CN113958347A - 一种frp约束砂基胶凝材料柱构筑巷旁支护体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种FRP约束砂基胶凝材料柱构筑巷旁支护体的方法。该方法首先将由高含水量胶凝材料、水和沙漠砂按比例混合成的砂基胶凝材料泵送至待充填FRP约束砂基胶凝材料柱，待充填模袋充分接顶后，使用UHMWPE带加固FRP约束砂基胶凝材料柱上部，沿FRP约束砂基胶凝材料柱采空区侧构筑防漏风墙，巷道侧喷50mm混凝土，随后回撤后方单体液压支柱，按照该构筑巷旁支护体顺序一直回采到区段边界。该方法充分利用纤维复合材料提供的约束，可保证砂基胶凝材料的承载能力和轴向变形能力与留巷围岩变形相适应，有效降低沿空留巷巷旁支护体的构筑成本，降低水资源消耗，实现沙漠或戈壁矿区无煤柱连续开采。

Description

一种FRP约束砂基胶凝材料柱构筑巷旁支护体的方法
技术领域
本发明属于煤矿巷道支护技术领域，具体涉及一种FRP约束砂基胶凝材料柱构筑巷旁支护体的方法。
背景技术
井工煤矿开采过程中日益复杂的生产地质条件给巷道围岩稳定控制带来严重影响。单一的锚杆支护形式已经无法有效地适应复杂多变的地质条件。采用主动和被动支护技术相结合的巷道围岩控制方法对于保证井工煤矿巷道围岩稳定具有重要意义。目前用于井工煤矿巷道围岩稳定控制的被动支护形式（又称辅助支护系统）主要包括木垛、矸石、密集支柱、混凝土块和钢管混凝土柱等。其中，可泵送立式支柱因方便运输和易于施工等优点在工程实践中得到了广泛应用。
自上世纪90年代在美国长壁工作面巷道开始使用可泵送式立柱支护系统以来，人们针对其力学性能进行了大量研究。科学研究和现场实践表明，可泵送式支柱的抗压性能不仅与填充材料的力学性能有关，还与外部容器的性能有关。受外部容器有限的刚度和强度影响，内部填充材料在达到峰值强度之后，可泵送支架将会很快失去承载能力。
为解决现有约束材料力学性能不足造成可泵送式支柱应变软化问题，澳大利亚伍伦贡大学开发了一种新型可泵送立式支柱，称为纤维增强聚合物(FRP)约束高含水量胶凝材料柱。与传统的可泵送式支护结构相比，该新型构件由FRP外管和内部填充的胶凝材料组成。FRP具有轻质高强、耐腐蚀等优点，采用较小厚度的FRP管材即可为内部填充的胶凝材料提供有效的约束效应。由于使用高含水量胶凝材料，新型结构还具有以下优点:(1)由于大量的体积被水占用（即水体积高达95%），实际固体材料消耗量较小，成本显著降低；（2）胶凝材料所需的水可以在井下直接获得，因此可以减轻了矿井长距离运输带来的额外成本；（3）混合浆液凝固快，抗压性能好，可以保证新型构件及早承载，有效控制巷道顶板变形。
上述新型构件具有显著的应变硬化特性和大变形能力，使其在煤矿巷道围岩稳定控制技术方面具有潜在技术优势。然而，对于分布在干旱、半干旱的沙漠或戈壁地区的矿井而言，使用高水比胶凝材料作为支护结构充填材料对于水资源的需求较高，充填过程中消耗大量的水资源将进一步加剧水资源短缺。目前的纤维增强聚合物(FRP)约束高含水量胶凝材料柱的构筑技术不适合在西北沙漠或戈壁矿区应用。为了提高西北干旱、半干旱的沙漠或戈壁矿区的煤炭资源采出率、减小采矿活动对水资源的消耗，降低采矿成本，发明专利CN 109268063 B提出了利用风积沙充填网箱构筑沿空留巷护巷墙体的方法。该方法充分利用沙漠、戈壁矿区丰富的风积沙材料，有效降低沿空留巷护巷墙体的构筑成本，同时在不消耗水资源的前提下充分发挥风积沙的承载性能。该方法适用于西北沙漠或戈壁矿区煤层埋藏浅、地压低等简单地质条件下沿空留巷，而风积沙充填网箱护巷墙体由钢丝网箱和土工布构成外部容器的刚度和强度有限，护巷墙体承载能力主要由无胶结沙漠砂实现，该结构往往存在支护阻力不足、力学性能与留巷围岩变形不相适应等问题。
发明内容
为解决现有可泵送立式支柱上述不足，促进沿空留巷技术在西北沙漠或戈壁矿区的应用，本发明提出了一种FRP约束砂基胶凝材料柱构筑巷旁支护体的方法。本发明既可以发挥新型构件显著的应变硬化特性和大变形能力，又可以利用沙漠、戈壁矿区丰富的沙漠砂材料，有效降低沿空留巷护巷墙体的构筑成本，降低水资源消耗，达到维护巷道围岩的稳定性的目的。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
a:将地面预制的FRP管、充填模袋、沙漠砂和高水速凝材料运输至井下移动充填站；
b:工作面推过后，采用高强锚索及时支护待充填区域顶板，使用单体液压支柱支撑待充填区顶板，严禁空顶作业；
c:清理施工位置处待充填区的顶板和底板，保证待充填区顶板和底板的平整；
d:滞后工作面，将预制的FRP管安装在指定位置，FRP管间排距800～1200mm；
e:将充填模袋置于FRP管内部组合形成待充填FRP约束砂基胶凝材料柱；
f:在搅拌站甲和搅拌站乙按照设计比例将高水速凝材料、水和沙漠砂混合，制备砂基甲浆料和砂基乙浆料，两种浆料分别搅拌3～5分钟，将搅拌后的砂基甲浆料与砂基乙浆料通过甲浆料管路和乙浆料管路单独输送；
g:将砂基甲浆料与砂基乙浆料经混合器制备砂基胶凝充填材料通过充填管路和充填口注入待充填FRP约束砂基胶凝材料柱；
h:持续注入砂基胶凝充填材料直至充填模袋排气口有浆液溢出，保证充填模袋充分接顶；
i:采用湿敷法将UHMWPE带缠绕在FRP管上端，加固FRP约束砂基胶凝材料柱上部；
j:沿FRP约束砂基胶凝材料柱采空区侧构筑防漏风墙，巷道侧喷50mm混凝土，密闭采空区，回撤后方单体液压支柱；
k:重复步骤b～j，充填结束后，及时清洗充填设备管路。
步骤a所述的预制FRP管，可选择碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、聚乙烯纤维、超高分子量聚乙烯纤维等碳纤维材料，在矿井地面采用湿敷法预制成圆柱形壳体，FRP管高度小于巷道高度5%，FRP管厚度和直径由沿空留巷围岩地质力学特征及沿空留巷巷内支护强度确定。
步骤a所述的充填模袋，采用聚氯乙烯防水卷材制成的圆形袋体，充填模袋直径等于FRP管直径，充填袋高度大于巷道高度5%，充填模袋顶部设置有充填口和排气口。
步骤a所述的沙漠砂，沙漠砂粒径小于315μm的颗粒质量超过总质量的25%。
步骤a所述的高水速凝材料可选择高水灰比、快硬早强的水泥基材料。所选择的高水速凝材料由甲粉料和乙粉料两种成分材料组成，每一种成分的浆液都有超过24小时的泵送寿命。
步骤f所述的砂基甲浆料由高水速凝材料甲粉料、沙漠砂和水按比例混合制成。砂基甲浆料中固体材料质量浓度控制在75%～80%之间，水灰比大于1。
步骤f所述的砂基乙浆料由高水速凝材料乙粉料、沙漠砂和水按比例混合制成。砂基乙浆料中固体材料质量浓度控制在75%～80%之间，水灰比大于1。
步骤g所述的砂基胶凝充填材料由砂基甲浆料和砂基乙浆料按照1:1的质量比混合，混合成的砂基胶凝充填材料具有快硬早强的特点。
步骤i所述的UHMWPE带由超高分子量聚乙烯纤维布片按照设计长度剪切成，UHMWPE带层数与FRP管层数相同，UHMWPE带环向搭接区长度不小于1/3倍FRP管周长，UHMWPE带与FRP管轴向搭接区长度不小于100mm。
步骤j所述的防漏风墙由一层金属网、一层风筒和一层钢筋网叠加组成，金属网位于巷道侧，钢筋网位于采空区侧，风筒布位于金属网和钢筋网中间，巷道侧喷50mm混凝土，防止采空区漏风。
本发明的有益效果是，一种FRP约束砂基胶凝材料柱构筑巷旁支护体的方法充分利用纤维复合材料提供的约束，使砂基胶凝材料的极限承载能力和轴向变形能力显著增强；另外通过高强胶凝材料、较厚的FRP管和高沙漠砂掺量均可进一步提高FRP约束砂基胶凝材料柱极限承载能力和轴向变形能力；与纯高水材料充填材料相比，沙基胶凝充填材料除具有高水充填材料技术优势外，还具有胶凝材料用料少、水资源消耗少、充填成本低等优点。使用本发明构筑沿空留巷巷旁支护体，可保证对沿空留巷顶板岩层的支撑效果，有效降低沿空留巷巷旁支护体的构筑成本，降低水资源消耗，实现了无煤柱连续开采，有效提高了煤炭资源的采出率。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1为一种FRP约束砂基胶凝材料柱构筑巷旁支护体的方法中的FRP约束砂基胶凝材料柱结构图。
图2为一种FRP约束砂基胶凝材料柱构筑巷旁支护体的方法的施工俯视图。
图3为一种FRP约束砂基胶凝材料柱构筑巷旁支护体的方法的施工侧视图（即图2中I-I位置剖面图）。
图4为一种FRP约束砂基胶凝材料柱构筑巷旁支护体的方法的施工侧视图（即图2中II-II位置剖面图）。
图中：1-FRP管，2-砂基胶凝充填材料，3-充填模袋，4-排气口，5-充填口，6-UHMWPE带，7-移动充填站，8-甲搅拌站，9-乙搅拌站，10-甲浆料管路，11-乙浆料管路，12-混合器，13-充填管路,14-高强锚索，15-单体液压支柱，16-待充填FRP约束砂基胶凝材料柱，17-FRP约束砂基胶凝材料柱，18-防漏风墙，19-采空区，20-煤体，21-工作面，22-待充填区域顶板。
具体实施方法
下面结合附图对本发明一种FRP约束砂基胶凝材料柱构筑巷旁支护体的方法的实施例作以描述：
a:将地面预制的FRP管1、充填模袋3、沙漠砂和高水速凝材料运输至井下移动充填站7；
b:工作面21推过后，采用高强锚索14及时支护待充填区域顶板22，使用单体液压支柱15支撑待充填区顶板22，严禁空顶作业；
c:清理施工位置处待充填区顶板22和底板，保证待充填区顶板22和底板平整；
d:滞后工作面21，将预制的FRP管1安装在指定位置，FRP管1间排距800～1200mm；
e:将充填模袋3置于FRP管1内部组合成待充填FRP约束砂基胶凝材料柱16；
f:在甲搅拌站8和乙搅拌站9按照设计比例将高水速凝材料、水和沙漠砂混合，制备砂基甲浆料和砂基乙浆料，两种浆料分别搅拌3～5分钟，将搅拌后的砂基甲浆料与砂基乙浆料通过甲浆料管路10和乙浆料管路11单独输送；
g:将砂基甲浆料与砂基乙浆料经混合器12制备砂基胶凝充填材料2通过充填管路13和充填口5注入待充填FRP约束砂基胶凝材料柱16；
h:持续注入砂基胶凝充填材料2直至充填模袋排气口4有浆液溢出，保证充填模袋3充分接顶；
i:采用湿敷法将UHMWPE带6缠绕在FRP管1上端，加固FRP约束砂基胶凝材料柱17上部；
j:沿FRP约束砂基胶凝材料柱17采空区19侧构筑防漏风墙18，巷道侧喷50mm混凝土，密闭采空区19，回撤后方单体液压支柱15；
k:重复步骤b～j，充填结束后，及时清洗充填设备管路。
步骤a所述的预制FRP管1，可选择碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、聚乙烯纤维、超高分子量聚乙烯纤维等碳纤维材料，采用湿敷法制成圆柱形壳体，FRP管1高度小于巷道高度5%，FRP管1厚度和直径由沿空留巷围岩地质力学特征及沿空留巷巷内支护强度确定。
步骤a所述的充填模袋3，采用聚氯乙烯防水卷材制成的圆形袋体，充填模袋3直径等于FRP管1直径，充填模袋3高度大于巷道高度5%，充填模袋3顶部设置有充填口5和排气口4。
步骤a所述的沙漠砂，沙漠砂粒小于315μm的颗粒质量超过总质量的25%。
步骤a所述的高水速凝材料可选择高水灰比、快硬早强的水泥基材料。所选择的高水速凝材料由甲粉料和乙粉料两种成分材料组成，每一种成分的浆液都有超过24小时的泵送寿命。
步骤f所述的砂基甲浆料由高水速凝材料甲粉料、沙漠砂和水按比例混合制成。砂基甲浆料中固体材料质量浓度控制在75%～80%之间，水灰比大于1。
步骤f所述的砂基乙浆料由高水速凝材料乙粉料、沙漠砂和水按比例混合制成。砂基乙浆料中固体材料质量浓度控制在75%～80%之间，水灰比大于1。
步骤g所述的砂基胶凝充填材料2由砂基甲浆料和砂基乙浆料按照1:1的质量比混合，混合成的砂基胶凝充填材料2具有快硬早强的特点。
步骤i所述的UHMWPE带6由超高分子量聚乙烯纤维布片按照设计长度剪切而成，UHMWPE带6层数与FRP管1层数相同，UHMWPE带6环向搭接区长度不小于1/3倍FRP管1周长，UHMWPE带6与FRP管1轴向搭接区长度不小于100mm。
步骤j所述的防漏风墙18由一层金属网、一层风筒布和一层钢筋网叠加组成，金属网位于巷道侧，钢筋网位于采空区19侧，风筒布位于金属网和钢筋网中间，巷道侧喷50mm混凝土，防止采空区19漏风。

Claims (6)

1.一种FRP约束砂基胶凝材料柱构筑巷旁支护体的方法，其特征在于步骤如下：
a:将地面预制的FRP管（1）、充填模袋(3)、沙漠砂和高水速凝材料运输至井下移动充填站(7)；
b:工作面(21)推过后，采用高强锚索(14)及时支护待充填区域顶板(22)，使用单体液压支柱(15)支撑待充填区顶板(22)，严禁空顶作业；
c:清理施工位置处待充填区顶板(22)和底板，保证待充填区顶板(22)和底板平整；
d:滞后工作面(21)，将预制的FRP管(1)安装在指定位置，FRP管(1)间排距800～1200mm；
e:将充填模袋(3)置于FRP管(1)内部组合成待充填FRP约束砂基胶凝材料柱(16)；
f:在甲搅拌站(8)和乙搅拌站(9)按照设计比例将高水速凝材料、水和沙漠砂混合，制备砂基甲浆料和砂基乙浆料，两种浆料分别搅拌3～5分钟，将搅拌后的砂基甲浆料与砂基乙浆料通过甲浆料管路(10)和乙浆料管路(11)单独输送；
g:将砂基甲浆料与砂基乙浆料经混合器(12)制备砂基胶凝充填材料(2)通过充填管路(13)和充填口（5）注入待充填FRP约束砂基胶凝材料柱（16）；
h:持续注入砂基胶凝充填材料（2）直至充填模袋排气口（4）有浆液溢出，保证充填模袋（3）充分接顶；
i:采用湿敷法将UHMWPE带（6）缠绕在FRP管（1）上端，加固FRP约束砂基胶凝材料柱（17）上部；
j:沿FRP约束砂基胶凝材料柱（17）采空区（19）侧构筑防漏风墙（18），巷道侧喷50mm混凝土，密闭采空区（19），回撤后方单体液压支柱（15）;
k:重复步骤b～j，充填结束后，及时清洗充填设备管路。
2.根据权利要求1所述的一种FRP约束砂基胶凝材料柱构筑巷旁支护体的方法，所述FRP约束砂基胶凝材料柱（17）由FRP管（1）、充填模袋（3）、砂基胶凝材料（2）和UHMWPE带（6）组成；充填模袋（3）为采用聚氯乙烯防水卷材制成的圆形袋体，充填模袋（3）直径等于FRP管（1）直径，充填模袋（3）高度大于巷道高度5%，充填模袋（3）顶部设置有充填口（5）和排气口（4）；砂基胶凝材料（2）由高含水量胶凝材料、水和沙漠砂混合而成。
3.根据权利要求1所述的一种FRP约束砂基胶凝材料柱构筑巷旁支护体的方法，所述沙漠砂粒径小于315μm的颗粒质量超过总质量的25%。
4.根据权利要求1所述的一种FRP约束砂基胶凝材料柱构筑巷旁支护体的方法，所述高水速凝材料选择高水灰比、快硬早强的水泥基材料。
5.根据权利要求1所述的一种FRP约束砂基胶凝材料柱构筑巷旁支护体的方法，所述UHMWPE带由超高分子量聚乙烯纤维布片按照设计长度剪切而成，UHMWPE带层数与FRP管层数相同，UHMWPE带环向搭接区长度不小于1/3倍FRP管周长，UHMWPE带与FRP管轴向搭接区长度不小于100mm。
6.根据权利要求1所述的一种FRP约束砂基胶凝材料柱构筑巷旁支护体的方法，所述防漏风墙（18）由一层金属网、一层风筒布和一层钢筋网叠加组成，金属网位于巷道侧，钢筋网位于采空区（19）侧，风筒布位于金属网和钢筋网中间，巷道侧喷50mm混凝土。
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