一种用于加固遗留煤柱的组合式FRP壳体结构及其施工方法

本发明涉及煤矿地下开采支护领域，特别是涉及一种用于加固遗留煤柱的组合式frp壳体结构及其施工方法。

背景技术：

1、在煤矿开采中，房柱式采煤方法是一种常见的开采方式，它通过留下部分煤柱以支撑顶板，保障矿井的稳定性。然而，这些遗留煤柱在长期承受地压的情况下容易产生变形甚至崩塌，从而引发地面沉降甚至矿井事故，对矿工安全和资源回收率造成严重影响。因此，开发一种有效的煤柱加固技术是保证矿井安全和提高经济效益的关键。

2、现有的房柱式采煤专利中，公开号cn101725352a提出了一种固体充填综采回收房式煤柱方法，该方法通过对预回收区域的煤柱和顶板加强支护，并设立专用的运输通道，实现煤柱的常规回收。在每次回收煤柱后，使用地面运输的固体物料对采空区进行充填和夯实，然后继续下一轮的煤柱割取和充填。然而，固体充填材料的运输和注入过程复杂，成本较高，且充填效率和材料的力学性能受限。为了解决固体充填材料力学性能不足的问题，公开号cn111206956a提出了一种房式采煤法采空区遗留煤柱充填加固方法，通过数值分析确定加固区域并通过地面钻井注入胶结充填材料形成支撑柱，降低应力载荷，提高作业效率和安全性，但胶凝材料成本高、环境影响和长期稳定性成为限制因素。随着材料科学的发展，frp(纤维增强复合材料)被引入煤柱加固。公开号cn110410100a描述了一种预应力纤维布如固房柱式采煤工作面遗留煤柱的方法，对煤柱的截面进行圆角化处理，随后使用开口的纤维布紧贴处理后的煤柱表面并顺时针缠绕，最后在纤维布端头涂抹树脂并粘结固化。frp材料的应用允许更加定制化和针对性的加固措施，但如何提高frp在约束中的约束效果，提高其约束力，更好的保护遗留煤柱不受破坏依然是值得考虑的问题。

3、综合考虑以上原因，现阶段亟需一种用于加固遗留煤柱的组合式frp壳体结构及其施工方法用于解决问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于加固遗留煤柱的组合式frp壳体结构及其施工方法，以解决上述现有技术存在的问题，利用可拼接的frp板围绕煤柱外侧构建加固结构，并在煤柱与frp板之间填充膨胀水泥以施加预应力于frp板，使其对煤柱形成有效的外部约束。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种用于加固遗留煤柱的组合式frp壳体结构，包括纵向拼接板、端头拼接板和锚固装置；所述纵向拼接板和所述端头拼接板的两侧端部均预留有多个锚固槽孔；所述锚固装置包括加劲肋板、穿透锚杆、紧固锚杆和固定螺栓。遗留煤柱长边方向由多块所述纵向拼接板端部重叠拼接在一起，所述穿透锚杆穿过重叠的所述锚固槽孔，并打入所述遗留煤柱体内，穿透后继续通过对侧对应位置的拼接处的所述锚固槽孔，最后通过所述固定螺栓固定住端头。短边方向由两块所述端头拼接板端部重叠拼接在一起，所述紧固锚杆穿过重叠的所述锚固槽孔，打入所述遗留煤柱体内后通过所述遗留煤柱体固定螺栓固定住端头。

4、优选的，所述端头拼接板为四分之一椭圆形，且所述端头拼接板的端部为直线状。

5、优选的，所述锚固槽孔为长条状，其纵向高度允许所述穿透锚杆和所述紧固锚杆刚好通过后由固定螺栓锚固住，横向预留了位移空间，允许所述穿透锚杆和所述紧固锚杆在安装过程中微调。

6、优选的，所述加劲肋板也预留有多个所述锚固槽孔，所述加劲肋板可附加在所述纵向拼接板和所述端头拼接板的拼接处，形成一种额外的加固层。

7、进一步的，所述穿透锚杆和紧固锚杆首先穿过所述加劲肋板，然后穿透两块拼接板，再锚固于遗留煤柱中。

8、优选的，所述纵向拼接板、所述端头拼接板和所述加劲肋板均为frp材料制成的尺寸固定的预制板。

9、本发明还提供一种用于加固遗留煤柱的组合式frp壳体结构的施工方法，其特征在于：包括以下步骤：

10、s1、测量房柱式采煤工作面遗留煤柱的尺寸，确定所需frp板的数量和尺寸，根据评估结果准备相应数量的所述纵向拼接板、所述端头拼接板以及所述加劲肋板；

11、s2、将第一块所述纵向拼接板置于遗留煤柱长边一侧，确保其位置正确，注意在所述纵向拼接板与煤柱之间预留空隙；将第二块所述纵向拼接板端部与其重叠对齐，在拼接处安装所述加劲肋板，所述穿透锚杆穿过所述加劲肋板和所述纵向拼接板的所述锚固槽孔，继续穿入遗留煤柱中并穿出另一侧；

12、s3、在对侧穿出的对应位置同样安置对应的所述加劲肋板和所述纵向拼接板，使所述穿透锚杆同样穿过对侧的所述锚固槽孔，然后通过所述固定螺栓在端头进行固定；

13、s4、沿遗留煤柱的长边方向按照s2-s3步骤继续拼接添加其他所述纵向拼接板，直至达到遗留煤柱的另一端；

14、s5、在遗留煤柱短边两端拼接安装所述端头拼接板，所述端头拼接板一侧与所述纵向拼接板拼接，另一侧与另一块所述端头拼接板拼接；同样的，在拼接处安装所述加劲肋板，所述紧固锚杆穿过所述加劲肋板和所述端头拼接板的所述锚固槽孔，打入煤柱中固定，然后通过所述固定螺栓在端头进行固定；

15、s6、如果遗留煤柱宽度较大，根据需要在两个所述端头拼接板之间添加额外的所述纵向拼接板，以完全围合遗留煤柱形成闭环；

16、s7、等待膨胀水泥充分固化，过程中水泥将膨胀填满空隙，并施加预应力于拼接板，使拼接板对遗留煤柱产生约束作用，达到加固效果；

17、s8、检查结构完整性，确保所有拼接和锚固点均固定牢靠，所述加劲肋板正确安装且结构稳定。

18、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

19、本发明中通过围绕煤柱外侧安装frp板形成的闭环结构，有效提升了遗留煤柱的机械稳定性。膨胀水泥在固化过程中施加的预应力进一步强化了frp板的约束作用，这种预应力作用使frp板紧密贴合煤柱，为煤柱提供额外的横向支撑力，增强了整体的承载能力；

20、进一步的，锚固槽孔和可调整数量的拼接板使得本装置可以灵活适应不同尺寸和形状的煤柱，这种可调整性不仅便于安装，还允许随时根据煤柱的实际变形进行调整，以维持结构的完整性和功能；

21、进一步的，加劲肋板的使用显著提升了拼接处的结构强度，确保了拼接处不成为薄弱点，从而避免了潜在的局部破裂或失效，确保整个加固系统的长期稳定性和耐久性；

22、进一步的，使用预制的frp板和标准化的装置组件，简化了施工流程，减少了施工时间和劳动力成本。同时，系统的设计允许使用基本的工具进行安装，无需特殊的机械设备，进一步降低了施工成本。

技术特征：

1.一种用于加固遗留煤柱的组合式frp壳体结构及其施工方法，其特征在于，包括：纵向拼接板、端头拼接板和锚固装置；所述纵向拼接板和所述端头拼接板的两侧端部均预留有多个锚固槽孔；所述锚固装置包括加劲肋板、穿透锚杆、紧固锚杆和固定螺栓。遗留煤柱长边方向由多块所述纵向拼接板端部重叠拼接在一起，短边方向由两块所述端头拼接板端部重叠拼接在一起。

2.根据权利要求1所述的一种用于加固遗留煤柱的组合式frp壳体结构及其施工方法，其特征在于：所述锚固槽孔为长条状。

3.根据权利要求1所述的一种用于加固遗留煤柱的组合式frp壳体结构及其施工方法，其特征在于：所述加劲肋板预留有多个锚固槽孔。

4.根据权利要求1所述的一种用于加固遗留煤柱的组合式frp壳体结构及其施工方法，其特征在于：所述穿透锚杆在所述遗留煤柱长边方向打入所述遗留煤柱体内且穿透后继续通过对侧对应位置的拼接处的所述锚固槽孔。

5.根据权利要求1所述的一种用于加固遗留煤柱的组合式frp壳体结构及其施工方法，其特征在于：所述紧固锚杆在所述遗留煤柱短边方向打入所述遗留煤柱体内后通过所述固定螺栓固定住端头。

6.根据权利要求1所述的一种用于加固遗留煤柱的组合式frp壳体结构及其施工方法，其特征在于：所述纵向拼接板、所述端头拼接板和所述加劲肋板均为frp材料制成的尺寸固定的预制板。

7.根据权利要求1所述的一种用于加固遗留煤柱的组合式frp壳体结构及其施工方法，其特征在于：包括以下施工步骤：

技术总结本发明提供一种用于加固遗留煤柱的组合式FRP壳体结构及其施工方法，涉及煤矿地下开采支护领域，包括：纵向拼接板、端头拼接板和锚固装置；所述纵向拼接板和所述端头拼接板的两侧端部均预留有多个锚固槽孔；所述锚固装置包括加劲肋板、穿透锚杆、紧固锚杆和固定螺栓。遗留煤柱长边方向由多块所述纵向拼接板端部重叠拼接在一起，短边方向由两块所述端头拼接板端部重叠拼接在一起。本发明在遗留煤柱的外侧设置拼接板环形连接，施工便捷快速，且拼接板与遗留煤柱之间充填的膨胀水泥可以施加预应力于拼接板，提高了煤柱的稳定性和安全性，具备良好的经济性和操作简便性。技术研发人员：赵红超,俞白云,白锦文,刘洪林,李国栋,周亚菲,吕金星受保护的技术使用者：新疆大学技术研发日：技术公布日：2024/7/9