Frp-pvc膜壳内填自密实煤矸石混凝土防火组合煤柱及加固方法
阅读说明：本技术 Frp-pvc膜壳内填自密实煤矸石混凝土防火组合煤柱及加固方法 (FRP-PVC membrane shell filled with self-compacting coal gangue concrete fireproof combined coal pillar and reinforcing method ) 是由 李庆文 祝青云 曹行 禹萌萌 曾杏钢 胡露露 高森林 刘艺伟 才诗婷 杨温 高安 于 2021-10-19 设计创作，主要内容包括：FRP-PVC膜壳内填自密实煤矸石混凝土防火组合煤柱及加固方法,属于地下工程及采矿工程加固技术领域；包括PVC模板；PVC模板由高度相等的上模板体和下模板体组成；所述PVC模板内部同轴放置有煤柱,且煤柱与PVC模板之间的空隙处填充自密实煤矸石混凝土；PVC模板外侧套装有FRP纤维布,且两者之间涂抹粘接剂,在所述FRP纤维布外侧喷涂有防火层。本发明耐火性、耐久性好、强度高,施工操作简单；可有效减小煤柱尺寸,提高煤炭资源回采率；有效控制采空区沉降对生态环境影响,同时也实现了煤矸石在地下的就地利用,减轻了煤矸石大量堆积对环境造成的危害。(A fire-proof combined coal pillar filled with self-compacting coal gangue concrete in an FRP (fiber reinforced Plastic) -PVC (polyvinyl chloride) membrane shell and a reinforcing method belong to the technical field of underground engineering and mining engineering reinforcement; comprises a PVC template; the PVC template consists of an upper template body and a lower template body which are equal in height; coal pillars are coaxially arranged in the PVC template, and self-compacting coal gangue concrete is filled in gaps between the coal pillars and the PVC template; the outer side of the PVC template is sleeved with FRP fiber cloth, an adhesive is smeared between the FRP fiber cloth and the FRP fiber cloth, and the outer side of the FRP fiber cloth is sprayed with a fireproof layer. The invention has good fire resistance and durability, high strength and simple construction operation; the size of the coal pillar can be effectively reduced, and the recovery rate of coal resources is improved; the influence of the goaf sedimentation on the ecological environment is effectively controlled, the coal gangue is utilized underground on the spot, and the harm to the environment caused by the large accumulation of the coal gangue is reduced.)
技术领域
本发明属于地下工程及采矿工程加固技术领域，具体涉及FRP-PVC膜壳内填自密实煤矸石混凝土防火组合煤柱及加固方法。
背景技术
煤柱作为地下煤炭资源开采过程中一种普遍使用的支护结构，煤矿每年会产生大量的地下废弃煤柱，不仅承受上覆岩层的荷载，而且还受到复杂地质环境的腐蚀，导致煤柱承载能力逐渐丧失，进而造成采空区地表沉降。因此，废弃煤柱加固已成为采空区地表沉降控制领域的热点研究课题。目前，传统煤柱加固主要采用锚索、注浆、喷射混凝土、充填墙等方法，但在煤炭资源的回采率方面没有显著提高。
随着我国煤炭的大量开采，煤矸石的产量急剧增加，煤矸石大量堆积不仅占用了大量的土地资源，也带来了严重的环境问题，运输煤矸石也需要大量的人力物力，我国对环保要求也越来越高，煤矸石的绿色高效处理已成为矿山固体废弃物资源化的热点研究方向。因煤炭资源自身所处的地下工程地质环境复杂，瓦斯爆炸等煤矿矿井火灾频发，不仅会削弱采空区煤柱自身承载能力，也会诱发煤柱失稳。
FRP是近几十年迅速发展起来的纤维增强复合材料，因其具有轻质高强、力学性能优越、耐腐蚀和易施工等优点，被广泛应用于环境复杂的工程结构和构件的加固或修复等方面。这些特点使得FRP材料能满足在恶劣条件下工作的需要，利用FRP加固煤柱，可以增强煤柱的强度，改善煤柱的变形性能，也提高了煤柱的抗震性、耐腐蚀性及耐久性等特性。PVC材料轻质高强、可模性好，具有优良的几何稳定性，在煤柱加固过程中既可充当可拼装、可预制的模板，也可作为复合煤柱结构的一部分，提供一定程度的侧向约束力。防火涂料本身不可燃烧，可使被涂材料不直接与空气中的氧气接触，提高其耐火性。因此，提出了FRP-PVC膜壳内填自密实煤矸石混凝土防火组合煤柱及加固方法，可有效提高煤柱的承载力，改善煤柱延性，最重要的是可有效降低煤柱的尺寸，提高煤炭资源回采率，有效控制地表沉降。
发明内容
本发明的目的在于提供FRP-PVC膜壳内填自密实煤矸石混凝土防火组合煤柱及加固方法，解决煤柱抗压强度低、耐久性以及耐火性差的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
FRP-PVC膜壳内填自密实煤矸石混凝土防火组合煤柱，包括煤柱、自密实煤矸石混凝土、PVC模板、粘接剂、FRP纤维布层及防火层；PVC模板由高度相等的上模板体和下模板体组成，所述上模板体由两块U型模板Ⅰ组成，在U型模板Ⅰ的连接端沿轴向等间距设置预制孔，其中一个U型模板的侧壁顶部设置半预制孔，两块U型模板Ⅰ通过连接端对接后通过螺栓固定连接，且在U型模板Ⅰ的底端面设置有环状插接块；所述下模板体由两块U型模板Ⅱ组成，在U型模板Ⅱ的连接端沿轴向等间距设置预制孔，两块U型模板Ⅱ通过连接端对接后通过螺栓固定连接，且在U型模板Ⅱ的顶端面设置有与环状插接块配合的环状凹槽；所述PVC模板内部同轴放置有煤柱，且煤柱与PVC模板之间的空隙处填充自密实煤矸石混凝土；PVC模板外侧套装有FRP纤维布层，且两者之间涂抹粘接剂，在所述FRP纤维布层外侧喷涂有防火层。
所述PVC模板外侧壁缠绕有X圈FRP纤维布层，X＝3～6；在缠绕至第X-1圈时，采用机械拉紧装置对FRP纤维布层施加适当的预应力，然后完成剩余部分缠绕形成FRP限位布层；
当煤柱截面形状为圆形，直径为D时，规定：
当煤柱截面形状为多边形时：
等效直径D按照公式计算，其中n大于等于4且n为整数，其中n为多边形的边数，bi是多边形第i条边的边长；FRP纤维布层的重叠区搭接长度为L，且L＝D。
所述煤柱的横截面形状为圆形或多边形；半预制孔的形状为半圆形或半多边形。
所述粘结剂采用树脂型浸渍胶，树脂型浸渍胶能快速固化，使FRP纤维布层的粘合效果更好，树脂型浸渍胶对FRP纤维布层起着固定保护的作用，另外也可以提高其强度。
所述FRP纤维布层分为CFRP纤维布层、GFRP纤维布层、AFRP纤维布层或BFRP纤维布层。
所述防火涂料喷涂在FRP纤维布层的外侧，能提高整个结构的耐火性，防火涂料为木材防火涂料、钢结构防火涂料、混凝土结构防火涂料、隧道防火涂料或电缆防火涂料。
FRP-PVC膜壳内填自密实煤矸石混凝土防火组合煤柱的加固方法，包括如下步骤：
步骤1，在煤柱外侧底端安装组成PVC模板的下模板体，将螺栓穿过预制孔使两块U型模板Ⅱ连接固定，组成形状与煤柱横截面形状相适应的下模板体；在煤柱与下模板体之间浇筑自密实煤矸石混凝土，待自密实煤矸石混凝土与下模板体顶端持平时，停止浇筑；然后在下模板体上安装组成PVC模板的上模板体，将上模板体的两块U型模板Ⅰ底端的环状插接块插入下模板体的环状凹槽内，再用螺栓穿过预制孔连接固定，组成形状与煤柱横截面形状相适应的上模板体，通过半预制孔向煤柱与上模板体之间的空隙再次浇筑自密实煤矸石混凝土，待其与半预制孔底部持平时停止注入；
步骤2，待自密实煤矸石混凝土完全凝固后，无需拆模，在PVC模板外侧和FRP纤维布层内侧分别均匀涂抹粘结剂；将FRP纤维布绕PVC模板缠绕X圈，在缠绕第X-1圈时通过机械拉紧装置对FRP纤维布施加预应力，然后完成剩余的缠绕形成FPR限位层；
步骤3，待FRP纤维布层缠绕完成至粘结剂完全凝固后，通过喷涂机将防火涂料均匀的喷涂在FRP纤维布层上，喷涂分为两次完成，不仅使涂层质量均匀，而且可以提高效率。
本发明与传统的加固方法相比具有以下优点：
1、本发明的结构为从内向外依次设置煤柱、自密实煤矸石混凝土、PVC模板、FRP纤维布层以及防火层。本发明中的PVC模板在自密实煤矸石混凝土浇筑完成之后无需移除，这样可以省一道工序，同时PVC材料材质较轻、强度高，具有优良的几何稳定性，保留下来的PVC模板能有效约束自密实煤矸石混凝土的横向膨胀，减轻FRP纤维布层的约束负担，减小FRP纤维布层的变形，使FRP纤维布层的约束功能得到更充分的发挥。
2、本发明提升了被加固煤柱的受力性能，FRP纤维布层协同PVC模板以及自密实煤矸石混凝土共同抵制煤柱弯曲变形，有效约束煤柱局部弯曲。使煤柱的强度得到更充分的利用，提升了煤柱的受力性能。
3、本发明提升了被加固煤柱的耐火性能，本发明中在FRP纤维布层外侧喷涂的防火涂料本身具有难燃性或不燃性，使被涂材料不直接与空气接触，可以延迟物体着火，减小燃烧的速度，大大增强了整个结构的耐火性。
4、本发明提升了被加固煤柱的耐久性。本发明中使用的FRP纤维布层可以长时间承受酸性、碱性和潮湿环境，提高了结构的耐腐蚀性，延长了结构的使用寿命，进而提升其耐久性。
5、本发明可提升工作效率改善工作环境。本发明中使用的自密实煤矸石混凝土能够保证混凝土良好的密实，由于自密实煤矸石混凝土在浇筑过程中不需要振捣，不仅避免了振捣对煤柱稳定性造成得影响，同时也避免了振捣对模板产生的磨损，而且提高了生产效率，工作环境也得到了改善。
6、本发明实现了煤矸石等废弃物的资源化利用。煤矸石是煤炭开采和洗选过程中排出的矿山固体废弃物，煤矸石大量堆积不仅占用了大量的土地资源，也带来了严重的环境问题，本发明在自密实煤矸石混凝土中掺入一定比例的煤矸石，既节省了大量的运输成本，同时也缓解了煤矸石大量堆积造成的环境污染，实现了废弃物的资源化利用。
7、本发明可提高煤炭资源的回采率。煤柱是衡量采区回采率的一个重要标准，煤柱的尺寸对回采率也有不可忽视的影响，本发明中加固煤柱的方法能更好的为煤柱提供环向应力，可以减小煤柱的直径，进而提高煤炭资源的回采率。
8、本发明防火组合煤柱的加固方法可以直接使用，不需要额外的防腐、防火措施，避免长期维护费用，具有广泛的应用前景及经济价值。
附图说明
图1本发明FRP-PVC膜壳内填自密实煤矸石混凝土防火组合煤柱的横截面示意图；
图2本发明FRP-PVC膜壳内填自密实煤矸石混凝土防火组合煤柱的立体图；
图3本发明FRP-PVC膜壳内填自密实煤矸石混凝土防火组合煤柱的上模板体的U型模板Ⅰ示意图；
图4本发明FRP-PVC膜壳内填自密实煤矸石混凝土防火组合煤柱的上模板体的带有半预制孔的U型模板Ⅰ示意图；
图5本发明FRP-PVC膜壳内填自密实煤矸石混凝土防火组合煤柱的上模板体示意图；
图6本发明FRP-PVC膜壳内填自密实煤矸石混凝土防火组合煤柱的下模板体示意图；
1-煤柱，2-自密实煤矸石混凝土，3-PVC模板，4-FRP纤维布层，5-防火层，6-上模板体，7-下模板体，8-半预制孔，9-预制孔，10-环状插接块，11-环状凹槽，12-U型模板Ⅰ。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1至图6所示，FRP-PVC膜壳内填自密实煤矸石混凝土防火组合煤柱，包括煤柱1、自密实煤矸石混凝土2、PVC模板3、粘接剂、FRP纤维布层4及防火层5；PVC模板3由高度相等的上模板体6和下模板体7组成，所述上模板体6由两块U型模板Ⅰ12组成，在U型模板Ⅰ12的连接端沿轴向等间距设置预制孔9，其中一个U型模板12侧壁顶部设置半预制孔8，两块U型模板Ⅰ12在连接端对接后通过螺栓固定，且两块U型模板Ⅰ12对接后内表面和外表面共面，在所述U型模板Ⅰ12的底端面设置有环状插接块10；所述下模板体7由两块U型模板Ⅱ组成，在U型模板Ⅱ的连接端沿轴向等间距设置预制孔9，两块U型模板Ⅱ在连接端对接后通过螺栓固定，且两块U型模板Ⅱ对接后内表面和外表面共面，在所述U型模板Ⅱ的顶端面设置有与环状插接块10配合的环状凹槽11；所述PVC模板3内部同轴放置有煤柱1，且煤柱1与PVC模板3之间的空隙处填充自密实煤矸石混凝土2；PVC模板3外侧套装有FRP纤维布层4，且两者之间涂抹粘接剂，在所述FRP纤维布层4外侧喷涂有防火层5。
所述PVC模板3外侧壁缠绕有X圈FRP纤维布层4，X＝5；在缠绕至第4圈时，采用机械拉紧装置对FRP纤维布层4施加1MPa的预应力，机械拉紧装置为煤矿通用设备，然后完成其余缠绕形成FRP纤维布层4；
本实施例中煤柱1截面形状为矩形：
等效直径D按照公式计算，其中n为4，其中n为矩形的边数，bi是多边形第i条边的边长。FRP纤维布层4的重叠区搭接长度为L，且L＝D。
所述煤柱1的横截面形状为圆角矩形；半预制孔8的形状为半圆形。
所述粘结剂采用树脂型浸渍胶，树脂型浸渍胶能快速固化，使FRP纤维布层4的粘合效果更好，树脂型浸渍胶对FRP纤维布层4起着固定保护的作用，另外也可以提高其强度。
所述FRP纤维布层4分为CFRP纤维布层。
所述防火涂料喷涂在FRP纤维布层4的外侧，能提高整个结构的耐火性，防火涂料为混凝土结构防火涂料。
FRP-PVC膜壳内填自密实煤矸石混凝土防火组合煤柱的加固方法，包括如下步骤：
步骤1，在煤柱1外侧底端安装组成PVC模板3的下模板体7，将螺栓穿过预制孔9使两块U型模板Ⅱ用螺栓连接固定，组成形状与煤柱1横截面形状相适应的带有圆角的矩形下模板体7；在煤柱1与下模板体7之间浇筑自密实煤矸石混凝土2，待自密实煤矸石混凝土2与下模板体7顶端持平时，停止浇筑；然后在下模板体7上安装组成PVC模板3的上模板体6，将上模板体6的两块U型模板Ⅰ12底端的环状插接块10插入下模板体7的环状凹槽11内，再用螺栓连接固定，组成形状与煤柱1横截面形状相适应的带有圆角的矩形的上模板体6，通过预制孔向煤柱1与上模板体6之间的空隙再次浇筑自密实煤矸石混凝土2，待其与半预制孔8底部持平时停止注入；
步骤2，待自密实煤矸石混凝土2完全凝固后，无需拆模，在PVC模板3外侧和FRP纤维布层4内侧分别均匀涂抹粘结剂；将FRP纤维布层4绕PVC模板3缠绕5圈，在缠绕第4圈时通过机械拉紧装置对FRP纤维布层4施加1MPa预应力，然后完成剩余部分的缠绕形成FRP纤维布层4；
步骤3，待FRP纤维布层4缠绕完成至粘结剂完全凝固后，通过电动式无气喷涂机将防火涂料均匀的喷涂在FRP纤维布层4上，喷涂分为两次完成，两次喷涂之间间隔24小时，不仅使涂层质量均匀，而且可以提高效率。
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