赵剑波
新疆矿山安全技术中心 新疆乌鲁木齐 830091
摘要：受采动作用影响，采用普通混凝土硬化处理煤矿巷道底板在复杂荷载作用下容易出现破坏，且返修工程量巨大。本文介绍了一种采用纤维增强复合材料格栅作为骨架，高延性混凝土作为充填材料的矿用装配式面板结构，作为传统浇筑式巷道混凝土地面的替代品。围绕纤维增强复合材料格栅选型、高延性混凝土配比以及模块化施工关键技术展开系统讨论。本文提出的矿用装配式高延性混凝土模块化组合结构设计合理、施工方便，成本经济，在现代化大型矿井高产高效开采方面具有广阔的应用前景。
关键词：装配式；纤维增强复合材料；格栅；模块化；巷道
前言
煤炭资源作为重要的一次能源和战略能源，在我国能源结构中的主导地位短期内不会发生改变[1-2]。我国煤炭资源以地下开采为主，开采过程中掘进施工了大量的巷道工程以满足井下的通风、运输和行人需要[3-4]。随着煤炭资源开采深度的逐步增加，巷道围岩在初始地应力和强采动作用影响下不可避免的出现大变形的现象。上述变形主要包括巷道顶板下沉、两帮移近和底鼓。
长期以来，巷道支护设计主要侧重于控制巷道顶板下沉和两帮移近，对巷道底鼓的研究相对滞后。以目前巷道支护广泛采用的锚杆支护技术为例，通常只在巷道顶板和两帮按照一定的间排距进行锚杆支护，以达到控制巷道变形的目的。少数矿井通过在巷道底角位置施工一定数量的锚杆，控制巷道底板变形。近年来，国内外相关专家学者围绕巷道底板围岩稳定控制，提出了“超挖锚柱回填控制底板方法”[5]、“水力膨胀锚杆控制巷道底板变形”[6]和“巷道全断面支护方法”[7]在内的技术手段并开展了相关的现场工业性试验。随着无轨胶轮车等设备的广泛使用，越来越多的巷道需要采用混凝土进行硬化处理。在采动作用影响下，具有脆性特征的混凝土结构不可避免的要产生变形破坏。不同于地面施工，一旦用作硬化处理的混凝土地面出现变形破坏，其返修和二次处理不可避免地给矿井的正常生产带来影响，同时随着采面推移，采煤机在端头割煤时必须要割掉硬化混凝土，这样造成对煤机的损伤，同时被割下的混凝土碎渣混入煤炭中，造成煤炭质量低下，在煤矿进行混凝土道路硬化过程中，时间长，工效低，环境污染严重，资金投入大等缺点。
为消除巷道底鼓过程中造成的混凝土结构破坏对矿井正常生产带来的影响，本研究提出一种矿用装配式高延性混凝土模块化面板结构，以期望在不显著增加成本的前提下实现巷道底板快速硬化处理。
1矿用装配式高延性混凝土模块化面板结构
不同于传统的巷道底板混凝土一次浇筑成型技术，本研究提出的矿用装配式高延性混凝土模块化面板结构由以下3部分组成：（1）纤维增强复合材料格栅（简称复材格栅）；（2）高延性混凝土；（3）碎石基础。
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图1矿用装配式高延性混凝土模块化面板基本结构示意图
上述面板结构在地面工厂进行预制后运输至煤矿井下巷道指定施工位置进行装配，可以实现井下巷道地面的快速硬化。在地面预制过程中，选用长宽高为200 mm *200 mm* 20 mm的复材栅格作为模板。将采用普通硅酸盐水泥、砂石和专用纤维搅拌而成的注入复材栅格后对上表面进行处理。在工厂养护28天后可以运输至井下巷道开始进行装配。为避免巷道底板不平整给装配带来的影响，在巷道底板上铺设一层厚度为20 mm的煤矸石碎石作为预处理地基。
2关键结构参数选型设计
2.1 复材格栅
纤维增强复合材料（简称复材）近年来在土木工程领域得到广泛应用。与传统的约束材料（如钢材）相比，复材具有轻质高强、耐腐蚀和可设计的力学特性。特别地，复材轻质高强的力学特性使其正逐步成为钢材的替代品，图2为不同种类的复材（碳纤维CFRP和玻璃纤维GFRP）和钢材的拉伸力学性能比较。另一方面，复材的密度范围是125~2.1g/cm3，是钢筋密度的1/6~1/4。这种轻质高强的力学特性可以最大限度的降低本文提出的新型面板结构的重量。
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图2不同种类的复材和钢材的拉伸力学特性比较[8]
在新型面板结构中，复材栅格不仅发挥了混凝土浇筑模板的作用，同时在混凝土承受纵向荷载过程中对混凝土的侧向变形起到一定的约束作用，进而提高整个面板结构的承载能力和结构整体性。同时，复材栅格特殊的骨架结构在实际使用过程中可以抵抗一部分纵向荷载。此外，复材格栅具有良好的耐腐蚀特性，适合于井下潮湿环境条件下的长期使用。
2.2 高延性混凝土
高延性混凝土由水泥、砂石和专用纤维按照一定的配比制备而成。与传统的混凝土相比，高延性混凝土具有突出的抗变形能力，其变形能力可以达到普通混凝土的100以上（图3所示）。采用高延性混凝土作为主要承载结构，在提供相同承载能力的前提下，可以有效地减轻整个面板结构的重量。
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图3高延性混凝土抗弯试验[9]
2.3 碎石地基
考虑到巷道成型过程中巷道底板实际的平整度，通过在巷道底板上铺设一定厚度的碎石，实现面板结构铺设之后的整体平衡。为减少巷道底板硬化成本，本研究提出的碎石地基主要由煤炭洗选过程中的煤矸石组成。所述的煤矸石可以通过现有的运输系统将地面的煤矸石运输至井下，也可以将岩石巷道掘进过程中产生的矸石运输至指定施工位置。采用后者时，可以进一步降低运输成本和这个结构的成本，具有较为广泛的应用前景。
3结构技术经济优势与应用前景
与现有的巷道底板混凝土一次硬化技术相比，本研究提出的新型面板结构的优点主要集中在以下几个方面：（1）装配式模块化设计的面板结构可以最大限度的适应巷道底板变形，有效地降低了巷道底鼓对混凝土硬化地面整体结构破坏的风险；（2）高延性混凝土具有良好的抗变形能力，可以一定程度上吸收巷道底鼓过程中释放的能量，延长巷道的使用时间；（3）采用高强度高延性混凝土替代普通的混凝土时，在确保提供相同的承载力条件下混凝土面板的厚度可以得到有效的减小，继而减少材料消耗，降低工人劳动施工强度；（4）高强度高延性混凝土在外部复材栅格的双向约束作用下，其强度和变形能力将进一步得到提升，可以满足地下大型矿车和机械设备运移过程中对支撑结构稳定性的要求；（5）上述面板结构在地面工厂进行预制，运输至井下巷道进行现场装配，可以实现井下巷道底板的快速处理，缩短工期；（6）地面预制结构的质量和强度可以得到有效保障；（7）用作地基的碎石可以采用煤炭洗选过程中产生的煤矸石，因此成本可以得到有效地降低。
本研究提出的矿用装配式高延性混凝土模块化面板结构不仅可以用于井下长期使用的巷道工程（如大巷和井底车场相关硐室），同时在采用无轨胶轮车的工作面回采巷道进行铺设，进一步提升井下运输效率和系统的可靠性。
4结论
为解决煤矿井下巷道底鼓给原有一次成型的混凝土地面带来的影响，本文提出一种采用纤维增强复合材料格栅、高延性混凝土和煤矸石地基组成的矿用装配式高延性混凝土模块化面板结构。与传统的混凝土硬化地面相比，该新型结构具有显著的技术经济优势，在井下巷道底板快速硬化处理方面具有广阔的应用前景。
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作者简介：赵剑波， 1967年04月15日，男，大专文化，工程师，科长，从事煤矿采掘及职业卫生研究方向。