[发明专利]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

说明书

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。

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；