CN115030753B - 防冻胀巷道保温支护系统及其施工方法和保温控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种防冻胀巷道保温支护系统及其施工方法和保温控制方法，保温支护系统包括，新能源供能机构、控制器、保温结构和支护结构；保温结构包括防水层、相变储能材料层以及保温层，防水层沿巷道主体的内壁敷设在其表面，相变储能材料层与防水层紧密贴合，保温层紧贴相变储能材料层的表面设置；导热线通过供电线与新能源供能机构和控制器连接；锚杆沿巷道拱顶及边墙均匀的锚固在巷道主体内部。同时，该系统的施工方法和保温控制方法，采取新能源供能机构促使相变材料储存能量，利用相变储能材料热焓值大，储能密度高的优点，保证了连续低温情况下相变储能材料层能够持久地提供热量，关键是节能环保，增强了整个系统的防冻胀破坏性能。
Description
技术领域
本发明涉及巷道工程防冻胀技术领域，特别是涉及一种防冻胀巷道保温支护系统及其施工方法和保温控制方法。
背景技术
近年来，随着国家加强对基础设施建设的加速，需要更多的矿产资源支撑基础设施建设，而部分稀缺矿产大多赋存于我国西部的高山或高原地区，高山或高原地区的矿井不可避免的处于高寒环境中，对这类存在于高寒环境中的采矿巷道的安全性是一个极大的考验。寒区矿山巷道受极端气候环境的影响，内部极易发生冻胀破坏现象，主要表现为支护结构屈曲、拱顶及边墙挂冰、围岩开裂剥落等，巷道内一旦发生如上所述的冻胀破坏现象，将严重影响采矿安全及开采效率，带来巨大的经济损失和社会影响。
目前，国内针对寒区巷道冻胀破坏现象，提出了一些防冻胀的工程措施，主要包括：在巷道围岩表面铺设保温层或在围岩表面贴敷气囊利用空气作为热的不良导体缓解围岩体的冻胀；改变巷道内冷空气流动的方向，在巷道横截面形成若干层空气幕减缓巷道内温度降低速度；通过电加热敷设于围岩表面的传热层来消除冻胀。然而现有技术中，利用空气气囊作为隔热的不良导体，气囊中的温度随外界温度变化较大防冻胀效果不理想，并且在高寒地区为维持巷道温度，需向传热层持续加热所需能耗较高。因此，如何保证高寒地区矿山巷道的结构安全以及低能耗成为当前亟待解决的核心技术问题，开展防冻胀破坏的巷道支护技术研究具有现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种稳定性强、保温效果好且能耗低的防冻胀巷道保温支护系统及其施工方法和保温控制方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种防冻胀巷道保温支护系统，包括：新能源供能机构(7)、控制器(13)、保温结构和支护结构，其中，保温结构包括防水层(2)、相变储能材料层(3)以及保温层(4)，所述防水层(2)敷设在巷道主体(1)的内壁表面，所述相变储能材料层(3)敷设在所述防水层(2)表面，所述保温层(4)敷设在相变储能材料层(3)表面；所述相变储能材料层(3)内部设置有导热线(5)和相变材料温度传感器(9)；所述相变材料温度传感器(9)与所述控制器信号连接，所述控制器与所述新能源供能机构(7)控制连接，所述新能源供能机构(7)通过供电线(8)与所述导热线(5)连接。
一种防冻胀巷道保温支护系统，还包括锚杆(6)，用于所述防水层(2)、相变储能材料层(3)以及保温层(4)在巷道主体的固定。
所述锚杆(6)贯穿巷道主体(1)、防水层(2)、相变储能材料层(3)以及保温层(4)。
所述锚杆(6)为内部中空的保温锚管，所述保温锚管的中空腔中设置有导热线(5)。
所述保温锚管的锚固端预留设定长度的导热线(5)。
所述新能源供能机构(7)包括风动供能机构。
所述相变储能材料层(3)由能够储存/释放热量的相变材料中加入导热增强剂制作而成。
所述相变材料为水，其相变温度为0℃，储热极限温度为100℃。
一种防冻胀巷道保温支护系统的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
开挖巷道及钻设锚管孔，巷道每开挖设定长度，在巷道主体(1)的内壁铺设防水层(2)；
施作保温锚管和钢拱架(10)；
根据每两榀钢拱架(10)之间的距离及巷道内壁弧度制作内部均匀铺设有导热线(5)和相变材料温度传感器(9)的相变储能材料层(3)和保温层(4)，将制作完成的相变储能材料层(3)和保温层(4)紧贴防水层(2)依次敷设；
架设风动供能机构；
连接控制系统：利用供电线(8)将保温锚管锚固端和相变储能材料层(3)外露的导热线(5)连接风动供能机构的供电端；并利用供电线(8)将相变材料温度传感器(9)与控制器(13)连接。
一种防冻胀巷道保温支护系统的保温控制方法，所述保温控制方法包括以下步骤：
获取相变材料温度传感器采集的温度数据；
判断所述温度数据是否小于相变储能材料层中相变材料的相变温度；
如果是，则控制风动供能机构对导热线进行供电；
判断所述温度数据是否达到相变储能材料层中相变材料的储能极限温度；
如果所述温度数据达到了相变储能材料层中相变材料的储能极限温度，则断开风动供能机构向所述导热线的供电。
本发明的有益效果：本发明将相变储能材料和新能源供能机构的优势集合，使得该系统能够持久、长效地发挥巷道防冻胀破坏的作用，稳定性强，保温效果好且能耗低，与现有技术相比具有以下优点：(1)利用相变储能材料热焓值大，储能密度高的优点，通过电加热促使相变储能材料内部发生相变储存能量，当冷季长时间温度较低或供能不足时，相变储热材料内部发生相态变化释放热量，防止巷道结构发生冻胀破坏；(2)与普通保温板或空气气囊相比，采取新能源供能机构产生的电力为导热线提供能量，促使相变材料储存能量，保证了连续低温情况下相变储能材料层能够持久提供热量，提高了整个系统的防冻胀破坏性能，关键是利用新能源发电，提高能源利用效率，节能环保；(3)通过设置在保温锚管内部的导热线，促使热量向巷道围岩深部传导，保证了巷道围岩内部不发生冻胀，提高了整个系统的抗冻性；(4)因为相变储能材料热焓值大储能密度高，使得相变储能材料的温度随外界温度变化较小，不会因为环境温度过低导致保温支护系统发生故障，保证了在高寒地区相变材料层对巷道主体正常的热量传导，提高了整个系统的稳定性。
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为本发明的巷道纵断面剖视图。
图2为本发明的巷道横断面示意图。
图3为本发明的A处的结构示意图。
图4位本发明的保温锚管的剖视图。
图中：1-巷道主体、2-防水层、3-相变储能材料层、4-保温层、5-导热线、6-锚杆、7-新能源供能机构、8-供电线、9-相变材料温度传感器、10-钢拱架、11-锚管体、12-注浆孔、13-控制器。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
本发明的目的是提供一种稳定性强、保温效果好且能耗低的的防冻胀巷道保温支护系统及其施工方法和保温控制方法。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1～4所示，本发明所述的一种防冻胀巷道保温支护系统，包括：新能源供能机构7、控制器13、保温结构和支护结构，其中，保温结构包括防水层2、相变储能材料层3以及保温层4，所述防水层2敷设在巷道主体1的内壁表面，所述相变储能材料层3敷设在所述防水层2表面，所述保温层4敷设在相变储能材料层3表面；所述相变储能材料层3内部设置有导热线5和相变材料温度传感器9；所述相变材料温度传感器9与所述控制器信号连接，所述控制器与所述新能源供能机构7控制连接，所述新能源供能机构7通过供电线8与所述导热线5连接。
所述的一种防冻胀巷道保温支护系统，其特征在于，还包括锚杆6，用于所述防水层2、相变储能材料层3以及保温层4在巷道主体的固定。
所述锚杆贯穿巷道主体、防水层、相变储能材料层以及保温层，与巷道内部起支撑作用的钢拱架进行连接。
所述锚杆6为内部中空的保温锚管，所述保温锚管的中空腔中设置有导热线5。
保温锚管的锚固端预留20～30cm长度的导热线5。
所述新能源供能机构包括风动供能机构，还包括太阳能供能、生物供能等其他新能源供能方式。
所述相变储能材料层3由能够储存/释放热量的相变材料中加入导热增强剂制作而成。
所述相变材料为水，其相变温度为0℃，储热极限温度为100℃，还包括高导热相变硅脂、石蜡。
所述导热线5分布于相变储能材料层3和紧贴锚管体11中。
所述导热线5为硅胶电热线。
所述相变材料温度传感器9通过新能源供能机构进行充电，由于相变材料温度控制器9耗能较低，在没有新能源供能机构供电的情况下，依然能持续工作。
所述控制器13通过新能源供能机构进行充电，由于控制器13耗能较低，在没有新能源供能机构供电的情况下，依然能持续工作。
所述相变材料温度传感器9与控制器13通过供电线8直接相连。
一种防冻胀巷道保温支护系统的施工方法，包括以下步骤：
开挖巷道及钻设锚管孔：根据巷道设计断面图，开挖巷道，开挖过程中保证巷道内壁平整，开挖巷道的同时在设计位置钻设锚管孔，锚管孔的直径大于设计图中保温锚管的直径2～5cm；巷道每开挖1～2m，在巷道主体1的内壁铺设防水层2；
施作保温锚管和钢拱架10：巷道每开挖1～2m，即停止开挖，将弯曲弧度与巷道断面相同的钢拱架10紧贴巷道主体1的内壁进行安装；待钢拱架10安装完毕后，在带有注浆孔12的锚管体11内紧贴管壁固定导热线5形成保温锚管，将保温锚管插入钻孔，注浆锚固，并处理好保温锚管的锚固端穿透防水层的开孔部位；
敷设相变保温系统：根据每两榀钢拱架10之间的距离及巷道内壁弧度制作内部均匀铺设有导热线5和相变材料温度传感器9的相变储能材料层3和保温层4，将制作完成的相变储能材料层3和保温层4紧贴防水层2依次敷设；
架设风动供能机构：在巷道口空旷地面选择风能资源较为丰富场地，架设风动供能机构；
连接控制系统：利用供电线8将保温锚管锚固端和相变储能材料层3外露的导热线5接电；同时，利用供电线8将相变材料温度传感器9与控制器13连接。
一种防冻胀巷道保温支护系统的保温控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取相变材料温度传感器9采集的温度数据；
判断所述温度数据是否小于相变储能材料层3中相变材料的相变温度；
当相变材料温度传感器9监测到的温度低于相变储能材料层3的相变温度时，相变材料温度传感器9将温度信号反馈到控制器13，预装在控制器13中的计算机程序根据温度信号控制风动供能机构启动，借助高寒地区丰富的风力资源，控制风动供能机构对导热线5进行供电；
判断所述温度数据是否达到相变储能材料层中相变材料的储能极限温度；
当相变材料的储存容量达到最大值时，即相变材料温度传感器9感知到的温度达到相变储能材料层3的储能极限温度时，相变材料温度传感器9将温度信号反馈到控制器13，控制器13断开风动供能机构向所述导热线5的供电。
由于本发明采用相变材料对巷道围岩体进行防冻胀保护，相对于现有技术采用的空气气囊而言，空气的热焓值较低，无法对空气气囊中的空气进行大量储能，为维持巷道温度需要持续对传热层进行电加热，并且在高寒地区冷季长时间温度较低，气囊中的温度随外界温度变化较大，导致防冻胀效果不理想，而本发明采用了由相变材料构成的相变材料储能层对巷道主体进行保温，利用相变储能材料热焓值大，储能密度高的优点，在对巷道进行保温时相变储热材料内部发生相态变化释放热量，防止巷道结构发生冻胀破坏，能够获得到最佳的防冻胀效果。其次，防冻胀巷道保温支护系统以风能、太阳能以及生物质能等清洁能源作为新能源供能机构，利用高寒地区风能、太阳能、生物质能充足的资源对保温系统进行供能，通过将相变储能材料和新能源供能机构的优势集合，使得该系统能够持久、长效地发挥巷道防冻胀破坏的作用，并降低了能源的消耗，减少了污染。再有，本申请提出的一种防冻胀巷道保温的施工方法和保温控制方法能够有效地降低巷道冻胀破坏现象保证高寒地区矿山巷道的结构安全。
对于上述防冻胀巷道保温支护系统，其保温控制方法如下，其中新能源供能机构以风动供能机构为例：
当风力不足且温度处于负温时，储存在相变储能材料中的热量释放，可以抵抗环境负温引起的构筑物冻胀；
在持续负温的冷季，当储存在相变储能材料内的能量释放后不足以抵抗环境负温引起的冻胀破坏时，相变材料温度传感器将感知到的温度低于相变储能材料层的相变温度时，相变材料温度传感器将温度信号反馈到控制器，预装在控制器中的计算机程序根据温度信号控制风动供能机构启动，借助高寒地区丰富的风力资源，将风能转化为热能储存在相变储能材料中，使得相变储能材料持久处于储存/释放热量的循环中，同时，设置在保温锚管内部的导热线，促使热量向巷道围岩深部传导，保证了巷道围岩内部不发生冻胀；
当相变材料的储存容量达到最大值时，即相变材料温度传感器感知到的温度高于相变储能材料层的储能极限温度时，相变材料温度传感器将温度信号反馈到控制器，预装在控制器中的计算机程序根据温度信号控制风动供能机构停止向巷道保温支护系统提供能量，此时，风动供能机构所发出的电能可作其他用途。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (5)
1.一种防冻胀巷道保温支护系统，其特征在于，包括：新能源供能机构(7)、控制器(13)、保温结构和支护结构，其中，保温结构包括防水层(2)、相变储能材料层(3)以及保温层(4)，所述防水层(2)敷设在巷道主体(1)的内壁表面，所述相变储能材料层(3)敷设在所述防水层(2)表面，所述保温层(4)敷设在相变储能材料层(3)表面；所述相变储能材料层(3)内部设置有导热线(5)和相变材料温度传感器(9)；所述相变材料温度传感器(9)与所述控制器信号连接，所述控制器与所述新能源供能机构(7)控制连接，所述新能源供能机构(7)通过供电线(8)与所述导热线(5)连接；
所述系统还包括锚杆(6)，用于所述防水层(2)、相变储能材料层(3)以及保温层(4)在巷道主体的固定；所述锚杆(6)贯穿巷道主体(1)、防水层(2)、相变储能材料层(3)以及保温层(4)；所述锚杆(6)为内部中空的保温锚管，所述保温锚管的中空腔中设置有导热线(5)；所述保温锚管的锚固端预留设定长度的导热线(5)；
所述新能源供能机构(7)包括风动供能机构。
2.根据权利要求1所述的一种防冻胀巷道保温支护系统，其特征在于，所述相变储能材料层(3)由能够储存/释放热量的相变材料中加入导热增强剂制作而成。
3.根据权利要求2所述的一种防冻胀巷道保温支护系统，其特征在于，所述相变材料为水，其相变温度为0℃，储热极限温度为100℃。
4.一种权利要求1-3任一项所述的防冻胀巷道保温支护系统的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
开挖巷道及钻设锚管孔，巷道每开挖设定长度，在巷道主体(1)的内壁铺设防水层(2)；
施作保温锚管和钢拱架(10)；
根据每两榀钢拱架(10)之间的距离及巷道内壁弧度制作内部铺设有导热线(5)和相变材料温度传感器(9)的相变储能材料层(3)和保温层(4)，将制作完成的相变储能材料层(3)和保温层(4)紧贴防水层(2)依次敷设；
架设风动供能机构；
连接控制系统：利用供电线(8)将保温锚管锚固端和相变储能材料层(3)外露的导热线(5)连接风动供能机构的供电端；并利用供电线(8)将相变材料温度传感器(9)与控制器(13)连接。
5.一种防冻胀巷道保温支护系统的保温控制方法，其特征在于，所述保温控制方法应用于权利要求1-3任一项所述的防冻胀巷道保温支护系统，所述保温控制方法包括以下步骤：
获取相变材料温度传感器(9)采集的温度数据；
判断所述温度数据是否小于相变储能材料层(3)中相变材料的相变温度；
如果是，则控制风动供能机构对导热线(5)进行供电；
判断所述温度数据是否达到相变储能材料层(3)中相变材料的储能极限温度；
如果所述温度数据达到了相变储能材料层中相变材料的储能极限温度，则断开风动供能机构向所述导热线(5)的供电。
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