矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌

《矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌》涉及煤矿巷道隔热技术，具体涉及一种矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌。

随着中国煤矿开采年限的增加，开采深度逐渐深入地下，受地热的影响也越来越严重。高温、高湿环境会严重影响井下作业人员的生产效率和安全。矿工在高温高湿环境下长时间工作，会造成体温升高，新陈代谢出现紊乱，引发中暑、呕吐、晕倒和湿疹等疾病，严重时还会出现死亡，致使劳动生产率降低和生产事故率的增加。依照中国颁布的法规《煤矿安全规程》规定，生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26℃，机电设备硐室的空气温度不得超过30℃，矿井温度超过30℃严禁施工，因此矿井降温也将提上日程。据调查，高温矿井的热源主要来自巷道壁面的岩温。矿井常用的降温方式有通风降温和制冷降温，都不能有效解决降低矿井巷道温度，且通风降温易带起粉尘飞扬，制冷降温则由于和巷道热交换量大，需要耗费大量能源。截至2015年12月，采用的隔热方式是直接将隔热材料喷涂到巷道岩石上，但这种隔热方式往往喷涂的不够均匀，而且容易脱落，隔热效果不足。

图1是三维钢筋混凝土衬砌的剖面图；

图2是三维钢筋网壳支架的结构示意图；

图3是隔热支护混凝土网壳桥型架结构图。

2020年7月17日，《矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌》获得安徽省第七届专利奖优秀奖。 2100433B

• 实施例1

《矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌》由三维钢筋网壳支架（1）和隔热支护混凝土喷层（2）两部分组成。三维钢筋网壳支架（1）为全封闭三心拱形，按巷道断面分为7片网壳构件，由1片顶网壳（3）、镜像对称的2片上侧网壳（4）、2片下侧网壳（5）和2片底网壳（6）拼装而成，其中顶网壳（3）圆心角为60°，上侧网壳（4）弧面4/7处圆心角25°，弧面3/7处圆心角为15°，下侧网壳（5）圆心角为36°21'31"，网架宽度为700毫米，每片由2根Φ22主弧筋（10）、6根Φ20次弧筋（12）、若干Φ12桥架（13）及若干Φ12连接筋（11）焊接而成，该网壳两端各焊接一块带螺栓孔的联接板（7），顶、上侧、下侧、底网壳拼装时在两个接头处夹一块厚50毫米的可缩垫板（8），再用螺栓（9）联结而成。隔热支护混凝土喷层（2）包括以下原料：胶凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠、聚丙烯纤维、早强剂、速凝剂和减水剂。胶凝材料:石子:砂子:水的重量比为1:0.78:0.78:0.45。胶凝材料包括水泥和粉煤灰，粉煤灰占胶凝材料总质量的10％，陶粒为黏土陶粒和页岩陶粒，粒径为10-15毫米，质量为石子质量的25％，玻化微珠为憎水玻化微珠，质量为砂子质量的15％，聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，长度为14-18毫米，直径或等效直径为3-60微米，掺量为1.0千克/立方米，早强剂、速凝剂、减水剂分别为水泥质量的4％、3.5％、0.8％。

矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌的施工方法，包括以下步骤：1）架设支架：三维钢筋网壳支架（1）是在地面加工成型的，将7片网壳构件对接处嵌入木垫板，按照顶网壳（3）、上侧网壳（4）、下侧网壳（5）、底网壳（6）的顺序一架紧接着一架进行安装，用螺栓（9）链接，架间不留间隔，也不需要另加连接件。安装速度快，实现了支架轻型化、立体化、连续化，降低了支架成本，简化了安装作业。支架与围岩表面直接接触，超挖空隙需充填密实，架设完毕后，其承载体不是钢筋梁拱，而是众多纵横相联的小跨度双向钢筋拱壳，三心拱形结构使得顶、上侧、下侧网壳之间结合更加紧密，承受围岩压力更加均匀合理，使得网架整体变形更为均匀、一致，巷道下还安装有底网壳（6），实行全封闭式，杜绝了冒顶、底臌现象，提高了安全性，支架的整体稳定性大大增强。三维钢筋网壳支架（1）安装后，立即对巷道表面提供较强的连续支撑，可有效防止围岩松动，满足了软弱、动压破碎巷道支护的需要。2）喷覆隔热支护混凝土：将胶凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠和聚丙烯纤维按一定比例混合后搅拌成混凝土，用泵将搅拌好的混凝土经输料管压送至喷嘴处，与早强剂、速凝剂和减水剂相混合，喷射到三维钢筋网壳支架（1）上，将钢筋网壳支架上的外层钢筋及各小跨双向钢筋拱壳全部覆盖，形成三维网架配筋衬砌结构，喷层厚度为60-200毫米。 喷覆隔热支护混凝土时，采用分段、分片、分层依次进行，喷射顺序自下而上，往复喷射，分段长度不大于6米，喷嘴与受喷面间保持1.5-2.0米的距离，喷射角度为90°，喷射应连续、缓慢作横向环形移动，一圈压半圈，终凝2小时后，应进行养护，养护时间不小于14天。

• 实施例2

隔热支护混凝土喷层（2）包括以下原料：胶凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠、聚丙烯纤维、早强剂、速凝剂和减水剂。胶凝材料:石子:砂子:水的重量比为1:0.78:0.78:0.45。胶凝材料包括水泥和粉煤灰，粉煤灰占胶凝材料总质量的5％，陶粒为粉煤灰陶粒，粒径为10-15毫米，质量为石子质量的10％，玻化微珠为憎水玻化微珠，质量为砂子质量的5％，聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，长度为14-18毫米，直径或等效直径为3-60微米，掺量为0.95千克/立方米，早强剂、速凝剂、减水剂分别为水泥质量的3.5％、4％、0.6％。其它条件与实施例1相同。

• 实施例3

隔热支护混凝土喷层（2）包括以下原料：胶凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠、聚丙烯纤维、早强剂、速凝剂和减水剂。胶凝材料:石子:砂子:水的重量比为1:0.78:0.78:0.45。胶凝材料包括水泥和粉煤灰，粉煤灰占胶凝材料总质量的20％，陶粒为黏土陶粒，粒径为10-15毫米，质量为石子质量的40％，玻化微珠为憎水玻化微珠，质量为砂子质量的20％，聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，长度为14-18毫米，直径或等效直径为3-60微米，掺量为1.5千克/立方米，早强剂、速凝剂、减水剂分别为水泥质量的5％、3％、1.1％。其它条件与实施例1相同。

• 实施例4

隔热支护混凝土喷层（2）包括以下原料：胶凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠、聚丙烯纤维、早强剂、速凝剂和减水剂。胶凝材料:石子:砂子:水的重量比为1:0.78:0.78:0.45。胶凝材料包括水泥和粉煤灰，粉煤灰占胶凝材料总质量的15％，陶粒为黏土陶粒和粉煤灰陶粒，粒径为10-15毫米，质量为石子质量的15％，玻化微珠为憎水玻化微珠，质量为砂子质量的15％，聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，长度为14-18毫米，直径或等效直径为3-60微米，掺量为1.1千克/立方米，早强剂、速凝剂、减水剂分别为水泥质量的4％、3％、0.7％。 其它条件与实施例1相同。

矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌专利目的

针对2015年12月以前技术的不足，《矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌》提供了一种具有较好隔热能力，又有一定强度的矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌，不但能够对巷道隔热，且还具有一定的支护作用。

矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌技术方案

《矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌》由三维钢筋网壳支架和隔热支护混凝土喷层两部分组成，所述三维钢筋网壳支架是由几块网壳构件拼装成全封闭三心拱形，固定在围岩表面，形成外部支撑骨架，与岩石加固圈共同承受地压，所述隔热支护混凝土是在普通混凝土中掺入陶粒、玻化微珠和聚丙烯纤维，包裹于网壳支架。优选地，所述三维钢筋网壳支架为全封闭三心拱形，按巷道断面分为7片网壳构件，由1片顶网壳、镜像对称的2片上侧网壳、2片下侧网壳和2片底网壳拼装而成，网壳两端各焊接一块带螺栓孔的联接板，顶、上侧、下侧、底网壳拼装时在两个接头处夹一块可缩垫板，再用螺栓联结而成。优选地，所述顶网壳圆心角为60°，上侧网壳弧面4/7处圆心角25°，弧面3/7处圆心角为15°，下侧网壳圆心角为36°21'31"。优选地，所述隔热支护混凝土喷层包括以下原料：胶凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠、聚丙烯纤维、早强剂、速凝剂和减水剂。优选地，所述胶凝材料:石子:砂子:水的重量比为1:0.78:0.78:0.45。

优选地，所述胶凝材料包括水泥和粉煤灰，粉煤灰占胶凝材料总质量的5-20％，所述陶粒为黏土陶粒、粉煤灰陶粒、页岩陶粒中的至少一种，粒径为10-15毫米，质量为石子质量的10-40％，所述玻化微珠为憎水玻化微珠，质量为砂子质量的5％-20％。优选地，所述聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，长度为14-18毫米，直径为3-60微米，掺量为0.95-1.5千克/立方米。优选地，所述早强剂、速凝剂、减水剂分别为胶凝材料质量的3.5％-5％、3％-4％、0.6％-1.1％。

矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌的施工方法，包括以下步骤：

1）架设支架：将7片网壳构件对接处嵌入木垫板，一架紧接着一架进行安装，用螺栓链接，架间不留间隔，支架与围岩表面直接接触，架设完毕后，其承载体不是钢筋梁拱，而是众多纵横相联的小跨度双向钢筋拱壳，可充分削弱钢筋的弯曲变形，增强支架的三向承载能力；

2）喷覆隔热支护混凝土：将胶凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠和聚丙烯纤维按一定比例混合后搅拌成混凝土，用泵将搅拌好的混凝土经输料管压送至喷嘴处，与早强剂、速凝剂和减水剂相混合，喷射到三维钢筋网壳支架上，将钢筋网壳支架上的外层钢筋及各小跨双向钢筋拱壳全部覆盖，形成三维网架配筋衬砌结构，喷层厚度为60-200毫米。 优选地，所述喷覆隔热支护混凝土时，采用分段、分片、分层依次进行，喷射顺序自下而上，往复喷射，分段长度不大于6米，喷嘴与受喷面间保持1.5-2.0米的距离，喷射角度为90°，喷射应连续、缓慢作横向环形移动，一圈压半圈。

《矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌》各原料有以下作用：

玻化微珠是一种以火山岩为原材料，经过粉碎特殊加工而成，其理化性能稳定，具有轻质、抗老化、吸水率小、隔热防火、导热系数低等优异特性，是一种无机轻质环保型绝热材料；陶粒是由泥质岩石、黏土、煤矸石、粉煤灰为主要材料，经加工煅烧，具有一定颗粒级配的陶质物，具有孔隙率高、抗冻性好、密度低、软化系数高、抗碱集料反应优异、隔水保气性好的特点，有助于混凝土形成多孔结构，利于保温。聚丙烯纤维具有抗拉、抗裂性大，弹性模量高的特点，可以有效提高混凝土材料的抗拉强度、抗裂性、韧性和抗冲击性。粉煤灰是煤燃烧后的烟气中收集的细灰，是燃煤电厂排出的工业废料。作为优质的外加剂，可以取代部分水泥用量，由于其颗粒直径较水泥小，掺入水泥中，有利于形成更好地颗粒级配，不仅节约了水泥，利于环保和废物利用，又增强了混凝土拌合料的流动性。

矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌改善效果

1、利用玻化微珠和陶粒导热系数低，取代部分石子和砂子，在混凝土内部形成了多孔结构，使得热量不仅在骨料中传播，也在空气中传播，延长了热量传播的路径和传播速度，从而有效降低了导热系数，使得混凝土具有很好的隔热效果，且在掺量范围内时，对混凝土材料的强度影响较小，满足井下喷射混凝土力学性能的需要。

2、将隔热支护混凝土喷覆在三维钢筋网壳上，混凝土被包围在众多小跨度双向钢筋拱壳之内，喷层所受的拉剪应力被明显削弱，抗压强度得到充分利用，因而支撑能力比普通配筋喷层大大提高，同时又具有良好的可缩性，这种喷层既能与围岩共同变形，又对围岩提供了更强的支撑力，具有“先柔后刚”的特性，能够很好地满足巷道支护要求。

3、隔热支护混凝土施工安全，工艺简单。

《矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌》陶粒、玻化微珠等绿色材料，符合当前绿色环保型社会的需要，隔热支护混凝土既具有较好的隔热能力，又拥有一定的强度，能够很好地满足巷道隔热的要求，且还具 有一定的支护作用，保证了井下工作人员的身心健康，提高了矿井工作效率。

1.《矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌》由三维钢筋网壳支架和隔热支护混凝土喷层两部分组成，所述三维钢筋网壳支架是由几块网壳构件拼装成全封闭三心拱形，固定在围岩表面，形成外部支撑骨架，所述隔热支护混凝土是在普通混凝土中掺入陶粒、玻化微珠和聚丙烯纤维，包裹于网壳支架，所述三维钢筋网壳支架按巷道断面分为7片网壳构件，由1片顶网壳、镜像对称的2片上侧网壳、2片下侧网壳和2片底网壳拼装而成，网壳两端各焊接一块带螺栓孔的联接板，顶、上侧、下侧、底网壳拼装时在两个接头处夹一块可缩垫板，用螺栓联结而成，所述顶网壳圆心角为60°，上侧网壳弧面4/7处圆心角25°，弧面3/7处圆心角为15°，下侧网壳圆心角为36°21'31"。

2.根据权利要求1所述的矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌，其特征在于，所述隔热支护混凝土喷层包括以下原料：胶凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠、聚丙烯纤维、早强剂、速凝剂和减水剂。

3.根据权利要求2所述的矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌，其特征在于，所述胶凝材料:石子:砂子:水的重量比为1:0.78:0.78:0.45。

4.根据权利要求2所述的矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌，其特征在于，所述胶凝材料包括水泥和粉煤灰，粉煤灰占胶凝材料总质量的5-20％，所述陶粒为黏土陶粒、粉煤灰陶粒、页岩陶粒中的至少一种，粒径为10-15毫米，质量为石子质量的10-40％，所述玻化微珠为憎水玻化微珠，质量为砂子质量的5％-20％。

5.根据权利要求2所述的矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌，其特征在于，所述聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，长度为14-18毫米，直径为3-60微米，掺量为0.95-1.5千克/立方米。

6.根据权利要求2所述的矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌，其特征在于，所述早强剂、速凝剂、减水剂分别为胶凝材料质量的3.5％-5％、3％-4％、0.6％-1.1％。

7.一种根据权利要求1所述的矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：1）架设支架：将7片网壳构件对接处嵌入木垫板，一架紧接着一架进行安装，用螺栓链接，架间不留间隔，支架与围岩表面直接接触，架设完毕后，其承载体不是钢筋梁拱，而是众多纵横相联的小跨度双向钢筋拱壳，可充分削弱钢筋的弯曲变形，增强支架的三向承载能力；2）喷覆隔热支护混凝土：将胶凝材料、石子、砂子、水、陶粒、玻化微珠和聚丙烯纤维按一定比例混合后搅拌成混凝土，用泵将搅拌好的混凝土经输料管压送至喷嘴处，与早强剂、速凝剂和减水剂相混合，喷射到三维钢筋网壳支架上，将钢筋网壳支架上的外层钢筋及各小跨双向钢筋拱壳全部覆盖，形成三维网架配筋衬砌结构，喷层厚度为60-200毫米。

8.根据权利要求7所述的矿山隔热三维钢筋混凝土衬砌的施工方法，其特征在于，所述喷覆隔热支护混凝土时，采用分段、分片、分层依次进行，喷射顺序自下而上，往复喷射，分段长度不大于6米，喷嘴与受喷面间保持1.5-2.0米的距离，喷射角度为90°，喷射应连续、缓慢作横向环形移动，一圈压半圈。

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