一种具有自修复功能的煤矿沿空留巷支护墙体及方法

1.本发明涉及煤矿沿空留巷无煤柱开采技术领域，尤其涉及一种具有自修复功能的煤矿沿空留巷支护墙体及方法。


背景技术：

2.沿空留巷是煤矿开采技术的一项重大改革，取消了留设煤柱的支护，实现了无煤柱连续开采不仅可减少巷道掘进工程量、降低掘进成本、缓解采掘接替的紧张状况，提高煤炭资源采收率和矿井经济效益，而且可以避免采空区遗留煤柱导致的煤层灾害，对矿井安全具有重要意义。
3.目前沿空留巷巷内支护的方式主要为混凝土浇筑型，经实践证明，目前浇混凝土隔墙法相较于其他方法更为良好，该方法适应性广，承载力高，但有价材料用量大，较高的工程费用和施工的复杂性以及强度上升速度较慢不能适应高产高效矿井工作面。现有改进方法为柔模泵注混凝土支护技术，这种方式具有流动性好、扩展性强、可塑性强等特点，但保留的巷道经历掘进和两次强烈的采动后，在动压的作用下后期会导致其开裂，这个问题仍无法得到有效的解决，并且开裂后进行人工修复的难度极大，还可能影响墙体内部。如果柔模墙体接顶不实或局部压裂则可能造成较大的漏风，加之煤层具有较高的自燃倾向性，极有可能引起采空区遗煤较多区域发生自燃。因此在开采过程中，如何保证巷道与支护墙体之间紧密衔接的同时，尽可能在最短的时间内对产生的裂缝进行自动修补，从而延长支护墙体的使用寿命，是本行业的研究方向。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种具有自修复功能的煤矿沿空留巷支护墙体及方法，能保证巷道与支护墙体之间紧密衔接的同时，尽可能在最短的时间内对产生的裂缝进行自动修补，从而延长支护墙体的使用寿命。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有自修复功能的煤矿沿空留巷支护墙体，包括支护墙主体；
6.所述支护墙主体包括框架和柔性模板，框架为内部中空的矩形箱体，采用强化纤维复合板制成；框架上开设注浆孔，所述柔性模板将框架整体包裹；
7.所述框架内部充填有密闭充填材料，密闭充填材料内均匀分布多个修复球；
8.所述修复球为脆性球体，其内部空腔为三层结构，中间层为夹层，夹层内充填水，其余两层内充填高分子复混溶胀胶体材料；
9.所述框架及柔性模板通过多个锚栓及托板固定在巷道围岩上，使支护墙主体对巷道进行支撑。
10.进一步，所述柔性模板由双层高强度纤维布缝制而成。采用这种材质，能提高柔性模板的受力形变效果。
11.进一步，所述密闭充填材料为hbmd12/4-22s型矿用混凝土、高性能自密实混凝土
或高分子泡沫材料中的一种。
12.进一步，所述修复球的材质为玻璃，陶瓷或高分子材料，壁厚为1～5mm，其中夹层两侧的壁厚均为1～2mm；所述每个修复球内高分子复混溶胀胶体材料和水的质量比为1:3。采用这种参数修复球及高分子复混溶胀胶体材料和水的配比，能在修复球受力后发生破裂，使夹层内的水与两侧层内的高分子复混溶胀胶体材料混合，进而形成高分子复混溶胀胶体，并沿着裂缝流动对其进行胶结加固。
13.进一步，所述强化纤维复合板的宽度为200～300mm，厚度为20～30mm。
14.进一步，所述框架及柔性模板的两侧均垂直固定于巷道围岩上。这样设置能保证支护墙体与巷道围岩的紧密贴合，进一步提高支护墙体对巷道的支护作用。
15.上述具有自修复功能的煤矿沿空留巷支护墙体的使用方法，具体步骤为：
16.a、在框架外部包裹柔性模板，完成后采用锚栓及托板穿过框架及柔性模板，将两者两侧均垂直固定在巷道围岩上；
17.b、在柔性模板的顶部及底部进行植筋施工，使钢筋和墙体支护以及围岩形成一个整体；
18.c、制作多个修复球，并且在每个修复球的夹层内充填水，在修复球其余两层内充填高分子复混溶胀胶体材料，然后制备密封充填材料，将多个修复球放入密封充填材料内混合，使各个修复球均匀分布在密封充填材料内；
19.d、将框架的注浆孔与管路一端连接，管路另一端与注浆机连接，将步骤c的密封充填材料和修复球混合物放入注浆机内，启动注浆机向框架内部注满密封充填材料和修复球混合物，然后断开管路并对注浆孔密封，待密封充填材料凝固后，通过锚栓及托板对框架及柔性模板施加预紧力，使支护墙体与巷道围岩压紧固定；
20.e、在支护墙体对巷道支护过程中，当巷道经历掘进和多次强烈采动影响后，巷道会发生形变对支护墙体施加地应力进行挤压，若地应力较小，支护墙体能通过柔性模板的形变抵消巷道施加的地应力，若地应力较大，则支护墙体的框架及凝固后的密封充填材料直接承压，当应力超过极限值时，密封充填材料内部受应力影响发生错动，进而产生裂缝，由于密封充填材料内部均匀分布修复球，此时裂缝处的修复球受力发生破裂，使其夹层内部的水和其余两层内的高分子复混溶胀胶体材料从修复球内流出，进而高分子复混溶胀胶体材料和水混合，混合后高分子复混溶胀胶体材料吸水膨胀为高分子复混溶胀胶体，其为弹性凝胶，接着该高分子复混溶胀胶体顺着裂缝流动，对裂缝充填胶结，待高分子复混溶胀胶体的水分蒸发及受空气的氧化反应后，其凝固为干胶实现对裂缝的胶结加固，完成本次产生裂缝的修复工作；
21.f、当支护墙体再次受较大应力产生新的裂缝时，则该裂缝周围的修复球会破裂，并重复步骤e中的裂缝修复过程，从而有效延长支护墙体的使用寿命。
22.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
23.(1)本发明省去了传统的砖墙结构，改进为复合板结构，能够减少运输压力，简化运输过程，节省人力财力；通过内部预置锚栓与柔性模板、围岩固定，能够使浇筑成墙体的强度更高、密封性更好。
24.(2)采用柔性模板完全覆盖包裹框架，并留有空余，在后续支护过过程中能够保证柔性模板随巷道形状的改变而改变，具有一定的缓冲效果；另外修复球内部空腔为三层结
构，中间层为夹层，夹层内充填水，其余两层内充填高分子复混溶胀胶体材料；这样在修复球未破裂之前，高分子复混溶胀胶体材料不仅与夹层内的水隔绝，也与外界空气隔绝，从而保证高分子复混溶胀胶体材料不会吸水膨胀及氧化等情况，这样在后续破裂后才能起到与水混合形成弹性胶体，进而实现后续胶结加固裂缝的效果。
25.(3)本发明的沿空留巷支护墙体内含修复球，当巷道经历掘进和多次强烈采动影响时，墙体极有可能在矿压作用下出现裂缝，部分修复球在应力作用下随之破裂(由于其为脆性球体，受较大的力后会破裂)，将内部的高分子复混溶胀胶体材料和水释放出来，进而高分子复混溶胀胶体材料和水混合，混合后高分子复混溶胀胶体材料吸水膨胀为高分子复混溶胀胶体，其为弹性凝胶，接着该高分子复混溶胀胶体顺着裂缝流动，对裂缝充填胶结，待高分子复混溶胀胶体的水分蒸发及受空气的氧化反应后，其凝固为干胶实现对裂缝的胶结加固，迅速修复墙体裂缝，随着修复过程的进行，另一部分修复球会随着应力的减小而被保留下来，以便下次乃至多次墙体开裂时使用，较好地做到了缺多少用多少，在很大程度上避免材料浪费，能极大弥补人工修复慢、难度大等缺陷，具有安全高效、快速便捷、多次使用的特点，同时也达到了自修复这一目标。
附图说明
26.图1为本发明的整体结构示意图；
27.图2为图1的纵向内部剖切图；
28.图3为本发明中修复球的结构示意图。
29.图中：1-柔性模板，2-框架，3-注浆孔，4-锚栓，5-钢筋，6-托板，7-修复球，8-夹层，9-水，10-高分子复混溶胀胶体材料。
具体实施方式
30.下面将对本发明作进一步说明。
31.如图1和2所示，一种具有自修复功能的煤矿沿空留巷支护墙体，包括支护墙主体；
32.所述支护墙主体包括框架2和柔性模板1，框架2为内部中空的矩形箱体，采用强化纤维复合板制成，所述强化纤维复合板的宽度为200～300mm，厚度为20～30mm。框架2上开设注浆孔3，所述柔性模板1将框架2整体包裹；所述柔性模板1由双层高强度纤维布缝制而成；采用这种材质，能提高柔性模板1的受力形变效果；
33.所述框架2内部充填有密闭充填材料，所述密闭充填材料为hbmd12/4-22s型矿用混凝土、高性能自密实混凝土或高分子泡沫材料中的一种；密闭充填材料内均匀分布多个修复球7；所述修复球7的材质为玻璃，陶瓷或高分子材料，壁厚为1～5mm，其中夹层8两侧的壁厚均为1～2mm；所述每个修复球7内高分子复混溶胀胶体材料和水的质量比为1:3；
34.如图3所示，所述修复球7为脆性球体，其内部空腔为三层结构，中间层为夹层8，夹层8内充填水，其余两层内充填高分子复混溶胀胶体材料；
35.所述框架2及柔性模板1的两侧通过多个锚栓4及托板6垂直固定在巷道围岩上，使支护墙主体对巷道进行支撑，这样设置能保证支护墙体与巷道围岩的紧密贴合，进一步提高支护墙体对巷道的支护作用。
36.上述具有自修复功能的煤矿沿空留巷支护墙体的使用方法，具体步骤为：
37.a、在框架2外部包裹柔性模板1，完成后采用锚栓4及托板6穿过框架2及柔性模板1，将两者两侧均垂直固定在巷道围岩上；
38.b、在柔性模板1的顶部及底部进行植筋施工，使钢筋5和墙体支护以及围岩形成一个整体；
39.c、制作多个修复球7，并且在每个修复球7的夹层8内充填水，在修复球7其余两层内充填高分子复混溶胀胶体材料10，然后制备密封充填材料，将多个修复球7放入密封充填材料内混合，使各个修复球7均匀分布在密封充填材料内；
40.d、将框架2的注浆孔3与管路一端连接，管路另一端与注浆机连接，将步骤c的密封充填材料和修复球7混合物放入注浆机内，启动注浆机向框架2内部注满密封充填材料和修复球7混合物，然后断开管路并对注浆孔密封，待密封充填材料凝固后，通过锚栓4及托板6对框架2及柔性模板1施加预紧力，使支护墙体与巷道围岩压紧固定；
41.e、在支护墙体对巷道支护过程中，当巷道经历掘进和多次强烈采动影响后，巷道会发生形变对支护墙体施加地应力进行挤压，若地应力较小，支护墙体能通过柔性模板1的形变抵消巷道施加的地应力，若地应力较大，则支护墙体的框架2及凝固后的密封充填材料直接承压，当应力超过极限值时，密封充填材料内部受应力影响发生错动，进而产生裂缝，由于密封充填材料内部均匀分布修复球，此时裂缝处的修复球7受力发生破裂，使其夹层8内部的水和其余两层内的高分子复混溶胀胶体材料10从修复球7内流出，进而高分子复混溶胀胶体材料10和水混合，混合后高分子复混溶胀胶体材料10吸水膨胀为高分子复混溶胀胶体，其为弹性凝胶，接着该高分子复混溶胀胶体顺着裂缝流动，对裂缝充填胶结，待高分子复混溶胀胶体的水分蒸发及受空气的氧化反应后，其凝固为干胶实现对裂缝的胶结加固，完成本次产生裂缝的修复工作；
42.f、当支护墙体再次受较大应力产生新的裂缝时，则该裂缝周围的修复球会破裂，并重复步骤e中的裂缝修复过程，从而有效延长支护墙体的使用寿命。
43.上述锚栓4、托板6、钢筋5和注浆机均现有设备或部件，强化纤维复合板、高强度纤维布、高分子复混溶胀胶体材料10均为现有材质，其中高分子复混溶胀胶体材料10，目前通常应用于防治井下煤炭自燃方面，主要包括封堵沿空留巷漏风、喷洒覆盖采空区遗煤、封闭联络巷道等为主的综合防灭火技术与措施。
44.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。