礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌

《礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌》是安徽理工大學於2015年12月8日申請的發明專利，該專利申請號為2015109093862，公布號為CN105401963A，專利公布日為2016年3月16日，發明人是龐建勇、姚韋靖、薛俊華。

《礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌》由三維鋼筋網殼支架和隔熱支護混凝土噴層兩部分組成，所述三維鋼筋網殼支架是由幾塊網殼構件拼裝成全封閉三心拱形，固定在圍岩表面，形成外部支撐骨架，與岩石加固圈共同承受地壓，所述隔熱支護混凝土是在普通混凝土中摻入陶粒、玻化微珠和聚丙烯纖維，包裹於網殼支架。該發明中玻化微珠和陶粒在混凝土內部形成了多孔結構，有效降低了導熱係數，使得混凝土具有很好的隔熱效果，將隔熱混凝土噴覆在三維鋼筋網殼上，混凝土被包圍在眾多小跨度雙向鋼筋拱殼之內，噴層所受的拉剪應力被明顯削弱，抗壓強度得到充分利用，能夠很好地滿足巷道隔熱支護的要求，保證井下工作人員的身心健康，提高礦井工作效率。

2020年7月17日，《礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌》獲得安徽省第七屆專利獎優秀獎。

（概述圖為《礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌》的摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌
• 公布號：CN105401963A
• 公布日：2016年3月16日
• 申請號：2015109093862
• 申請日：2015年12月8日
• 申請人：安徽理工大學
• 地址：安徽省淮南市舜耕中路168號
• 發明人：龐建勇、姚韋靖、薛俊華
• 代理機構：合肥順超智慧財產權代理事務所
• 代理人：周發軍
• Int.Cl.：E21D11/38(2006.01)I、 E21D11/10(2006.01)I、 C04B28/00(2006.01)I
• 類別：發明專利

專利背景

隨著中國煤礦開採年限的增加，開採深度逐漸深入地下，受地熱的影響也越來越嚴重。高溫、高濕環境會嚴重影響井下作業人員的生產效率和安全。礦工在高溫高濕環境下長時間工作，會造成體溫升高，新陳代謝出現紊亂，引發中暑、嘔吐、暈倒和濕疹等疾病，嚴重時還會出現死亡，致使勞動生產率降低和生產事故率的增加。依照中國頒布的法規《煤礦安全規程》規定，生產礦井採掘工作面空氣溫度不得超過26℃，機電設備硐室的空氣溫度不得超過30℃，礦井溫度超過30℃嚴禁施工，因此礦井降溫也將提上日程。據調查，高溫礦井的熱源主要來自巷道壁面的岩溫。礦井常用的降溫方式有通風降溫和製冷降溫，都不能有效解決降低礦井巷道溫度，且通風降溫易帶起粉塵飛揚，製冷降溫則由於和巷道熱交換量大，需要耗費大量能源。截至2015年12月，採用的隔熱方式是直接將隔熱材料噴塗到巷道岩石上，但這種隔熱方式往往噴塗的不夠均勻，而且容易脫落，隔熱效果不足。

發明內容

專利目的

針對2015年12月以前技術的不足，《礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌》提供了一種具有較好隔熱能力，又有一定強度的礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌，不但能夠對巷道隔熱，且還具有一定的支護作用。

技術方案

《礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌》由三維鋼筋網殼支架和隔熱支護混凝土噴層兩部分組成，所述三維鋼筋網殼支架是由幾塊網殼構件拼裝成全封閉三心拱形，固定在圍岩表面，形成外部支撐骨架，與岩石加固圈共同承受地壓，所述隔熱支護混凝土是在普通混凝土中摻入陶粒、玻化微珠和聚丙烯纖維，包裹於網殼支架。優選地，所述三維鋼筋網殼支架為全封閉三心拱形，按巷道斷面分為7片網殼構件，由1片頂網殼、鏡像對稱的2片上側網殼、2片下側網殼和2片底網殼拼裝而成，網殼兩端各焊接一塊帶螺栓孔的聯接板，頂、上側、下側、底網殼拼裝時在兩個接頭處夾一塊可縮墊板，再用螺栓聯結而成。優選地，所述頂網殼圓心角為60°，上側網殼弧面4/7處圓心角25°，弧面3/7處圓心角為15°，下側網殼圓心角為36°21'31"。優選地，所述隔熱支護混凝土噴層包括以下原料：膠凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠、聚丙烯纖維、早強劑、速凝劑和減水劑。優選地，所述膠凝材料:石子:砂子:水的重量比為1:0.78:0.78:0.45。

優選地，所述膠凝材料包括水泥和粉煤灰，粉煤灰占膠凝材料總質量的5-20％，所述陶粒為黏土陶粒、粉煤灰陶粒、頁岩陶粒中的至少一種，粒徑為10-15毫米，質量為石子質量的10-40％，所述玻化微珠為憎水玻化微珠，質量為砂子質量的5％-20％。優選地，所述聚丙烯纖維為束狀單絲聚丙烯纖維，長度為14-18毫米，直徑為3-60微米，摻量為0.95-1.5千克/立方米。優選地，所述早強劑、速凝劑、減水劑分別為膠凝材料質量的3.5％-5％、3％-4％、0.6％-1.1％。

礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌的施工方法，包括以下步驟：

1）架設支架：將7片網殼構件對接處嵌入木墊板，一架緊接著一架進行安裝，用螺栓連結，架間不留間隔，支架與圍岩表面直接接觸，架設完畢後，其承載體不是鋼筋梁拱，而是眾多縱橫相聯的小跨度雙向鋼筋拱殼，可充分削弱鋼筋的彎曲變形，增強支架的三向承載能力；

2）噴覆隔熱支護混凝土：將膠凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠和聚丙烯纖維按一定比例混合後攪拌成混凝土，用泵將攪拌好的混凝土經輸料管壓送至噴嘴處，與早強劑、速凝劑和減水劑相混合，噴射到三維鋼筋網殼支架上，將鋼筋網殼支架上的外層鋼筋及各小跨雙向鋼筋拱殼全部覆蓋，形成三維網架配筋襯砌結構，噴層厚度為60-200毫米。 優選地，所述噴覆隔熱支護混凝土時，採用分段、分片、分層依次進行，噴射順序自下而上，往復噴射，分段長度不大於6米，噴嘴與受噴面間保持1.5-2.0米的距離，噴射角度為90°，噴射應連續、緩慢作橫向環形移動，一圈壓半圈。

《礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌》各原料有以下作用：

玻化微珠是一種以火山岩為原材料，經過粉碎特殊加工而成，其理化性能穩定，具有輕質、抗老化、吸水率小、隔熱防火、導熱係數低等優異特性，是一種無機輕質環保型絕熱材料；陶粒是由泥質岩石、黏土、煤矸石、粉煤灰為主要材料，經加工煅燒，具有一定顆粒級配的陶質物，具有孔隙率高、抗凍性好、密度低、軟化係數高、抗鹼集料反應優異、隔水保氣性好的特點，有助於混凝土形成多孔結構，利於保溫。聚丙烯纖維具有抗拉、抗裂性大，彈性模量高的特點，可以有效提高混凝土材料的抗拉強度、抗裂性、韌性和抗衝擊性。粉煤灰是煤燃燒後的煙氣中收集的細灰，是燃煤電廠排出的工業廢料。作為優質的外加劑，可以取代部分水泥用量，由於其顆粒直徑較水泥小，摻入水泥中，有利於形成更好地顆粒級配，不僅節約了水泥，利於環保和廢物利用，又增強了混凝土拌合料的流動性。

改善效果

1、利用玻化微珠和陶粒導熱係數低，取代部分石子和砂子，在混凝土內部形成了多孔結構，使得熱量不僅在骨料中傳播，也在空氣中傳播，延長了熱量傳播的路徑和傳播速度，從而有效降低了導熱係數，使得混凝土具有很好的隔熱效果，且在摻量範圍內時，對混凝土材料的強度影響較小，滿足井下噴射混凝土力學性能的需要。

2、將隔熱支護混凝土噴覆在三維鋼筋網殼上，混凝土被包圍在眾多小跨度雙向鋼筋拱殼之內，噴層所受的拉剪應力被明顯削弱，抗壓強度得到充分利用，因而支撐能力比普通配筋噴層大大提高，同時又具有良好的可縮性，這種噴層既能與圍岩共同變形，又對圍岩提供了更強的支撐力，具有“先柔後剛”的特性，能夠很好地滿足巷道支護要求。

3、隔熱支護混凝土施工安全，工藝簡單。

《礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌》陶粒、玻化微珠等綠色材料，符合當前綠色環保型社會的需要，隔熱支護混凝土既具有較好的隔熱能力，又擁有一定的強度，能夠很好地滿足巷道隔熱的要求，且還具 有一定的支護作用，保證了井下工作人員的身心健康，提高了礦井工作效率。

附圖說明

圖1是三維鋼筋混凝土襯砌的剖面圖；

圖2是三維鋼筋網殼支架的結構示意圖；

圖3是隔熱支護混凝土網殼橋型架結構圖。

技術領域

《礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌》涉及煤礦巷道隔熱技術，具體涉及一種礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌。

權利要求

1.《礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌》由三維鋼筋網殼支架和隔熱支護混凝土噴層兩部分組成，所述三維鋼筋網殼支架是由幾塊網殼構件拼裝成全封閉三心拱形，固定在圍岩表面，形成外部支撐骨架，所述隔熱支護混凝土是在普通混凝土中摻入陶粒、玻化微珠和聚丙烯纖維，包裹於網殼支架，所述三維鋼筋網殼支架按巷道斷面分為7片網殼構件，由1片頂網殼、鏡像對稱的2片上側網殼、2片下側網殼和2片底網殼拼裝而成，網殼兩端各焊接一塊帶螺栓孔的聯接板，頂、上側、下側、底網殼拼裝時在兩個接頭處夾一塊可縮墊板，用螺栓聯結而成，所述頂網殼圓心角為60°，上側網殼弧面4/7處圓心角25°，弧面3/7處圓心角為15°，下側網殼圓心角為36°21'31"。

2.根據權利要求1所述的礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌，其特徵在於，所述隔熱支護混凝土噴層包括以下原料：膠凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠、聚丙烯纖維、早強劑、速凝劑和減水劑。

3.根據權利要求2所述的礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌，其特徵在於，所述膠凝材料:石子:砂子:水的重量比為1:0.78:0.78:0.45。

4.根據權利要求2所述的礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌，其特徵在於，所述膠凝材料包括水泥和粉煤灰，粉煤灰占膠凝材料總質量的5-20％，所述陶粒為黏土陶粒、粉煤灰陶粒、頁岩陶粒中的至少一種，粒徑為10-15毫米，質量為石子質量的10-40％，所述玻化微珠為憎水玻化微珠，質量為砂子質量的5％-20％。

5.根據權利要求2所述的礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌，其特徵在於，所述聚丙烯纖維為束狀單絲聚丙烯纖維，長度為14-18毫米，直徑為3-60微米，摻量為0.95-1.5千克/立方米。

6.根據權利要求2所述的礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌，其特徵在於，所述早強劑、速凝劑、減水劑分別為膠凝材料質量的3.5％-5％、3％-4％、0.6％-1.1％。

7.一種根據權利要求1所述的礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌的施工方法，其特徵在於，包括以下步驟：1）架設支架：將7片網殼構件對接處嵌入木墊板，一架緊接著一架進行安裝，用螺栓連結，架間不留間隔，支架與圍岩表面直接接觸，架設完畢後，其承載體不是鋼筋梁拱，而是眾多縱橫相聯的小跨度雙向鋼筋拱殼，可充分削弱鋼筋的彎曲變形，增強支架的三向承載能力；2）噴覆隔熱支護混凝土：將膠凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠和聚丙烯纖維按一定比例混合後攪拌成混凝土，用泵將攪拌好的混凝土經輸料管壓送至噴嘴處，與早強劑、速凝劑和減水劑相混合，噴射到三維鋼筋網殼支架上，將鋼筋網殼支架上的外層鋼筋及各小跨雙向鋼筋拱殼全部覆蓋，形成三維網架配筋襯砌結構，噴層厚度為60-200毫米。

8.根據權利要求7所述的礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌的施工方法，其特徵在於，所述噴覆隔熱支護混凝土時，採用分段、分片、分層依次進行，噴射順序自下而上，往復噴射，分段長度不大於6米，噴嘴與受噴面間保持1.5-2.0米的距離，噴射角度為90°，噴射應連續、緩慢作橫向環形移動，一圈壓半圈。

實施方式

• 實施例1

《礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌》由三維鋼筋網殼支架（1）和隔熱支護混凝土噴層（2）兩部分組成。三維鋼筋網殼支架（1）為全封閉三心拱形，按巷道斷面分為7片網殼構件，由1片頂網殼（3）、鏡像對稱的2片上側網殼（4）、2片下側網殼（5）和2片底網殼（6）拼裝而成，其中頂網殼（3）圓心角為60°，上側網殼（4）弧面4/7處圓心角25°，弧面3/7處圓心角為15°，下側網殼（5）圓心角為36°21'31"，網架寬度為700毫米，每片由2根Φ22主弧筋（10）、6根Φ20次弧筋（12）、若干Φ12橋架（13）及若干Φ12連線筋（11）焊接而成，該網殼兩端各焊接一塊帶螺栓孔的聯接板（7），頂、上側、下側、底網殼拼裝時在兩個接頭處夾一塊厚50毫米的可縮墊板（8），再用螺栓（9）聯結而成。隔熱支護混凝土噴層（2）包括以下原料：膠凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠、聚丙烯纖維、早強劑、速凝劑和減水劑。膠凝材料:石子:砂子:水的重量比為1:0.78:0.78:0.45。膠凝材料包括水泥和粉煤灰，粉煤灰占膠凝材料總質量的10％，陶粒為黏土陶粒和頁岩陶粒，粒徑為10-15毫米，質量為石子質量的25％，玻化微珠為憎水玻化微珠，質量為砂子質量的15％，聚丙烯纖維為束狀單絲聚丙烯纖維，長度為14-18毫米，直徑或等效直徑為3-60微米，摻量為1.0千克/立方米，早強劑、速凝劑、減水劑分別為水泥質量的4％、3.5％、0.8％。

礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌的施工方法，包括以下步驟：1）架設支架：三維鋼筋網殼支架（1）是在地面加工成型的，將7片網殼構件對接處嵌入木墊板，按照頂網殼（3）、上側網殼（4）、下側網殼（5）、底網殼（6）的順序一架緊接著一架進行安裝，用螺栓（9）連結，架間不留間隔，也不需要另加連線件。安裝速度快，實現了支架輕型化、立體化、連續化，降低了支架成本，簡化了安裝作業。支架與圍岩表面直接接觸，超挖空隙需充填密實，架設完畢後，其承載體不是鋼筋梁拱，而是眾多縱橫相聯的小跨度雙向鋼筋拱殼，三心拱形結構使得頂、上側、下側網殼之間結合更加緊密，承受圍岩壓力更加均勻合理，使得網架整體變形更為均勻、一致，巷道下還安裝有底網殼（6），實行全封閉式，杜絕了冒頂、底臌現象，提高了安全性，支架的整體穩定性大大增強。三維鋼筋網殼支架（1）安裝後，立即對巷道表面提供較強的連續支撐，可有效防止圍岩鬆動，滿足了軟弱、動壓破碎巷道支護的需要。2）噴覆隔熱支護混凝土：將膠凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠和聚丙烯纖維按一定比例混合後攪拌成混凝土，用泵將攪拌好的混凝土經輸料管壓送至噴嘴處，與早強劑、速凝劑和減水劑相混合，噴射到三維鋼筋網殼支架（1）上，將鋼筋網殼支架上的外層鋼筋及各小跨雙向鋼筋拱殼全部覆蓋，形成三維網架配筋襯砌結構，噴層厚度為60-200毫米。 噴覆隔熱支護混凝土時，採用分段、分片、分層依次進行，噴射順序自下而上，往復噴射，分段長度不大於6米，噴嘴與受噴面間保持1.5-2.0米的距離，噴射角度為90°，噴射應連續、緩慢作橫向環形移動，一圈壓半圈，終凝2小時後，應進行養護，養護時間不小於14天。

• 實施例2

隔熱支護混凝土噴層（2）包括以下原料：膠凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠、聚丙烯纖維、早強劑、速凝劑和減水劑。膠凝材料:石子:砂子:水的重量比為1:0.78:0.78:0.45。膠凝材料包括水泥和粉煤灰，粉煤灰占膠凝材料總質量的5％，陶粒為粉煤灰陶粒，粒徑為10-15毫米，質量為石子質量的10％，玻化微珠為憎水玻化微珠，質量為砂子質量的5％，聚丙烯纖維為束狀單絲聚丙烯纖維，長度為14-18毫米，直徑或等效直徑為3-60微米，摻量為0.95千克/立方米，早強劑、速凝劑、減水劑分別為水泥質量的3.5％、4％、0.6％。其它條件與實施例1相同。

• 實施例3

隔熱支護混凝土噴層（2）包括以下原料：膠凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠、聚丙烯纖維、早強劑、速凝劑和減水劑。膠凝材料:石子:砂子:水的重量比為1:0.78:0.78:0.45。膠凝材料包括水泥和粉煤灰，粉煤灰占膠凝材料總質量的20％，陶粒為黏土陶粒，粒徑為10-15毫米，質量為石子質量的40％，玻化微珠為憎水玻化微珠，質量為砂子質量的20％，聚丙烯纖維為束狀單絲聚丙烯纖維，長度為14-18毫米，直徑或等效直徑為3-60微米，摻量為1.5千克/立方米，早強劑、速凝劑、減水劑分別為水泥質量的5％、3％、1.1％。其它條件與實施例1相同。

• 實施例4

隔熱支護混凝土噴層（2）包括以下原料：膠凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠、聚丙烯纖維、早強劑、速凝劑和減水劑。膠凝材料:石子:砂子:水的重量比為1:0.78:0.78:0.45。膠凝材料包括水泥和粉煤灰，粉煤灰占膠凝材料總質量的15％，陶粒為黏土陶粒和粉煤灰陶粒，粒徑為10-15毫米，質量為石子質量的15％，玻化微珠為憎水玻化微珠，質量為砂子質量的15％，聚丙烯纖維為束狀單絲聚丙烯纖維，長度為14-18毫米，直徑或等效直徑為3-60微米，摻量為1.1千克/立方米，早強劑、速凝劑、減水劑分別為水泥質量的4％、3％、0.7％。 其它條件與實施例1相同。

榮譽表彰

2020年7月17日，《礦山隔熱三維鋼筋混凝土襯砌》獲得安徽省第七屆專利獎優秀獎。