

随着我国煤矿开采年限的增加，开采深度逐渐深入地下，受地热的影响也越来越严重。高温、高湿环境会严重影响井下作业人员的生产效率和安全。矿工在高温高湿环境下长时间工作，会造成体温升高，新陈代谢出现紊乱，引发中暑、呕吐、晕倒和湿疹等疾病，严重时还会出现死亡，致使劳动生产率降低和生产事故率的增加。依照国家颁布的法规《煤矿安全规程》规定，生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26℃，机电设备硐室的空气温度不得超过30℃，矿井温度超过30℃严禁施工，因此矿井降温也将提上日程。据调查，高温矿井的热源主要来自巷道壁面的岩温。矿井常用的降温方式有通风降温和制冷降温，都不能有效解决降低矿井巷道温度，且通风降温易带起粉尘飞扬，制冷降温则由于和巷道热交换量大，需要耗费大量能源。目前采用的隔热方式是直接将隔热材料喷涂到巷道岩石上，但这种隔热方式往往喷涂的不够均匀，而且容易脱落，隔热效果不足。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有较好隔热能力，又有一定强度的矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌，不但能够对巷道隔热，且还具有一定的支护作用。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌，由三维钢筋网壳支架和隔热支护混凝土喷层两部分组成，所述三维钢筋网壳支架是由几块网壳构件拼装成全封闭三心拱形，固定在围岩表面，形成外部支撑骨架，与岩石加固圈共同承受地压，所述隔热支护混凝土是在普通混凝土中掺入陶粒、玻化微珠和聚丙烯纤维，包裹于网壳支架。

优选地，所述三维钢筋网壳支架为全封闭三心拱形，按巷道断面分为7片网壳构件，由1片顶网壳、镜像对称的2片上侧网壳、2片下侧网壳和2片底网壳拼装而成，网壳两端各焊接一块带螺栓孔的联接板，顶、上侧、下侧、底网壳拼装时在两个接头处夹一块可缩垫板，再用螺栓联结而成。

优选地，所述顶网壳圆心角为60°，上侧网壳弧面4/7处圆心角25°，弧面3/7处圆心角为15°，下侧网壳圆心角为36°21'31"。

优选地，所述隔热支护混凝土喷层包括以下原料：胶凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠、聚丙烯纤维、早强剂、速凝剂和减水剂。

优选地，所述胶凝材料：石子：砂子：水的重量比为1：0.78：0.78：0.45。

优选地，所述胶凝材料包括水泥和粉煤灰，粉煤灰占胶凝材料总质量的5-20％，所述陶粒为黏土陶粒、粉煤灰陶粒、页岩陶粒中的至少一种，粒径为10-15mm，质量为石子质量的10-40％，所述玻化微珠为憎水玻化微珠，质量为砂子质量的5％-20％。

优选地，所述聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，长度为14-18mm，直径为3-60μm，掺量为0.95-1.5Kg/m³。

优选地，所述早强剂、速凝剂、减水剂分别为胶凝材料质量的3.5％-5％、3％-4％、0.6％-1.1％。

矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌的施工方法，包括以下步骤：

1)架设支架：将7片网壳构件对接处嵌入木垫板，一架紧接着一架进行安装，用螺栓链接，架间不留间隔，支架与围岩表面直接接触，架设完毕后，其承载体不是钢筋梁拱，而是众多纵横相联的小跨度双向钢筋拱壳，可充分削弱钢筋的弯曲变形，增强支架的三向承载能力；

2)喷覆隔热支护混凝土：将胶凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠和聚丙烯纤维按一定比例混合后搅拌成混凝土，用泵将搅拌好的混凝土经输料管压送至喷嘴处，与早强剂、速凝剂和减水剂相混合，喷射到三维钢筋网壳支架上，将钢筋网壳支架上的外层钢筋及各小跨双向钢筋拱壳全部覆盖，形成三维网架配筋衬砌结构，喷层厚度为60-200mm。

优选地，所述喷覆隔热支护混凝土时，采用分段、分片、分层依次进行，喷射顺序自下而上，往复喷射，分段长度不大于6m，喷嘴与受喷面间保持1.5-2.0m的距离，喷射角度为90°，喷射应连续、缓慢作横向环形移动，一圈压半圈。

本发明各原料有以下作用：

玻化微珠是一种以火山岩为原材料，经过粉碎特殊加工而成，其理化性能稳定，具有轻质、抗老化、吸水率小、隔热防火、导热系数低等优异特性，是一种无机轻质环保型绝热材料；

陶粒是由泥质岩石、黏土、煤矸石、粉煤灰为主要材料，经加工煅烧，具有一定颗粒级配的陶质物，具有孔隙率高、抗冻性好、密度低、软化系数高、抗碱集料反应优异、隔水保气性好的特点，有助于混凝土形成多孔结构，利于保温。

聚丙烯纤维具有抗拉、抗裂性大，弹性模量高的特点，可以有效提高混凝土材料的抗拉强度、抗裂性、韧性和抗冲击性。

粉煤灰是煤燃烧后的烟气中收集的细灰，是燃煤电厂排出的工业废料。作为优质的外加剂，可以取代部分水泥用量，由于其颗粒直径较水泥小，掺入水泥中，有利于形成更好地颗粒级配，不仅节约了水泥，利于环保和废物利用，又增强了混凝土拌合料的流动性。

本发明的有益效果：

1、利用玻化微珠和陶粒导热系数低，取代部分石子和砂子，在混凝土内部形成了多孔结构，使得热量不仅在骨料中传播，也在空气中传播，延长了热量传播的路径和传播速度，从而有效降低了导热系数，使得混凝土具有很好的隔热效果，且在掺量范围内时，对混凝土材料的强度影响较小，满足井下喷射混凝土力学性能的需要。

2、将隔热支护混凝土喷覆在三维钢筋网壳上，混凝土被包围在众多小跨度双向钢筋拱壳之内，喷层所受的拉剪应力被明显削弱，抗压强度得到充分利用，因而支撑能力比普通配筋喷层大大提高，同时又具有良好的可缩性，这种喷层既能与围岩共同变形，又对围岩提供了更强的支撑力，具有“先柔后刚”的特性，能够很好地满足巷道支护要求。

3、隔热支护混凝土施工安全，工艺简单。

本发明陶粒、玻化微珠等绿色材料，符合当前绿色环保型社会的需要，隔热支护混凝土既具有较好的隔热能力，又拥有一定的强度，能够很好地满足巷道隔热的要求，且还具有一定的支护作用，保证了井下工作人员的身心健康，提高了矿井工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是三维钢筋混凝土衬砌的剖面图；

图2是三维钢筋网壳支架的结构示意图；

图3是隔热支护混凝土网壳桥型架结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌，由三维钢筋网壳支架(1)和隔热支护混凝土喷层(2)两部分组成。

三维钢筋网壳支架(1)为全封闭三心拱形，按巷道断面分为7片网壳构件，由1片顶网壳(3)、镜像对称的2片上侧网壳(4)、2片下侧网壳(5)和2片底网壳(6)拼装而成，其中顶网壳(3)圆心角为60°，上侧网壳(4)弧面4/7处圆心角25°，弧面3/7处圆心角为15°，下侧网壳(5)圆心角为36°21'31"，网架宽度为700mm，每片由2根Φ22主弧筋(10)、6根Φ20次弧筋(12)、若干Φ12桥架(13)及若干Φ12连接筋(11)焊接而成，该网壳两端各焊接一块带螺栓孔的联接板(7)，顶、上侧、下侧、底网壳拼装时在两个接头处夹一块厚50mm的可缩垫板(8)，再用螺栓(9)联结而成。

隔热支护混凝土喷层(2)包括以下原料：胶凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠、聚丙烯纤维、早强剂、速凝剂和减水剂。胶凝材料：石子：砂子：水的重量比为1：0.78：0.78：0.45。胶凝材料包括水泥和粉煤灰，粉煤灰占胶凝材料总质量的10％，陶粒为黏土陶粒和页岩陶粒，粒径为10-15mm，质量为石子质量的25％，玻化微珠为憎水玻化微珠，质量为砂子质量的15％，聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，长度为14-18mm，直径或等效直径为3-60μm，掺量为1.0Kg/m3，早强剂、速凝剂、减水剂分别为水泥质量的4％、3.5％、0.8％。

矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌的施工方法，包括以下步骤：

1)架设支架：三维钢筋网壳支架(1)是在地面加工成型的，将7片网壳构件对接处嵌入木垫板，按照顶网壳(3)、上侧网壳(4)、下侧网壳(5)、底网壳(6)的顺序一架紧接着一架进行安装，用螺栓(9)链接，架间不留间隔，也不需要另加连接件。安装速度快，实现了支架轻型化、立体化、连续化，降低了支架成本，简化了安装作业。支架与围岩表面直接接触，超挖空隙需充填密实，架设完毕后，其承载体不是钢筋梁拱，而是众多纵横相联的小跨度双向钢筋拱壳，三心拱形结构使得顶、上侧、下侧网壳之间结合更加紧密，承受围岩压力更加均匀合理，使得网架整体变形更为均匀、一致，巷道下还安装有底网壳(6)，实行全封闭式，杜绝了冒顶、底臌现象，提高了安全性，支架的整体稳定性大大增强。三维钢筋网壳支架(1)安装后，立即对巷道表面提供较强的连续支撑，可有效防止围岩松动，满足了软弱、动压破碎巷道支护的需要。

2)喷覆隔热支护混凝土：将胶凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠和聚丙烯纤维按一定比例混合后搅拌成混凝土，用泵将搅拌好的混凝土经输料管压送至喷嘴处，与早强剂、速凝剂和减水剂相混合，喷射到三维钢筋网壳支架(1)上，将钢筋网壳支架上的外层钢筋及各小跨双向钢筋拱壳全部覆盖，形成三维网架配筋衬砌结构，喷层厚度为60-200mm。

喷覆隔热支护混凝土时，采用分段、分片、分层依次进行，喷射顺序自下而上，往复喷射，分段长度不大于6m，喷嘴与受喷面间保持1.5-2.0m的距离，喷射角度为90°，喷射应连续、缓慢作横向环形移动，一圈压半圈，终凝2h后，应进行养护，养护时间不小于14d。

实施例2：

隔热支护混凝土喷层(2)包括以下原料：胶凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠、聚丙烯纤维、早强剂、速凝剂和减水剂。胶凝材料：石子：砂子：水的重量比为1：0.78：0.78：0.45。胶凝材料包括水泥和粉煤灰，粉煤灰占胶凝材料总质量的5％，陶粒为粉煤灰陶粒，粒径为10-15mm，质量为石子质量的10％，玻化微珠为憎水玻化微珠，质量为砂子质量的5％，聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，长度为14-18mm，直径或等效直径为3-60μm，掺量为0.95Kg/m3，早强剂、速凝剂、减水剂分别为水泥质量的3.5％、4％、0.6％。

其它条件与实施例1相同。

实施例3：

隔热支护混凝土喷层(2)包括以下原料：胶凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠、聚丙烯纤维、早强剂、速凝剂和减水剂。胶凝材料：石子：砂子：水的重量比为1：0.78：0.78：0.45。胶凝材料包括水泥和粉煤灰，粉煤灰占胶凝材料总质量的20％，陶粒为黏土陶粒，粒径为10-15mm，质量为石子质量的40％，玻化微珠为憎水玻化微珠，质量为砂子质量的20％，聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，长度为14-18mm，直径或等效直径为3-60μm，掺量为1.5Kg/m3，早强剂、速凝剂、减水剂分别为水泥质量的5％、3％、1.1％。

其它条件与实施例1相同。

实施例4：

隔热支护混凝土喷层(2)包括以下原料：胶凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠、聚丙烯纤维、早强剂、速凝剂和减水剂。胶凝材料：石子：砂子：水的重量比为1：0.78：0.78：0.45。胶凝材料包括水泥和粉煤灰，粉煤灰占胶凝材料总质量的15％，陶粒为黏土陶粒和粉煤灰陶粒，粒径为10-15mm，质量为石子质量的15％，玻化微珠为憎水玻化微珠，质量为砂子质量的15％，聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，长度为14-18mm，直径或等效直径为3-60μm，掺量为1.1Kg/m3，早强剂、速凝剂、减水剂分别为水泥质量的4％、3％、0.7％。

其它条件与实施例1相同。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌，其特征在于，由三维钢筋网壳支架和隔热支护混凝土喷层两部分组成，所述三维钢筋网壳支架是由几块网壳构件拼装成全封闭三心拱形，固定在围岩表面，形成外部支撑骨架，所述隔热支护混凝土是在普通混凝土中掺入陶粒、玻化微珠和聚丙烯纤维，包裹于网壳支架，所述三维钢筋网壳支架按巷道断面分为7片网壳构件，由1片顶网壳、镜像对称的2片上侧网壳、2片下侧网壳和2片底网壳拼装而成，网壳两端各焊接一块带螺栓孔的联接板，顶、上侧、下侧、底网壳拼装时在两个接头处夹一块可缩垫板，用螺栓联结而成，所述顶网壳圆心角为60°，上侧网壳弧面4/7处圆心角25°，弧面3/7处圆心角为15°，下侧网壳圆心角为36°21'31"。

2.根据权利要求1所述的矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌，其特征在于，所述隔热支护混凝土喷层包括以下原料：胶凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠、聚丙烯纤维、早强剂、速凝剂和减水剂。

3.根据权利要求2所述的矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌，其特征在于，所述胶凝材料：石子：砂子：水的重量比为1：0.78：0.78：0.45。

4.根据权利要求2所述的矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌，其特征在于，所述胶凝材料包括水泥和粉煤灰，粉煤灰占胶凝材料总质量的5-20％，所述陶粒为黏土陶粒、粉煤灰陶粒、页岩陶粒中的至少一种，粒径为10-15mm，质量为石子质量的10-40％，所述玻化微珠为憎水玻化微珠，质量为砂子质量的5％-20％。

5.根据权利要求2所述的矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌，其特征在于，所述聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，长度为14-18mm，直径为3-60μm，掺量为0.95-1.5Kg/m³。

6.根据权利要求2所述的矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌，其特征在于，所述早强剂、速凝剂、减水剂分别为胶凝材料质量的3.5％-5％、3％-4％、0.6％-1.1％。

7.一种根据权利要求1所述的矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)架设支架：将7片网壳构件对接处嵌入木垫板，一架紧接着一架进行安装，用螺栓链接，架间不留间隔，支架与围岩表面直接接触，架设完毕后，其承载体不是钢筋梁拱，而是众多纵横相联的小跨度双向钢筋拱壳，可充分削弱钢筋的弯曲变形，增强支架的三向承载能力；

2)喷覆隔热支护混凝土：将胶凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠和聚丙烯纤维按一定比例混合后搅拌成混凝土，用泵将搅拌好的混凝土经输料管压送至喷嘴处，与早强剂、速凝剂和减水剂相混合，喷射到三维钢筋网壳支架上，将钢筋网壳支架上的外层钢筋及各小跨双向钢筋拱壳全部覆盖，形成三维网架配筋衬砌结构，喷层厚度为60-200mm。

8.根据权利要求7所述的矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌的施工方法，其特征在于，所述喷覆隔热支护混凝土时，采用分段、分片、分层依次进行，喷射顺序自下而上，往复喷射，分段长度不大于6m，喷嘴与受喷面间保持1.5-2.0m的距离，喷射角度为90°，喷射应连续、缓慢作横向环形移动，一圈压半圈。