Frp-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱及其施工方法
阅读说明：本技术 Frp-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱及其施工方法 (FRP (fiber reinforced plastic) -steel wire mesh framework plastic composite pipe constraint coal gangue concrete pier column and construction method thereof ) 是由 赵红超 陈辉 刘洪林 吕金星 曾俊杰 于 2020-05-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了FRP-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱,其特征在于：钢丝网骨架塑料复合管和放置在其内部的FRP管组成外部约束材料,煤矸石混凝土作为内部充填材料。将井下通过鄂式破碎机分级破碎、分选之后的煤矸石直接填充到FRP-钢丝网骨架塑料复合管中,将矿井水和以粉煤灰、高炉灰渣、废弃石膏和生石灰为主要原料的胶凝材料搅拌均匀后注入FRP-钢丝网骨架塑料复合管中,形成FRP-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱。所述的煤矸石混凝土具有经济环保、可就地制备的优点。所述的FRP-钢丝网骨架塑料复合管充分发挥了FRP材料轻质高强和钢丝网骨架塑料复合管大变形的优点。本发明还公开了FRP-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱施工方法。(The invention discloses an FRP (fiber reinforced plastic) -steel wire mesh framework plastic composite pipe constraint coal gangue concrete pier stud, which is characterized in that: the steel wire mesh framework plastic composite pipe and the FRP pipe arranged inside the steel wire mesh framework plastic composite pipe form an external constraint material, and the coal gangue concrete is used as an internal filling material. The coal gangue after being graded and sorted by a jaw crusher is directly filled into an FRP-steel wire mesh framework plastic composite pipe, mine water and a cementing material which takes fly ash, blast furnace ash, waste gypsum and quicklime as main raw materials are uniformly stirred and then are injected into the FRP-steel wire mesh framework plastic composite pipe, and an FRP-steel wire mesh framework plastic composite pipe restraint coal gangue concrete pier stud is formed. The coal gangue concrete has the advantages of economy, environmental protection and on-site preparation. The FRP-steel wire mesh framework plastic composite pipe fully exerts the advantages of light weight, high strength and large deformation of the FRP material and the steel wire mesh framework plastic composite pipe. The invention also discloses a construction method for restraining the coal gangue concrete pier stud by the FRP-steel wire mesh framework plastic composite pipe.)
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，尤其涉及一种采用纤维增强复合材料（FRP）和钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土的组合墩柱。
背景技术
随着煤矿开采深度的增加，传统的锚杆支护技术已经无法满足巷道支护的基本要求。以钢管混凝土柱为代表的被动支护结构开始引起关注。但是，钢管一旦出现屈曲之后将无法提供持续增加的约束力，采用钢管作为约束材料的钢管混凝土柱和钢管混凝土支架出现承载能力降低的现象。同时，在地面预制的钢管混凝土柱自重较大，在实际使用过程中需要专业的运输与安装设备，无疑增加了煤炭资源的开采成本。另一方面，钢管混凝土柱使用的钢管在遇到撞击时容易产生花火，导致其在高瓦斯矿井中使用的过程中存在一定的安全隐患。采用轻质高强、具有持续增加的力学特性的材料是解决这一问题的主要途径。纤维增强复合材料是由碳纤维、玻璃纤维等增强材料和树脂集体复合而成的非金属材料，具有天生的耐腐蚀能力。此外，以碳纤维复合材料为例，其拉伸强度可达到2300 MPa，是普通钢材的10倍。不同于钢材屈曲之后的力学特征，复合材料呈现线性增长的应力应变特征使其成为替代井下钢材的理想材料。
煤矸石作为煤矿开采过程中不可避免的固体废弃物，已经成为煤矿生态环境保护的重点关注对象。随着国家绿色发展、生态优先的可持续发展理念不断得到深化和落实，占据固体废弃物高达40%的煤矸石综合利用问题再次引起行业和社会的广泛关注。作为煤炭生产和消费大国，我国每年生产的煤矸石固体废弃物占到煤炭产量的10%-25%，年排放量约8亿吨以上。由于煤矸石的综合利用相对滞后，目前理念产生的煤矸石存量达到50-60亿吨。全国煤矸石山现存1900多座，不但占用大量土地，产生的排放还直接污染地下水、空气和土壤，是亟需治理的重大污染源。
矿井水是指在煤矿采掘过程中所有充入井下采掘空间的水，是煤矿开采过程中受污染的地下水，为保证安全生产和良好的作业环境，开采过程中必须进行矿井排水。据不完全统计，全国平均吨煤涌水量为2-4立方米，全国每年外排矿井水超过30亿立方米，约占全国地下水开采量的5%，为我国城市年生活用水的40%。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。
未解决上述技术问题，本发明提出一种采用煤矸石混凝土作为内部充填材料，FRP-钢丝网骨架塑料复合管作为外部约束材料的煤矿井下支护墩柱结构，作为现有钢管混凝土柱的一种潜在的替代产品。所述的FRP-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱具有经济环保、结构力学优异等优点。
根据本发明实施例的FRP-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱，钢丝网骨架塑料复合管和放置在其内部的FRP管组成外部约束材料，煤矸石混凝土作为内部充填材料。所述的钢丝网骨架塑料复合管的钢丝网骨架由高强钢丝焊接而成，外部塑料为具有阻燃抗静电特性的工程塑料组成。放置在钢丝网骨架塑料复合管内部的FRP管为采用缠绕或拉绕工艺制备而成的成品FRP管。其中，构成FRP管的纤维主要沿横向布置，并且横向纤维的体积比不低于70%；
根据本发明的一个实施例，所述的FRP-钢丝网骨架塑料复合管的截面形状为圆形、椭圆形或者圆角矩形。所述的FRP管可以与钢丝网骨架塑料复合管同心放置以充分发挥其抗压性能。同时，根据需要FRP管和钢丝网骨架塑料复合管可以偏心放置，以满足不同的偏压要求；
根据本发明的一个实施例，所述的组成煤矸石混凝土的骨料为在井下通过鄂式破碎机进行分级破碎、分选后粒径大小介于10-60 毫米的煤矸石体；
根据本发明的一个实施例，所述的组成煤矸石混凝土的胶凝材料为粉煤灰、高炉灰渣、废弃石膏和生石灰按照一定比例配置而成的混合粉末状胶凝材料；
根据本发明的一个实施例，所述的制备煤矸石混凝土过程中的水可以在井下直接获取。为经过沉淀处理的矿井水。
根据本发明的一个实施例，所述的煤矸石混凝土以FRP-钢丝网骨架塑料复合管作为充填模板。在填满煤矸石的FRP-钢丝网骨架塑料复合管中注入由矿井水和胶凝材料形成的浆液形成免搅拌煤矸石混凝土。
本发明同时提供了一种施工工艺简单的FRP-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱的施工方法，按照以下步骤进行：
步骤一，将FRP管、钢丝网骨架塑料复合管在地面切割成设计需要的长度；
步骤二，将粉煤灰、高炉灰渣、废弃石膏和生石灰按照设计比例搅拌均匀后密封，运输至井下指定位置；
步骤三，将运输至井下的FRP管放入钢丝网骨架塑料复合管中，在上下两端通过塑料卡扣两个管子按照设计的偏心距进行固定；
步骤四，将固定后的FRP-钢丝网骨架塑料复合管沿巷道高度方向直立，采用单体液压支柱对其周围两米以内的巷道顶板进行临时支护；
步骤五，采用颚式破碎机在井下对煤矸石进行破碎，将粒径大小介于10-60 毫米的煤矸石块体筛选出来；
步骤六，将破碎筛分后的煤矸石块体通过平板车运输到架设好FRP-钢丝网骨架塑料复合管附近，通过便携式带式输送机将煤矸石块体注入FRP-钢丝网骨架塑料复合管；
步骤七，将经过沉淀、过滤之后不包含肉眼可见的固体杂质的矿井水和由粉煤灰、高炉灰渣、废弃石膏和生石灰组成的混合粉末状胶凝材料按照设计比例进行搅拌；
步骤八，通过注浆泵将搅拌混合之后的浆液注入充满煤矸石块体的FRP-钢丝网骨架塑料复合管中，直至其完全充满；
步骤九，在FRP-钢丝网骨架塑料复合管上方放置带有注浆孔和排气孔的橡胶胶囊，通过注浆孔将浆液注入橡胶胶囊，实现FRP-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱与巷道顶板的完全接触；
步骤十，依次对装满煤矸石块体的FRP-钢丝网骨架塑料复合管进行充填，直至所有复合管均已充满，完成一个工作循环；
步骤十一，充填工作结束7天后，撤掉架设在FRP-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱周围的单体液压支柱。
本发明的附加方面和优点将结合实施例作以描述。
附图说明
图1是本发明实施例的FRP-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱的结构示意图；
图2是本发明实施例的FRP-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱的复合管的组成结构示意图；
图3是本发明实施例的FRP-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱的第一种截面形式；
图4是本发明实施例的FRP-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱的第二种截面形式；
图5是本发明实施例的FRP-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱的第三种截面形式；
附图标记：
复合管1；煤矸石混凝土2；FRP管3；钢丝网骨架塑料复合管4。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。
如图1、图2所示，根据本发明实施例的FRP-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱包括复合管1和煤矸石混凝土2。所述的复合管1由钢丝网骨架塑料复合管4和放置在其内部的FRP管3组成，起到约束作用。所述的钢丝网骨架塑料复合管的钢丝网骨架由高强钢丝焊接而成，外部塑料为具有阻燃抗静电特性的工程塑料组成。放置在钢丝网骨架塑料复合管内部的FRP管为通过缠绕或拉绕工艺制备而成的成品FRP管。其中，构成FRP管的纤维主要沿横向布置，并且横向纤维的体积比不低于70%； 具有轻质高强特性的FRP管由于其特殊的线弹性拉伸特性，在受轴压作用时可以内部填充的煤矸石混凝土提供持续增加的约束力，煤矸石混凝土的强度和变形能力将得到有效的改善。但是，作为一种典型的线性材料，一旦FRP管出现破裂，FRP约束煤矸石混凝土的承载力将在瞬间降低为零，不能满足煤矿巷道支护的要求，因此单纯使用FRP管约束煤矸石混凝土在煤矿巷道支护方面具有一定的局限性。钢丝网骨架塑料复合管具有较大的变形能力，但是其较低的拉伸强度无法给煤矸石混凝土提供持续有效的约束力，对混凝土强度的提高作用不是十分明显。通过将FRP管和钢丝网骨架塑料复合管进行组合，可以在充分发挥FRP管有效约束的前提下，保证新型组合墩柱具有大变形的能力。另一方面，由于钢丝网骨架塑料复合具有阻燃抗静电的特性，当FRP管放置在其内部使用时可以不考虑FRP管的防火设计要求。
如图3所示，根据本发明实施例的FRP-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱截面形式可以为圆形。采用圆形截面的FRP-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱可用在普通采准巷道的支护中。
如图4-图5所示，根据本发明实施例的FRP-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱的截面形式可以为椭圆形或者圆角矩形。采用椭圆形或者圆角矩形的断面形式的墩柱主要用于沿空留巷巷旁充填墙体的构筑。
本发明实施例中所述的煤矸石混凝土是以FRP-钢丝网骨架塑料复合管为模板，在填满煤矸石块体的FRP-钢丝网骨架塑料复合管中注入由矿井水和胶凝材料按照设计比例配制的浆液形成免搅拌的煤矸石混凝土。其中，所述的胶凝材料的主要成分包括粉煤灰、高炉灰渣、废弃石膏和生石灰。优选的，粉煤灰、高炉灰渣、废弃石膏和生石灰的体积分数分别为30%， 40%，20% 和10%。优选的，矿井水和胶凝材料的质量比为0.3。
本发明提供的FRP-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱的施工方法，包括以下步骤：
步骤一，将FRP管、钢丝网骨架塑料复合管在地面切割成设计需要的长度。其中，FRP管的外直径为500毫米，钢丝网骨架塑料复合管的内直径为800毫米。FRP管和钢丝网骨架塑料复合管的长度相同，均为井下巷道的最小高度；
步骤二，将粉煤灰、高炉灰渣、废弃石膏和生石灰按照设计比例搅拌均匀后密封，运输至井下指定位置。所述的粉煤灰、高炉灰渣、废弃石膏和生石灰的体积分数分别为30%，40%，20% 和10%；
步骤三，将运输至井下的FRP管放入钢丝网骨架塑料复合管中，在其上下两端通过塑料卡扣两个管子按照设计的偏心距进行固定。根据实际需要，若FRP-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱用于普通采准巷道加强支护，则偏心距为零，FRP管和钢丝网骨架塑料复合管同心放置。若FRP-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱用于沿空留巷或其他受强烈采动影响作用的巷道支护，根据实际情况调整偏心距，即FRP管中心位置偏离钢丝网骨架塑料复合管中心位置的距离介于50-100毫米之间；
步骤四，将固定后的FRP-钢丝网骨架塑料复合管沿巷道高度方向直立，采用单体液压支柱对其周围两米以内的巷道顶板进行临时支护。在将FRP-钢丝网骨架塑料复合管竖立起来之前需要对巷道底板的浮煤和杂物进行清理；
步骤五，采用颚式破碎机在井下对煤矸石进行破碎，将粒径大小介于10-60毫米的煤矸石块体收集起来；
步骤六，将破碎筛分后的煤矸石块体通过平板车运输到架设好FRP-钢丝网骨架塑料复合管附近，通过便携式带式输送机将煤矸石块体注入FRP-钢丝网骨架塑料复合管中；
步骤七，将经过沉淀、过滤之后不包含肉眼可见的固体杂质的矿井水和由粉煤灰、高炉灰渣、废弃石膏和生石灰组成的粉末按照设计比例进行搅拌；
步骤八，通过注浆泵将搅拌混合之后的浆液注入充满煤矸石块体的FRP-钢丝网骨架塑料复合管中，直至其完全充满；
步骤九，在FRP-钢丝网骨架塑料复合管上方放置带有注浆孔和排气孔的橡胶胶囊，通过注浆孔将浆液注入橡胶胶囊，实现FRP-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱与巷道顶板的完全接触。通常情况下，巷道实际开挖高度比设计高度要大，采用柔性的可以注入浆液的橡胶胶囊可以最大程度的使墩柱与巷道顶板接触；
步骤十，依次对装满煤矸石块体的FRP-钢丝网骨架塑料复合管进行充填，直至所有复合管均已充满，完成一个工作循环；
步骤十一，充填工作结束7天后，撤掉架设在FRP-钢丝网骨架塑料复合管约束煤矸石混凝土墩柱周围的单体液压支柱。
尽管已经给出并描述了本发明的实施例，但是可以理解的是，上述实施例是示例性的。对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对本发明的实施例进行多种变化、修改、替换和变型，皆应属于本发明的涵盖范围。
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