矿用复合材料及由其制备钢结构、木垛架设的方法与流程

本发明涉及矿山巷道顶板支护领域，特别涉及一种矿山巷道以木梁架设木垛方法的替代方式，具体涉及一种矿用复合材料，及由该矿用复合材料制备钢结构的方法和利用该钢结构的架设木垛方法。

背景技术：

矿山巷道由于受地压或强烈的采动影响，顶板下沉量较大，经常采用短木梁成“井”字型架设木垛的方式来支撑顶板，多以落叶松、黄花松、柞木、曲柳木、山槐为原材料，由于木材横纹受压具备良好的韧性，再加上木材木垛结构承载性能好，因此在矿山应用较为广泛，但是采用短木梁架设木垛的方式需要消耗大量的优质木材，破坏生态环境，成本高，且利用木材架设的木垛存在易腐蚀、易燃、影响巷道通风等严重缺陷，给矿山生产造成极大的安全隐患。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有技术木梁架设的木垛存在易腐蚀、易燃、影响巷道通风等方面的问题，提出一种矿用复合材料，及由该矿用复合材料制备钢结构的方法和利用该钢结构的架设木垛的方法。

本发明的技术方案采用高性能有机、无机复合材料制备承压块，短钢筋或锚杆作为承拉部件，形成复合材料钢结构短梁；该技术方案仍然采用“井”字型架设木垛，该架设方式不改变木垛支撑结构，采用有机和无机复合材料制作的承压块具备比木材更好的韧性，单轴抗压强度与木材横纹强度相当，承压块之间采用钢筋或锚杆作为承拉构件，抗拉性能比木梁更好。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种矿用复合材料，所述矿用复合材料包括按重量百分比计的下述组份：异氰酸酯，20～40％(例如22％、23％、25％、28％、32％、36％、39％)；聚醚多元醇，20～40％(例如24％、27％、29％、31％、35％、38％)；粉煤灰，20～60％(例如22％、25％、28％、34％、38％、42％、47％、50％、53％、57％、59％)；还包括外加入的催化剂和稀释剂，所述催化剂的含量占所述异氰酸酯和聚醚多元醇重量和的0.1～1.0％(例如0.3％、0.5％、0.8％、0.9％)；所述稀释剂的含量占所述异氰酸酯和聚醚多元醇重量和的0.5～2％(例如0.6％、0.7％、0.9％、1.0％、1.2％、1.5％、1.7％、1.9％)。

在如上所述的矿用复合材料，进一步优选，所述矿用复合材料包括按重量百分比计的下述组份：异氰酸酯，30～40％(例如32％、34％、37％、38％、39％)；聚醚多元醇，25～35％(例如26％、28％、29％、30％、32％、34％)；粉煤灰，25～40％(例如26％、28％、29％、31％、34％、37％、39％)；还包括外加入的催化剂和稀释剂，所述催化剂的含量占所述异氰酸酯和聚醚多元醇重量和的0.1～0.5％(例如0.2％、0.3％、0.4％)；所述稀释剂的含量占所述异氰酸酯和聚醚多元醇重量和的0.5～1％(例如0.6％、0.7％、0.8％、0.9％)。

在如上所述的矿用复合材料，进一步优选，所述矿用复合材料包括按重量百分比计的下述组份：异氰酸酯，40％；聚醚多元醇，30％；粉煤灰，30％；还包括外加入的催化剂和稀释剂，所述催化剂的含量占所述异氰酸酯和聚醚多元醇重量和的0.5％；所述稀释剂的含量占所述异氰酸酯和聚醚多元醇重量和的0.5％。

在如上所述的矿用复合材料，进一步优选，所述矿用复合材料包括按重量百分比计的下述组份：异氰酸酯30％，聚醚多元醇30％，粉煤灰40％；还包括外加入的催化剂和稀释剂，所述催化剂的含量占所述异氰酸酯和聚醚多元醇重量和的0.3％；所述稀释剂的含量占所述异氰酸酯和聚醚多元醇重量和的0.6％。

在如上所述的矿用复合材料，进一步优选，所述催化剂为叔胺类催化剂；所述稀释剂为硅油。

在如上所述的矿用复合材料，进一步优选，所述矿用复合材料可作为矿井坑木替代材料使用。

一种由所述的矿用复合材料制备钢结构的方法，所述制备钢结构的方法包括以下步骤：

1)将异氰酸酯、聚醚多元醇、粉煤灰、催化剂和稀释剂按照所需配比称取后混合，高速搅拌均匀，得混合浆体；

2)将步骤1)中的混合浆体注入模具内，固结成型48h以上(例如50h、55h、60h、67h、69h、75h、80h、90h、100h)，再制成承压块；在所述承压块上预留拉筋孔；

3)将直径为20mm以上(例如21mm、22mm、25mm、28mm、30mm、35mm、40mm)的短梁的两端分别穿入由步骤2)得到的两个所述承压块的拉筋孔内，所述短梁用于连接两个所述承压块，得矿用复合材料钢结构。

在如上所述的制备钢结构的方法，进一步优选，在所述步骤2)中，所述模具的规格为150mm×150mm×150mm。

在如上所述的制备钢结构的方法，进一步优选，在所述步骤2)中，所述拉筋孔是在所述混合浆体注入模具前，预先在所述模具内设置有内孔直径与所述步骤3)中的短梁直径相等的塑料管，用于形成拉筋孔，便于所述短梁的穿入；所述拉筋孔贯穿所述承压块的对称的两端面，以使所述短梁能够穿入并伸出所述承压块的端面。

在如上所述的制备钢结构的方法，进一步优选，在所述步骤3)中，所述短梁的长度为1.2～1.5m；所述短梁为短钢筋或锚杆。

在如上所述的制备钢结构的方法，进一步优选，在所述步骤3)中，还包括定位装置，用于固定所述承压块和短梁。

在如上所述的制备钢结构的方法，进一步优选，所述定位装置包括垫片和螺母，所述垫片和所述螺母均套设于所述短梁上，所述垫片的一侧面与所述承压块的端面接触，所述螺母与所述垫片的另一个侧面抵接；优选地，两个所述承压块的同侧均设置有所述垫片和所述螺母。

利用所述的方法制备的钢结构的木垛架设方法，所述木垛架设方法包括以下步骤：

在木垛架设的施工地点，首先对施工地点的浮底进行清理，然后将矿用复合材料钢结构按照“井”字型架设木垛；木垛上的矿用复合材料钢结构的承压块之间接触紧密，欠接顶部分(由于矿井顶板的凹凸不平造成顶板与木垛之间存在的间隙部分)采用木楔或薄木梁填充。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：

1、本发明的技术方案采用高性能的有机和无机复合材料制作的承压块，韧性好，压缩率可达40％以上；抗压强度与木材横纹强度相当，但是本发明的承压块的重量更轻。

2、本发明的技术方案承压块之间采用钢筋或锚杆作为承拉构件形成的矿用复合材料钢结构，抗拉性能比木梁更好，使木垛稳定性更强。

3、本发明的矿用复合材料钢结构木垛承载性能更好，成本比木材架设的木垛节约50％，且本发明采用人工合成材料，社会和环境效益更加明显，具备较为明显的推广应用价值。

4、采用本发明的技术方案架设的木垛，工人劳动强度低，不易燃，耐久性好，通风断面大，且成本低，环保特性好。

5、本发明解决了现有木垛需要消耗大量坑木、成本高、易腐蚀、易燃，以及破坏生态环境等缺陷问题，具有显著的经济性和环境性。

附图说明

图1矿用复合材料承压块单轴压缩曲线示意图；

图2矿用复合材料钢结构示意图；

图3采用矿用复合材料钢结构架设木垛的结构示意图。

图中：1、承压块；2、短梁；3、螺母；4、垫片；5、第一钢结构；6、第二钢结构；7、第三钢结构；8、第四钢结构。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明中的承压块的形状、大小，短梁的长度可根据工程需要进行设定，本发明对此不再限定。

实施例1

如图2所示，本实施例提供一种矿用复合材料钢结构，该钢结构的短梁2的两端分别穿入两个不同的承压块1(图2中左、右两个承压块1)的拉筋孔内，用于连接两个承压块1；并用定位装置固定承压块1和短梁2。

本实施例中定位装置包括垫片4和螺母3，垫片4和螺母3均套设于短梁2上，垫片4的一侧面与承压块1的端面接触，螺母3与垫片4的另一个侧面抵接；优选地，两个承压块1的同侧均设置有垫片4和螺母3。

本实施例中拉筋孔贯穿通过承压块1对称的两端面，用于短梁2的穿入；垫片4和螺母3是贯穿于短梁2上并施加于每一个承压块1两端面的拉筋孔上；靠近承压块1拉筋孔的为垫片4，在垫片4上再安装螺母3进行固定短梁2和承压块1。优选地，各承压块1为立方体结构，拉筋孔贯穿于立方体结构的两个平行对称面。

进一步的优选，短梁2为短钢筋或锚杆；此外，短梁2还可以为废旧锚杆，用于节省原料成本。本实施例的技术方案中承压块之间采用钢筋或锚杆作为承拉构件形成的矿用复合材料钢结构，抗拉性能比木梁更好，使木垛稳定性更强。

本实施例的承压块的体积密度为0.3～0.4t/m³，抗压强度为5～10MPa。

实施例2

如图3所示，本实施例提供一种采用矿用复合材料钢结构架设木垛的结构，该木垛采用的是矿用复合材料钢结构，该矿用复合材料钢结构与实施例1中的相同，在此不再赘述。

本实施例中的矿用复合材料钢结构按照“井”字型架设木垛；木垛上的矿用复合材料钢结构的承压块1之间接触紧密，即是第二钢结构6的一承压块1置于第一钢结构5的一承压块1之上，第二钢结构6的另一承压块1置于第三钢结构7的一承压块1之上；第四钢结构8的一承压块1置于第一钢结构5的另一承压块1之上，第四钢结构8的另一承压块1置于第三钢结构7的另一承压块1之上；上述各承压块1之间接触紧密、压实，稳定性强。

本实施例中的欠接顶部分(由于矿井顶板的凹凸不平造成顶板与木垛之间存在的间隙部分)采用木楔或薄木梁填充。

优选地，本实施例的一个“井”字型木垛高为300mm；在架设木垛时，需结合实际矿井的高度，来决定架设多少个“井”字型木垛，本实施例在此不作限定。

实施例3

一种采用矿用复合材料制备钢结构的方法包括以下步骤：

1)将异氰酸酯、聚醚多元醇、粉煤灰、催化剂和稀释剂按照所需配比称取后混合，高速搅拌均匀，得混合浆体；

催化剂为叔胺类催化剂；稀释剂为硅油。

2)将步骤1)中的混合浆体注入规格为150mm×150mm×150mm的模具内，固结55h后制成承压块；在承压块上预留拉筋孔；拉筋孔贯穿通过承压块对称的两端面，用于短钢筋的穿入。

3)将直径为20mm、长度为1.2m的短钢筋的两端分别穿入两个不同的步骤2)中承压块的拉筋孔内，用于连接两个承压块，并用垫片和螺母固定承压块和短钢筋，得矿用复合材料钢结构。

实施例4

一种采用矿用复合材料制备钢结构的方法包括以下步骤：

1)将异氰酸酯、聚醚多元醇、粉煤灰、催化剂和稀释剂按照所需配比称取后混合，高速搅拌均匀，得混合浆体；

催化剂为叔胺类催化剂；稀释剂为硅油。

2)将步骤1)中的混合浆体注入规格为150mm×150mm×150mm的模具内，固结48h后制成承压块；在承压块上预留拉筋孔；拉筋孔贯穿通过所述承压块对称的两端面，用于锚杆的穿入。

3)将直径为25mm、长度为1.5m的锚杆的两端分别穿入两个不同的步骤2)中承压块的拉筋孔内，用于连接两个承压块，并用垫片和螺母固定承压块和锚杆，得矿用复合材料钢结构。

实施例5

一种采用矿用复合材料制备钢结构的方法包括以下步骤：

1)将异氰酸酯、聚醚多元醇、粉煤灰、催化剂和稀释剂按照所需配比称取后混合，高速搅拌均匀，得混合浆体；

催化剂为叔胺类催化剂；稀释剂为硅油。

2)将步骤1)中的混合浆体注入规格为150mm×150mm×150mm的模具内，固结60h后制成承压块；在承压块上预留拉筋孔；拉筋孔贯穿通过所述承压块对称的两端面，用于短钢筋的穿入。

3)将直径为26mm、长度为1.3m的短钢筋的两端分别穿入两个不同的步骤2)中承压块的拉筋孔内，用于连接两个承压块，并用垫片和螺母固定承压块和短钢筋，得矿用复合材料钢结构。

实施例6

一种采用矿用复合材料制备钢结构的方法包括以下步骤：

1)将异氰酸酯、聚醚多元醇、粉煤灰、催化剂和稀释剂按照所需配比称取后混合，高速搅拌均匀，得混合浆体；

催化剂为叔胺类催化剂；稀释剂为硅油。

2)将步骤1)中的混合浆体注入规格为150mm×150mm×150mm的模具内，固结72h后制成承压块；在承压块上预留拉筋孔；所述拉筋孔贯穿通过承压块对称的两端面，用于短钢筋的穿入。

3)将直径为30mm、长度为1.4m的短钢筋的两端分别穿入两个不同的步骤2)中承压块的拉筋孔内，用于连接两个承压块，并用垫片和螺母固定承压块和短钢筋，得矿用复合材料钢结构。

实施例7

一种采用矿用复合材料制备钢结构的方法包括以下步骤：

1)将异氰酸酯、聚醚多元醇、粉煤灰、催化剂和稀释剂按照所需配比称取后混合，高速搅拌均匀，得混合浆体；

催化剂为叔胺类催化剂；稀释剂为硅油。

2)将步骤1)中的混合浆体注入规格为150mm×150mm×150mm的模具内，固结50h后制成承压块；在承压块上预留拉筋孔；拉筋孔贯穿通过所述承压块对称的两端面，用于锚杆的穿入。

3)将直径为25mm、长度为1.35m的锚杆的两端分别穿入两个不同的步骤2)中承压块的拉筋孔内，用于连接两个承压块，并用垫片和螺母固定承压块和锚杆，得矿用复合材料钢结构。

实施例8

一种采用矿用复合材料制备钢结构的方法包括以下步骤：

1)将异氰酸酯、聚醚多元醇、粉煤灰、催化剂和稀释剂按照所需配比称取后混合，高速搅拌均匀，得混合浆体；

催化剂为叔胺类催化剂；稀释剂为硅油。

2)将步骤1)中的混合浆体注入规格为150mm×150mm×150mm的模具内，固结48h后制成承压块；在承压块上预留拉筋孔；拉筋孔贯穿通过所述承压块对称的两端面，用于锚杆的穿入。

3)将直径为23mm、长度为1.45m的锚杆的两端分别穿入两个不同的步骤2)中承压块的拉筋孔内，用于连接两个承压块，并用垫片和螺母固定承压块和锚杆，得矿用复合材料钢结构。

实施例9

一种采用矿用复合材料制备钢结构的方法包括以下步骤：

1)将异氰酸酯、聚醚多元醇、粉煤灰、催化剂和稀释剂按照所需配比称取后混合，高速搅拌均匀，得混合浆体；

催化剂为叔胺类催化剂；稀释剂为硅油。

2)将步骤1)中的混合浆体注入规格为150mm×150mm×150mm的模具内，固结58h后制成承压块；在承压块上预留拉筋孔；拉筋孔贯穿通过所述承压块对称的两端面，用于短钢筋的穿入。

3)将直径为28mm、长度为1.5m的短钢筋的两端分别穿入两个不同的步骤2)中承压块的拉筋孔内，用于连接两个承压块，并用垫片和螺母固定承压块和短钢筋，得矿用复合材料钢结构。

实施例10

一种采用矿用复合材料制备钢结构的方法包括以下步骤：

1)将异氰酸酯、聚醚多元醇、粉煤灰、催化剂和稀释剂按照所需配比称取后混合，高速搅拌均匀，得混合浆体；

催化剂为叔胺类催化剂；稀释剂为硅油。

2)将步骤1)中的混合浆体注入规格为150mm×150mm×150mm的模具内，固结48h后制成承压块；在所述承压块上预留拉筋孔；所述拉筋孔贯穿通过所述承压块对称的两端面，用于锚杆的穿入。

3)将直径为27mm、长度为1.25m的锚杆的两端分别穿入两个不同的步骤2)中承压块的拉筋孔内，用于连接两个承压块，并用垫片和螺母固定承压块和锚杆，得矿用复合材料钢结构。

上述实施例3-10中制备矿用复合材料承压块所用原料组份的含量(按重量百分比)分别列于下表1；上述实施例3-10中所得制品的测试性能数据列于下表2。

表1实施例3-10中制备承压块所用原料组份的含量

表2实施例3-10中所得制品的测试性能数据

上述可知，表2的数据表明了本发明的技术方案制备的的承压块，韧性好，压缩率可达40％以上；本申请的抗压强度(5～10MPa)与木材横纹强度相当，甚至优于木材的抗压强度，本发明的承压块的重量更轻，体积密度小(0.3～0.4t/m³)；此外，本发明的承压块之间采用钢筋或锚杆作为承拉构件形成的矿用复合材料钢结构，抗拉性能比木梁更好，采用本发明的承压块架设的木垛稳定性更强。又如图1所示为矿用复合材料承压块单轴压缩曲线示意图，其表明了既使达到了该矿用复合材料承压块的破坏强度，但该矿用复合材料承压块仍具有较好的整体特点，即具有裂而不散的特点。

本发明的技术方案利用了大量固体废弃物粉煤灰，一方面解决了粉煤灰堆放量大、污染环境的问题，并实现了固体废弃物的二次利用，另一方面使木垛架设的生产成本显著降低，具有很好的经济性和环境性。本发明采用规格为150mm×150mm×150mm的模具是经过了多次试验得出，只有使用该规格的模具制备出的承压块，各项性能才可达到最优，这是因为若模具规格大于本发明使用的规格，需要消耗更多的原料量，会增加成本，且固结成型的承压块制备矿用复合材料钢结构来架设木垛时，所达到的性能并非能优于本发明的技术方案；若模具规格小于本发明使用的规格，则承载效果不好，达不到矿井架设木垛的标准要求。

本发明的矿用复合材料钢结构木垛承载性能更好，成本比木材架设的木垛节约50％，且本发明采用人工合成材料，社会和环境效益更加明显，具备较为明显的推广应用价值。采用本发明的技术方案架设的木垛，工人劳动强度低，不易燃，耐久性好，通风断面大，且成本低，环保特性好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。