CN110242334B - 一种拼装式frp高水材料矿用组合支柱及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种拼装式FRP高水材料矿用组合支柱及施工方法，包括预制FRP管、紧固装置、内部充填体。根据井下巷道的实际高度提前预制高度和厚度均不相同的FRP管，采用刚性半圆形紧固装置或橡胶卡扣式矩形紧固装置或矿用阻燃胶带将多个FRP管连接，随后在FRP管内部充填高水材料或矸石形成整体支护结构。本发明的有益效果：浇注过程实行循环往复的作业方式，通过在各FRP管连接位置架设木板的方式实现对巷道高度最大限度的适应，该支护系统集成了FRP和高水材料的双重优势，具有增阻速度快、系统可靠性高、施工工艺简单、生产成本较低，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种地下岩土工程支护系统，尤其是一种拼装式FRP-高水材料新型组合系统，用于地下岩土工程和矿山隧洞支护技术之中。该支护系统具有结构可靠性高、便于施工、可有效节省施工时间等优点，具有良好的工程应用前景，属于地下岩土工程特别是矿山地下工程支护技术领域。
背景技术
地下岩土工程特别是矿山地下岩土工程支护结构的稳定不仅关系到地下工程的安全稳定，也直接影响到地面建筑结构的相对稳定。国内外相关科研院所在地下支护技术和支护系统可靠性方面展开了大量的研究，基本形成了以锚杆（索）支护为核心的现代支护技术体系，有效地减少并降低了由支护结构失稳带来的安全事故的次数和出现频率。随着大断面巷道、短壁机械化开采、沿空留巷巷旁支护技术的兴起，以钢管混凝土支柱为代表配合锚杆（索）支护已逐步取代原有的木垛支护和混凝土砌块支护，在部分工程实践中已经取得了较好的社会经济效益。但由于钢管混凝土在较高的外部荷载和动力扰动作用下容易出现屈曲变形继而引起结构性失稳，加之混凝土需要一定的养护时间后才可真正承载，这与地下岩土工程高承载力、较大的变形能力、早期强度高等基本需求不相匹配。此外，钢管混凝土支柱相对较高的生产成本、运输成本以及人员成本在一定程度上制约了其大范围的推广。
FRP亦称玻璃钢或玻璃钢增强塑料，是一种以高分子环氧树脂为基体，玻璃钢或碳纤维等为增强体，经过复合工艺而制成的复合材料。其轻巧，耐腐蚀，抗老化等优点已经在结构工程中得到广泛应用。高水材料作为新型水泥基材料，因其高水灰比、凝固速度快、早期强度高等优点在矿山地下岩土工程中得到了广泛的应用。如何结合两种材料的技术优势，开发一种增阻速度快、系统可靠性高、施工工艺简单、生产成本较低的新型拼装式组合支护系统不仅可以有效的解决现有钢管混凝土存在的技术缺陷，还可以有效的推进矿山地下岩土工程支护技术的创新。
发明内容
本发明的目的在于提供一种拼装式FRP高水材料矿用组合支柱及施工方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种拼装式FRP高水材料矿用组合支柱及施工方法，包括回采工作面，所述回采工作面两侧分别有回采巷道与接续工作面，所述回采巷道一侧设有双液注压泵，所述双液注压泵设有高压胶管，所述双液注压泵一侧为预安设区域，所述预安设区域设有组合柱，所述预安设区域远离所述双液注压泵的一侧设有锚杆，所述回采工作面前端设有液压支架，所述液压支架前端为采空区，所述回采巷道顶端与底端分别设有巷道顶板与巷道底板，所述巷道顶板与巷道底板之间设有所述组合柱，所述组合柱由FRP管、刚性半圆型紧固装置与橡胶卡扣式矩形紧固装置组成，所述FRP管内填充物为高水材料填充体与矸石充填体，每组所述组合柱之间还设有木板。
优选的，所述组合柱为三部分组成，分别为上部FRP管、中部FRP管与下部FRP管，且所述中部FRP管厚度小于上部与下部FRP管。
优选的，所述刚性半圆型紧固装置由两个高度均为150mm的刚性半圆活页连接，活页角度最大可至180度，所述刚性半圆活页两端焊接有销钉孔平板，所述销钉孔平板上设有销钉，所述刚性半圆型紧固装置可使用矿用阻燃胶带缠绕。
优选的，所述橡胶卡扣式矩形紧固装置为宽度为150mm的橡胶皮带，其两端分别设有卡扣孔与卡扣。
优选的，根据所述回采巷道实际高度，可在每组所述FRP管中部或顶部安设所述木板，使其接触所述回采巷道的所述顶板岩层。
优选的，内部充填体以所述高水材料为主体，可结合矿山地下岩土工程实际情况，选择性的掺杂部分矿渣或废弃碎石。
优选的，多组所述FRP管为直径相同但厚度不同的填充管。
优选的，所述刚性半圆型紧固装置与所述橡胶卡扣式矩形紧固装置设置为可大小调节结构，确保在注浆过程中，上下FRP管的稳定搭接。
优选的，本发明提供的拼装式FRP高水材料矿用组合支柱的施工方法，包括以下步骤；
步骤一，随着采煤工作面推进，提前在支柱设计安设位置的顶板按照设计要求施工锚杆支护系统，保证施工区域巷道顶板结构的相对稳定，同时为整个支护系统的稳定提供保证；
步骤二，处理支柱安设位置底板的平整，使用铁锹在预设位置开挖3-4个直径与FRP管相同，深度50mm的圆形凹槽，将FRP管依次安放在上述凹槽内，为上部搭接提供基础，同时防止注浆过程中浆液从FRP管底部流出；
步骤三，安设好底层FRP管后，根据设计方案确定内部充填体使用材料类型，采用双液注浆泵通过高压胶管将加水搅拌后的高水材料输送到安设好的FRP管内，待第一个FRP管充满后，将高压胶管依次插入其余FRP管内开始注浆，待第一个FRP管内充填材料初凝（约30分钟）后，开始搭设第二层FRP管；
步骤四，将第二层FRP管放置于底部FRP管之后，采用专门的紧固装置将两者固定，确认从搭接处不泄露浆液后开始正常注浆，待第二层充填结束后转至其余底层FRP管；
步骤五，循环步骤4，保证在整个支护系统搭建过程中注浆作业始终进行，继而减少人员和设备的等待时间；
步骤六，当最后一层FRP管搭建结束后，若与巷道顶板之间不能完全接触，可在其上部增垫木板或用编织袋注入高水材料，待其初凝后紧塞至上部空隙。
本发明的有益效果
1.采用FRP管作为外管既可以充当充填模板，又可以有效地避免出现钢管类似的屈曲变形。同时能够提供足够的约束继而提高整个构件的纵向承载力，此外其横向变形能力也可以有效的适应上覆岩层移动变形过程中带来的大变形。
2.采用高水材料作为充填材料，其较高的水灰比可以有效的降低井下材料堆放面积，不仅可直接采用井下废水直接搅拌，同时可以利用部分井下废渣和煤矸石作为充填骨料一起形成新的充填材料。
3.采用拼装组合的方式可以提前根据矿井实际情况预制FRP管，在井下使用时可以根据巷道高度确定具体使用何种型号的FRP管，有效的保证了支柱最大限度的接触顶板。
4．设计的紧固装置操作简单，便于工人井下使用，可以充分保证搭接过程中上下FRP管模板作用的发挥，同时有利于形成整体的充填结构。
附图说明
图1是本发明拼装式FRP高水材料矿用组合支柱施工方法示意图；
图2是本发明拼装式FRP高水材料矿用组合支柱现场布置剖面图；
图3是本发明拼装式FRP高水材料矿用组合支柱分解示意图；
图4是本发明拼装式FRP高水材料矿用组合支柱典型组合形式；
图5是本发明拼装式FRP高水材料矿用组合支柱刚性半圆形紧固装置示意图；
图6是本发明拼装式FRP高水材料矿用组合支柱橡胶卡扣式矩形紧固装置；
图7是本发明拼装式FRP高水材料矿用组合支柱木板垫层使用示意。
附图标记
1-回采工作面，2-锚杆，3-预安设区域，4-双液注浆泵，5-回采巷道，6-高压胶管，7-组合柱，8-采空区，9-液压支架，10-接续工作面，11-巷道顶板，12-巷道底板，13-FRP管，14-高水材料充填体，15-矸石充填体，16-刚性半圆形紧固装置，17-橡胶卡扣式矩形紧固装置，18-木板。
具体实施方式
如图1-图2所示，在回采工作面推进过程中，沿着回采巷道的边缘确定组合柱的预安设区域并做标记。随后在巷道顶板位置提前打设锚杆，当回采工作面推进至一定位置，液压支架在回采巷道侧留有足够空间后，使用铁锹在巷道底板提前标记的预安设区域开挖直径与下部FRP管直径相同，且深度为50mm的圆形凹槽。之后将下部FRP管安放在圆形区域，在确定合理的组合形式之后，由双液注浆泵通过高压胶管将混合后的高水材料注入下部FRP管，充满后将高压胶管塞入相邻的下部FRP管中，待第一个管子内的高水材料初步凝固后，将中部FRP管同心放置在下部FRP管上，通过刚性半圆形紧固装置或橡胶卡扣式矩形紧固装置将两者连接，随后注入高水材料，重复上述步骤，直至上部FRP管注满为止。当回采工作面施工结束后，按照同样的操作步骤进入接续工作面。
如图3所示，根据回采巷道高度，提前在地面预制好三至五段高度不等的FRP管，且上部FRP管、下部FRP管的厚度均大于中部FRP管的厚度。根据矿井的实际生产地质条件，确定FRP管包裹高水材料充填体还是矸石充填体。同时根据实际情况选择刚性半圆形紧固装置或橡胶卡扣式矩形紧固装置。
如图4所示，根据实际生产情况，可以对高水材料充填体和矸石充填体进行组合，形成符合矿井生产实际的最优组合形式。
如图5所示，该紧固装置由两个高度均为150mm的刚性半圆活页连接，最大可张开180度，在刚性半圆活页两端焊接有销钉孔的平板，使用时打开两个刚性半圆，合起来后将销钉插入销钉孔，从而起到紧固的作用，当搭接部位凝固后，打开刚性紧固装置，可循环使用。
如图6，该紧固装置由一条宽度为150mm的橡胶皮带组成，在其两端分别留有两排卡扣孔和卡扣，使用时将其弯曲，根据实际情况将卡扣位置调整至合理的卡扣孔处，起到固定FRP管的作用，该装置可重复使用。
如图7所示，根据回采巷道实际高度，可在FRP管中部或顶部安设木板，使其接触回采巷道的顶板岩层。
实施例
如图1-7所示，一种拼装式FRP高水材料矿用组合支柱及施工方法，包括回采工作面1，回采工作面1两侧分别有回采巷道5与接续工作面10，回采巷道5一侧设有双液注压泵4，双液注压泵4设有高压胶管6，双液注压泵4一侧为预安设区域3，预安设区域3设有组合柱7，预安设区域3远离双液注压泵4的一侧设有锚杆2，回采工作面1前端设有液压支架9，液压支架9前端为采空区8，回采巷道5顶端与底端分别设有巷道顶板11与巷道底板12，巷道顶板11与巷道底板12之间设有组合柱7，组合柱7由FRP管13、刚性半圆型紧固装置16与橡胶卡扣式矩形紧固装置17组成，FRP管13内填充物为高水材料填充体14与矸石充填体15，每组组合柱7之间还设有木板18。
优选的，组合柱7为三部分组成，分别为上部FRP管、中部FRP管与下部FRP管，且所述中部FRP管厚度小于上部与下部FRP管。
优选的，刚性半圆型紧固装置16由两个高度均为150mm的刚性半圆活页连接，活页角度最大可至180度，刚性半圆活页两端焊接有销钉孔平板，销钉孔平板上设有销钉，刚性半圆型紧固装置16可使用矿用阻燃胶带缠绕。
优选的，橡胶卡扣式矩形紧固装置17为宽度为150mm的橡胶皮带，其两端分别设有卡扣孔与卡扣。
优选的，根据回采巷道5实际高度，可在每组FRP管13中部或顶部安设木板18，使其接触回采巷道5的顶板11岩层。
优选的，内部充填体以高水材料14为主体，可结合矿山地下岩土工程实际情况，选择性的掺杂部分矿渣或废弃碎石。
优选的，多组FRP管13为直径相同但厚度不同的填充管。
优选的， 刚性半圆型紧固装置16与橡胶卡扣式矩形紧固装置17设置为可大小调节结构，确保在注浆过程中，上下FRP管的稳定搭接。
优选的，本发明提供的拼装式FRP高水材料矿用组合支柱的施工方法，包括以下步骤；
步骤一，随着采煤工作面推进，提前在支柱设计安设位置的顶板按照设计要求施工锚杆支护系统，保证施工区域巷道顶板结构的相对稳定，同时为整个支护系统的稳定提供保证；
步骤二，处理支柱安设位置底板的平整，使用铁锹在预设位置开挖3-4个直径与FRP管相同，深度50mm的圆形凹槽，将FRP管依次安放在上述凹槽内，为上部搭接提供基础，同时防止注浆过程中浆液从FRP管底部流出；
步骤三，安设好底层FRP管后，根据设计方案确定内部充填体使用材料类型，采用双液注浆泵通过高压胶管将加水搅拌后的高水材料输送到安设好的FRP管内，待第一个FRP管充满后，将高压胶管依次插入其余FRP管内开始注浆，待第一个FRP管内充填材料初凝（约30分钟）后，开始搭设第二层FRP管；
步骤四，将第二层FRP管放置于底部FRP管之后，采用专门的紧固装置将两者固定，确认从搭接处不泄露浆液后开始正常注浆，待第二层充填结束后转至其余底层FRP管；
步骤五，循环步骤4，保证在整个支护系统搭建过程中注浆作业始终进行，继而减少人员和设备的等待时间；
步骤六，当最后一层FRP管搭建结束后，若与巷道顶板之间不能完全接触，可在其上部增垫木板或用编织袋注入高水材料，待其初凝后紧塞至上部空隙
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (2)
1.一种拼装式FRP高水材料矿用组合支柱，包括回采工作面(1)，其特征在于：所述回采工作面(1)两侧分别有回采巷道(5)与接续工作面(10)，所述回采巷道(5)一侧设有双液注压泵(4)，所述双液注压泵(4)设有高压胶管(6)，所述双液注压泵(4)一侧为预安设区域(3)，所述预安设区域(3)设有组合柱(7)，所述预安设区域(3)远离所述双液注压泵(4)的一侧设有锚杆(2)，所述回采工作面(1)前端设有液压支架(9)，所述液压支架(9)前端为采空区(8)，所述回采巷道(5)顶端与底端分别设有巷道顶板(11)与巷道底板(12)，所述巷道顶板(11)与巷道底板(12)之间设有所述组合柱(7)，所述组合柱(7)由FRP管(13)、刚性半圆型紧固装置(16)与橡胶卡扣式矩形紧固装置(17)组成，所述FRP管(13)内填充物为高水材料填充体(14)与矸石充填体(15)，每组所述组合柱(7)之间还设有木板(18)，所述组合柱(7)为三部分组成，分别为上部FRP管、中部FRP管与下部FRP管，且所述中部FRP管厚度小于上部与下部FRP管，所述刚性半圆型紧固装置(16)由两个高度均为150mm的刚性半圆活页连接，活页角度最大可至180度，所述刚性半圆活页两端焊接有销钉孔平板，所述销钉孔平板上设有销钉，所述刚性半圆型紧固装置(16)可使用矿用阻燃胶带缠绕，所述橡胶卡扣式矩形紧固装置(17)为宽度为150mm的橡胶皮带，其两端分别设有卡扣孔与卡扣，根据所述回采巷道(5)实际高度，可在每组所述FRP管(13)中部或顶部安设所述木板(18)，使其接触所述回采巷道(5)的所述巷道顶板(11)岩层，内部充填体以所述高水材料填充体(14)为主体，可结合矿山地下岩土工程实际情况，选择掺杂部分矿渣或废弃碎石，多组所述FRP管(13)为直径相同但厚度不同的填充管，所述刚性半圆型紧固装置(16)与所述橡胶卡扣式矩形紧固装置(17)设置为可大小调节结构，确保在注浆过程中，上下FRP管的稳定搭接。
2.根据权利要求1所述的拼装式FRP高水材料矿用组合支柱的施工方法，其特征在于：具体采用以下步骤实施：
步骤一，随着采煤工作面推进，提前在支柱设计安设位置的顶板按照设计要求施工锚杆支护系统，保证施工区域巷道顶板结构的相对稳定；
步骤二，处理支柱安设位置底板的平整，使用铁锹在预设位置开挖3-4个直径与FRP管相同，深度50mm的圆形凹槽，将FRP管依次安放在上述凹槽内，为上部搭接提供基础，同时防止注浆过程中浆液从FRP管底部流出；
步骤三，安设好底层FRP管后，根据设计方案确定内部充填体使用材料类型，采用双液注浆泵通过高压胶管将加水搅拌后的高水材料输送到安设好的FRP管内，待第一个FRP管充满后，将高压胶管依次插入其余FRP管内开始注浆，待第一个FRP管内充填材料初凝后，开始搭设第二层FRP管；
步骤四，将第二层FRP管放置于底部FRP管之后，采用专门的紧固装置将两者固定，确认从搭接处不泄露浆液后开始正常注浆，待第二层充填结束后转至其余底层FRP管；
步骤五，循环步骤四，保证在整个支护系统搭建过程中注浆作业始终进行，继而减少人员和设备的等待时间；
步骤六，当最后一层FRP管搭建结束后，若与巷道顶板之间不能完全接触，可在其上部增垫木板或用编织袋注入高水材料，待其初凝后紧塞至上部空隙。
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