【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于碳纤维增强复合材料的煤矿井下轻质泡沫混凝土单体预制柱的施工方法，属于煤矿开采巷道支护领域。
技术介绍
1、我国煤炭资源主要依赖井工开采，在矿井开采中不可避免的需要开掘大量巷道，用于通风、运输等，服务开采工作面。为保持巷道的畅通和围岩稳定，维护巷道有效使用空间，确保生产安全，需要根据巷道类别、服务年限、开采强度、巷道埋深和地质条件等对巷道进行不同强度的支护。随着开采深度增加，巷道埋深逐年增加，高地应力巷道、强烈采动影响巷道、松软破碎围岩及大断面巷道增多，巷道支护技术也在不断发展变革，单体支护由早期的木垛支护逐渐过渡到单体液压支柱。由于金属摩擦支柱成本过高，在服务周期短、地压不大的巷道，井下仍然有大量的木支护用于临时支护，但是由于木材容易腐烂，在受压状态下容易沿着圆木局部劈裂失效等不足，加上井下防火要求相关规定的出台，井下临时支护急需寻找一种性价比高、防火性能出色、方便移动和支撤的单体支柱作为现阶段运用较多的木支护的替代品。
2、目前经济性较好的临时支护材料就是混凝土材料，其中轻质泡沫混凝土因为轻质和良好的整体性、耐久性以及施工方便等特性，在节能墙体、补偿地基等方面取得广泛应用。但是因其承载能力较低，并未在煤矿巷道临时支护等方面进行成熟研究和系统应用，专利cn115030757a提出了一种配筋的煤矿井下矿用泡沫混凝土单体预制柱，但仍存在自重过高，搬运和施工不方便等局限性。碳纤维增强复合材料因其轻质高强、施工便捷、耐火、耐腐蚀性好等优点被广泛应用于建筑构建的修复和加固，在煤矿开采中也有一些初探研究，但
技术实现思路
1、本专利技术旨在提供一种基于碳纤维增强复合材料的煤矿井下轻质泡沫混凝土单体柱的施工方法，具体是一种碳纤维增强复合材料包裹的矿用轻质泡沫混凝土单体预制柱，从井下巷道临时支护的应用场景出发，研发一种轻质、经济、施工简单以及防火性能显著的矿用单体柱支护技术。
2、本专利技术提供了一种基于碳纤维增强复合材料和轻质泡沫混凝土的煤矿井下单体预制柱及其施工方法，通过设计的预制构件和自由组合搭配方式，使混凝土单体柱预制构件轻量化和装配便捷化，同时骨料以井下矸石为主要原料，兼具性价比和出色的防火性能，为当前不满足防火要求的巷道临时木支护提供了一种替代单体支护结构，保证了巷道局部支护效果。
3、本专利技术提供了一种煤矿井下碳纤维增强复合材料单体预制柱的施工方法，由设计的轻质泡沫混凝土制成的预制底柱、预制中间柱、预制顶柱和预制连接柱组合搭接而成；施工中整个单体预制柱由预制顶柱、预制中间柱、和预制底柱首尾嵌合搭接叠放，通过预制连接柱连接组成，单体预制柱由轻质泡沫混凝土在模具中浇筑，在地面养护而成；最后在单体预制柱外包裹碳纤维增强复合材料；
4、所述预制底柱的底部设有一个薄圆台，顶端有预留凹槽；预制中间柱底端有可嵌入预制底柱预留凹槽的凸起，顶端为与预制底柱凹槽相同的凹槽；预制连接柱长度小于60cm，长度灵活可调节，且预制连接柱由两个半圆柱组成，拼接组合后的两端构造和预制中间柱一致；预制顶柱底端为可嵌入预制连接柱预留凹槽的凸起，另一端为平滑端部。
5、本专利技术在单体预制柱外包裹碳纤维增强复合材料的作用为：强化内部轻质泡沫混凝土的承载能力，在巷道地应力过高，单体预制柱受载变形后，碳纤维增强复合材料出色的抗拉性能为其提供侧限约束。同时，相较常规的泡沫混凝土预制柱和加筋泡沫混凝土预制柱，基于碳纤维增强复合材料的混凝土预制柱的延性更突出，在承受载荷超过泡沫混凝土预制柱强度后，泡沫混凝土预制柱失稳，但其并不会立刻破碎失效，碳纤维增强复合材料包裹下碎胀的泡沫混凝土可以持续缓慢被压缩，仍旧具有一定承载能力，包裹加固强化后泡沫混凝土预制柱的残余强度为40%~50%峰值强度。
6、上述方法中，所述轻质泡沫混凝土的成型方法为：通过发泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，将泡沫与水泥-煤矸石碎屑混合干料均匀混合后浇筑成型，经自然养护形成一种含有大量均匀封闭气孔的轻质泡沫混凝土预制构件；本专利技术中涉及的轻质混凝土预制柱和碳纤维增强复合材料均符合国家标准规定的耐火性能要求。进一步地，所述轻质泡沫混凝土配比，以质量占比计：水泥30～35份，煤矸石30～35份，动物蛋白发泡剂2～4份，减水剂1.5～3份，水25～30份；特别地，本专利技术提供的轻质煤矸石泡沫混凝土中，所述煤矸石为经过热活化和机械活化后的煤矸石，充当矿渣角色，其中所述煤矸石热活化为：在750～800℃高温下煅烧1～2h，机械活化为：使用破碎机将煤矸石破碎成粒径为1～4mm的岩屑；所述发泡剂选择稳定性好的动物蛋白发泡剂，减水剂选择萘系减水剂；由上述材料制成的轻质泡沫混凝土的密度为300~600 kg/m3。
7、进一步地，预制中间柱、预制顶柱和预制连接柱均为轻质泡沫混凝土预制件，均在地面浇筑，将动物蛋白发泡剂水溶液制备成泡沫，与水泥、经过热活化和机械活化后的煤矸石混合搅拌后在模具中浇筑成型，养护28天后，在预制柱表面均匀刷涂碳纤维浸渍胶，之后将碳纤维增强复合材料平直粘贴于预制柱表面，要求贴合无气泡，且接缝处的搭接长度大于0.2m。
8、预制底柱的底座截面为主体部分的截面面积的2倍，且预制底柱底座部分为常规混凝土，预制底柱主体部分为轻质泡沫混凝土，预制底柱底座部分和主体部分为一体浇筑。
9、进一步地，为方便工人操作，满足承载能力需求的同时便于巷道内人员物资通行，本专利技术各预制柱均为圆柱体，考虑混凝土柱抗折性能要求，预制中间柱和预制顶柱固定长度0.8m、直径0.35m；预制中间柱、预制顶柱、预制连接柱和预制底柱的凸起与凹槽形状均为立方体，凹槽内边长大于凸起边长5㎜，凹槽深度大于凸起高度5㎜，保证凸起体积略小于凹槽体积的同时嵌合性能出色。
10、进一步地，预制连接柱为预制中间柱和预制顶柱之间的连接配件，其长度根据巷道支护高度需求，为0.3m~0.6m，预制连接柱由两个半圆柱组成，浇筑时按照需求在半圆柱模具中成型；特别地，为了方便拼接组装，预制连接左柱下端与预制中间柱凸起相同，预制连接左柱和预制连接右柱拼合后组成的完整预制连接柱上端有与预制中间柱相同的凹槽，为了方便搭接，预制连接左柱和预制连接右柱在地面预制时外端不粘贴碳纤维增强复合材料，在井下搭接组合完成后再粘贴碳纤维增强复合材料进行包裹加固。
11、进一步地，在井下设计位置放置预制底柱后，在其上方依次搭接预制中间柱，在距顶端小于1.3m时，在预制中间柱顶端搭接放置预制连接左柱，预制连接左柱下端的凸起可以嵌合入预制中间柱顶端的凹槽，之后在预制连接左柱顶端搭接放置预制顶柱，最后嵌入组装剩余的预制连接右柱；在完成所有搭接工作后，在拼合的预制连接柱外侧面刷涂碳纤维浸渍胶和粘贴碳纤维增强复合材料进行包裹加固。
12、进一步本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种煤矿井下碳纤维增强复合材料单体预制柱的施工方法，其特征在于：由轻质泡沫混凝土制成的预制底柱、预制中间柱、预制顶柱和预制连接柱组合搭接而成；施工中整个单体预制柱由预制顶柱、预制中间柱、和预制底柱首尾嵌合搭接叠放，通过预制连接柱连接组成，单体预制柱由轻质泡沫混凝土在模具中浇筑，在地面养护而成；最后在单体预制柱外包裹碳纤维增强复合材料；
2.根据权利要求1所述的煤矿井下碳纤维增强复合材料单体预制柱的施工方法，其特征在于：所述轻质泡沫混凝土的成型方法为：通过发泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，将泡沫与水泥-煤矸石碎屑混合干料均匀混合后浇筑成型，经自然养护形成一种含有大量均匀封闭气孔的轻质泡沫混凝土预制构件；
3.根据权利要求2所述的煤矿井下碳纤维增强复合材料单体预制柱的施工方法，其特征在于：所述煤矸石为经过热活化和机械活化后的煤矸石，所述煤矸石热活化过程为：在750～800℃高温下煅烧1～2h，机械活化为：使用破碎机将煤矸石破碎成粒径为1～4mm的岩屑；所述发泡剂选择稳定性好的动物蛋白发泡剂，减水剂选择萘系减水剂。
4.根据权利要求1所
5.根据权利要求1所述的煤矿井下碳纤维增强复合材料单体预制柱的施工方法，其特征在于：各预制柱均为圆柱体，预制中间柱和预制顶柱的长度为0.8m、直径为0.35m；预制中间柱、预制顶柱、预制连接柱和预制底柱的凸起与凹槽形状均为立方体，凹槽内边长大于凸起边长5㎜，凹槽深度大于凸起高度5㎜。
6.根据权利要求1所述的煤矿井下碳纤维增强复合材料单体预制柱的施工方法，其特征在于：预制连接柱为预制中间柱和预制顶柱之间的连接配件，其长度根据巷道支护高度需求，为0.3m~0.6m，预制连接柱由左、右两个半圆柱组成，浇筑时按照需求在半圆柱模具中成型；预制连接左柱下端的凸起部分与预制中间柱相同，预制连接左柱和预制连接右柱拼合后组成的完整预制连接柱的上端凹槽与预制中间柱相同，预制连接左柱和预制连接右柱在地面预制时外端不粘贴碳纤维增强复合材料，在井下搭接组合完成后再粘贴碳纤维增强复合材料进行包裹加固。
7.根据权利要求6所述的煤矿井下碳纤维增强复合材料单体预制柱的施工方法，其特征在于：在井下设计位置放置预制底柱后，在其上方依次搭接预制中间柱，在距顶端小于1.3m时，在预制中间柱顶端搭接放置预制连接左柱，预制连接左柱下端的凸起能嵌入预制中间柱顶端的凹槽，之后在预制连接左柱顶端搭接放置预制顶柱，最后嵌入组装剩余的预制连接右柱；在完成所有搭接工作后，在拼合的预制连接柱外侧面刷涂碳纤维浸渍胶和粘贴碳纤维增强复合材料进行包裹加固。
8.根据权利要求1所述的煤矿井下碳纤维增强复合材料单体预制柱的施工方法，其特征在于：当巷道地应力增大，即要求碳纤维增强复合材料包裹的轻质泡沫混凝土单体预制柱承载能力增大，则在预制柱侧面再次包裹粘贴一层碳纤维增强复合材料二次加固。
9.根据权利要求1所述的煤矿井下碳纤维增强复合材料单体预制柱的施工方法，其特征在于具体包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种煤矿井下碳纤维增强复合材料单体预制柱的施工方法，其特征在于：由轻质泡沫混凝土制成的预制底柱、预制中间柱、预制顶柱和预制连接柱组合搭接而成；施工中整个单体预制柱由预制顶柱、预制中间柱、和预制底柱首尾嵌合搭接叠放，通过预制连接柱连接组成，单体预制柱由轻质泡沫混凝土在模具中浇筑，在地面养护而成；最后在单体预制柱外包裹碳纤维增强复合材料；
2.根据权利要求1所述的煤矿井下碳纤维增强复合材料单体预制柱的施工方法，其特征在于：所述轻质泡沫混凝土的成型方法为：通过发泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，将泡沫与水泥-煤矸石碎屑混合干料均匀混合后浇筑成型，经自然养护形成一种含有大量均匀封闭气孔的轻质泡沫混凝土预制构件；
3.根据权利要求2所述的煤矿井下碳纤维增强复合材料单体预制柱的施工方法，其特征在于：所述煤矸石为经过热活化和机械活化后的煤矸石，所述煤矸石热活化过程为：在750～800℃高温下煅烧1～2h，机械活化为：使用破碎机将煤矸石破碎成粒径为1～4mm的岩屑；所述发泡剂选择稳定性好的动物蛋白发泡剂，减水剂选择萘系减水剂。
4.根据权利要求1所述的煤矿井下碳纤维增强复合材料单体预制柱的施工方法，其特征在于：预制中间柱、预制顶柱和预制连接柱均为轻质泡沫混凝土预制件，均在地面浇筑，将动物蛋白发泡剂水溶液制备成泡沫，与水泥、经过热活化和机械活化后的煤矸石混合搅拌后在模具中浇筑成型，养护28天后，在预制柱表面均匀刷涂碳纤维浸渍胶，之后将碳纤维增强复合材料平直粘贴于预制柱表面，要求贴合无气泡，且接缝处的搭接长度大于0.2m；
5.根据权利要求1所述的煤矿井下碳纤维增强复合材料单体预制柱的施工方法，其特征在于：各预制柱均为圆柱体，...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭军，文晓泽，冯国瑞，于露杨，张洁，王朋飞，张鹏飞，米鑫程，张郑军，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：
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