一种轻型高强复合碳纤维约束混凝土拱架的制作方法

本实用新型涉及矿山巷道支护技术领域，尤其涉及一种深部软岩巷道支护的轻型高强支护拱架。

背景技术：

在深部软岩巷道中，围岩承载能力较低，具有明显的流变性。如果支护强度不足，围岩的流变破坏就会持续发展，巷道无法维持长期稳定。因此在围岩变形一定程度之后给围岩施加一个具有较高强度的支护结构是非常关键的，它可以有效阻止流变破坏的发展，保证围岩长期稳定。在此情形下，约束混凝土拱架作为一种高强度的刚性支护，由于其结构简单，在深部软岩巷道的支护中得到了广泛的应用。

目前大部分矿山及岩土工程中应用的约束混凝土拱架多为钢管混凝土拱架和碳纤维模袋混凝土拱架，但是，这些约束混凝土支架在实际应用中也存在以下问题。

中国发明专利CN201720406727.9公开了一种用于巷道支护的钢管混凝土拱架，该拱架由钢管混凝土拱架主体和钢管构成，其具有较高的强度和刚度；但是，该拱架结构复杂，制作成本昂贵，架设难度过高，用于深部巷道支护时拱架极限抗弯性能不足。

中国实用新型专利CN201520955522.7公开了用于一种深部巷道支护用新型混凝土支架，该拱架是由土工模袋和碳纤维一次加工成型的柔性管体、横梁卡箍、横梁和混凝土组成；该拱架具有可一次灌注成型，柔性管体可折叠以及加快内部混凝土的速度等优点，但是该拱架的碳纤维层是粘在土工模袋内侧，在拱架破坏时会由于核心混凝土的破碎而产生大量带有锋利茬口的碎石，由于内衬的碳纤维夹层直接接触核心混凝土，且碳纤维作为一种抗拉但不抗剪的材料，因此碳纤维夹层会由于碎石的剪切作用而发生剪切破坏，同时在灌注混凝土的过程中，流动的混凝土和内衬的碳纤维层的直接接触也会对碳纤维造成一定的损伤，导致碳纤维层的抗拉强度也会大大降低，从而无法充分发挥出碳纤维材料的抗拉性能，最终表现为拱架承载力不足，容易出现拱架提早破坏等现象。

综上所述，传统的约束混凝土拱架对深部软岩巷道的支护效果以及施工速度都不甚理想，因此，探索研究出一种适用于深部软岩巷道支护的质量轻、强度高且易安装的拱架支护结构是十分必要的。

技术实现要素：

本实用新型为解决上述问题，提出了一种适用于深部软岩巷道支护的轻型高强复合碳纤维约束混凝土拱架。本实用新型具有质量轻、强度高且易安装的优点，在满足我们控制巷道围岩变形的同时，更是降低了井下施工人员在狭小的巷道空间内安装拱架的劳动强度，提高了施工效率。

本实用新型一种轻型高强复合碳纤维约束混凝土拱架的构造为：由若干复合碳纤维约束管、连接套筒及固定钢板、核心混凝土组成，其特征在于，所述的复合碳纤维约束管由内层管、浸树脂碳纤维夹层和外层管组成，浸树脂碳纤维夹层位于内层管和外层管之间；所述的连接套筒分为单阻隔卡环闭合套筒和双阻隔卡环开孔套筒两种，其中单阻隔卡环闭合套筒焊接一片阻隔卡环，双阻隔卡环开孔套筒焊接两片阻隔卡环，并在两阻隔卡环间增设孔洞；所述的固定钢板焊接在连接套筒一侧，并将拱架锚固在巷道内壁上。

为了保护碳纤维布不被碎石剪切破坏，充分发挥出碳纤维材料的抗拉性能，所述的复合碳纤维约束管各层之间通过树脂进行粘贴，浸树脂碳纤维夹层两侧的内层管和外层管可以有效降低碎石对碳纤维布的剪切作用。

为了提高连接套筒的连接强度，所述的连接套筒内部阻隔卡环两面均焊有四个环向分布的固定钢筋爪，在混凝土浇筑完成后钢筋爪会插入混凝土中，从而大大提高连接套筒的连接强度。

为了避免在复合碳纤维约束管的管体上直接开钻注浆孔和排气孔而造成的管体强度降低，所述的顶部连接套筒和底部连接套筒均为双阻隔卡环开孔套筒，注浆孔和排气孔设置在两阻隔卡环之间，从而保证了管体的完整性。

本实用新型一种轻型高强复合碳纤维约束混凝土拱架的施工方法为：管体制作时，将碳纤维布缠绕在涂有树脂粘结剂的内层管上，并套入外层管，然后将其一端浸入粘结树脂中，在另一端空隙处进行真空抽气使得树脂浸润整个碳纤维布夹层，待树脂充分凝固后形成所述的复合碳纤维约束管；施工时，根据巷道断面形状将若干复合碳纤维约束管通过连接套筒组装成整体管体，然后通过固定钢板将管体锚固在巷道内壁上，最后通过底部连接套筒的孔洞灌注核心混凝土，形成拱架支护结构。

本实用新型一种轻型高强复合碳纤维约束混凝土拱架优点是：

（1）本实用新型可以充分发挥碳纤维材料极强的抗拉性能，复合碳纤维约束管通过对核心混凝土施加强大的约束力，使核心混凝土产生改性，进而极大地增强拱架的承载能力，可以满足控制深部软岩巷道围岩变形的要求；

（2）本实用新型在进行支护时，采用先架设管体、后进行注浆的方式，由于拱架外部的约束体系采用的是在内层管和外层管之间设置浸树脂碳纤维夹层，其重量远低于钢管混凝土拱架的钢管，降低了井下施工人员在狭小的巷道空间内搬运、安装拱架时的劳动强度，大大提高了施工效率；

（3）本实用新型约束混凝土拱架的复合碳纤维约束管的内层管和外层管可以作为浸树脂碳纤维夹层的保护层，可以起到保护内部碳纤维的作用，从而避免了混凝土浇筑过程中拌合物颗粒对碳纤维束的造成的材料损伤，甚至剥离，同时也可以避免拱架安装时对浸树脂碳纤维夹层的损伤。这种结构既充分发挥了碳纤维的优良性能，也弱化了碳纤维抗剪性能不足的缺陷；

（4）所述连接套筒为刚性套筒，可抵抗较大弯矩，其内部的钢筋爪可以伸入复合碳纤维约束管内的核心混凝土中，大大提高了轴向连接强度；同时，拱架的顶部连接套筒和底部连接套筒均为双阻隔卡环开孔套筒，将注浆孔和排气孔设置在两阻隔卡环之间，从而可以避免由于直接在复合碳纤维约束管管体上开孔而造成的管体强度降低，保证了管体的完整性。

（5）所述的复合碳纤维约束管限制了核心混凝土的横向变形，提高了其抗压强度及延性，避免了拱架发生脆性破坏；

（6）就支护成本来讲，由于其承载能力强大，可以避免支护结构多次复修的高昂费用，本实用新型的总体支护成本较低。

附图说明

图1为本实用新型的复合碳纤维约束管结构示意图。

图2为本实用新型的剖面图（未灌混凝土）。

图3为本实用新型顶部连接套筒结构详图（双阻隔卡环开孔套筒）。

图4为本实用新型底部连接套筒结构详图（双阻隔卡环开孔套筒）。

图5为本实用新型侧壁连接套筒结构详图（单阻隔卡环闭合套筒）。

图6为本实用新型复合碳纤维约束管横向剖面图（已灌注混凝土）。

图例，1-外层管，2-浸树脂碳纤维夹层，3-内层管，4-连接套筒，5-固定钢筋爪，6-阻隔卡环，7-固定钢板，8-连杆固定孔，9-套筒锚固孔，10-顶部连接套筒，11-顶部排气孔，12-底部连接套筒，13-底部注浆孔，14-固定连杆，15-固定螺栓，16-核心混凝土,17-复合碳纤维约束管。

具体实施方式

如图1所示的一种轻型高强复合碳纤维约束混凝土拱架由若干复合碳纤维约束管17、连接套筒4及固定钢板7、核心混凝土16组成，所述的复合碳纤维约束管由外层管1和内层管3以及浸树脂碳纤维夹层2组成，浸树脂碳纤维夹层2位于外层管1和内层管3之间，通过树脂粘贴成整体；所述的连接套筒内部中间焊有阻隔卡环6，阻隔卡环6两面均焊有四个环向分布的固定钢筋爪5，并且连接套筒4强度高于复合碳纤维约束管17的强度；所述的固定钢板7焊接在连接套筒4一侧，并将拱架锚固在巷道内壁上。

上述的连接套筒4分为单阻隔卡环闭合套筒和双阻隔卡环开孔套筒两种，其中单阻隔卡环闭合套筒焊接一片阻隔卡环6，用于巷道侧壁复合碳纤维约束管的连接；双阻隔卡环开孔套筒焊接两片阻隔卡环6，并在两阻隔卡环间增设孔洞，用于巷道顶、底部复合碳纤维约束管17的连接。当双阻隔卡环开孔套筒作为顶部连接套筒10时，孔洞为排除管内气体的排气孔11；当作为底部连接套筒12时，孔洞为灌注核心混凝土16的注浆孔13。

复合碳纤维约束管制作时，将碳纤维布缠绕在涂有树脂粘结剂的内层管上，为保证内层管和外层管之间能被碳纤维布充分填满，需要缠绕至足够厚度，然后套入外层管，在另一端内层管和外层管之间的空隙处进行真空抽气，在大气压强的作用下使得树脂从底部的碳纤维布夹层逐渐向上扩散，直至浸润整个碳纤维布夹层，待树脂充分凝固后形成所述的复合碳纤维约束管17。

施工时，根据巷道断面形状将若干复合碳纤维约束管17通过连接套筒4组装成整体管体，然后通过固定钢板7将管体锚固在巷道内壁上，最后通过底部连接套筒12的注浆孔13灌注核心混凝土16，管内气体通过顶部连接套筒10的排气孔11排除，最终形成拱架支护结构。