專(zhuān)利名稱(chēng)：復(fù)合材料煤礦支護(hù)柱的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種坑道支護(hù)用品，尤其是一種地下采煤作業(yè)中常用的用于支撐巷道 的支護(hù)柱，具體地說(shuō)是一種復(fù)合材料煤礦支護(hù)柱。
背景技術(shù)：
目前，用于煤礦頂板支護(hù)的主要有混凝土柱、鋼柱、木柱等?；炷林亓枯^大， 搬運(yùn)不便，目前也有輕質(zhì)混凝土柱，但需依賴(lài)進(jìn)口 ；液壓式鋼柱目前也有采用，但成本較高； 木柱的承載力離散性較大，原木的承載力也有限，且容易腐朽。因此采用新技術(shù)、新材料制 造煤礦頂板支護(hù)柱已迫在眉睫。 纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、耐候性好的顯著優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明提出了一種 輕質(zhì)木材夾芯的環(huán)狀纖維復(fù)合材料支護(hù)柱，其主要?jiǎng)?chuàng)新在于其木材夾芯的復(fù)合材料環(huán)狀結(jié) 構(gòu)，可顯著增強(qiáng)復(fù)合材料管壁的剛度，解決其局部失穩(wěn)的問(wèn)題。復(fù)合材料煤礦頂板支護(hù)柱采 用真空導(dǎo)入成型工藝生產(chǎn)，亦可用于圓形橋墩模板、各類(lèi)支撐等柱狀結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的各類(lèi)煤礦支護(hù)柱存在成本高或壽命短的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一
種輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、易搬運(yùn)、易拼裝的復(fù)合材料煤礦支護(hù)柱。 本發(fā)明的技術(shù)方案之一是 —種復(fù)合材料煤礦支護(hù)柱，其特征是它呈整體式中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)或至少有兩個(gè)圓 弧片組成的中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)，所述的中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)的殼壁由復(fù)合材料內(nèi)壁1'和復(fù)合材 料外壁1及夾裝在復(fù)合材料內(nèi)壁1'和復(fù)合材料外壁1之間的夾芯材料層2組成；在所述 的中空?qǐng)A柱體的兩端各連接有一個(gè)用于與支撐頂板相連或與另一相同煤礦支護(hù)柱相連的 支撐面連接法蘭6;每個(gè)中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)的外形呈亞鈴狀，兩端的直徑大于中間段直徑，且
每個(gè)端部與中間段均形成有應(yīng)力過(guò)渡區(qū)7。 所述的圓弧片的兩邊均連接有法蘭結(jié)構(gòu)3，法蘭結(jié)構(gòu)3上沿其長(zhǎng)度方向開(kāi)設(shè)有多 個(gè)螺栓孔4，兩鄰兩片圓弧片之間通過(guò)穿過(guò)螺栓孔4的螺栓5相連。 所述的夾芯材料層2為泡桐木、硬質(zhì)聚氨酯泡沫、PVC泡沫、PEI泡沫、PMI泡沫或
夾砂層。 所述的復(fù)合材料內(nèi)壁1'和復(fù)合材料外壁1均由玻璃纖維布與樹(shù)脂固化而成，玻 璃纖維布為雙軸向布、多軸向布、網(wǎng)格布、纖維氈、碳纖維布、玄武巖纖維布或芳綸纖維布， 樹(shù)脂為不飽和聚酯、乙烯基樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂或無(wú)機(jī)樹(shù)脂。 所述的應(yīng)力過(guò)渡區(qū)7呈錐形結(jié)構(gòu)、圓弧形結(jié)構(gòu)或一個(gè)以上的臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)。 所述的支撐面連接法蘭6為直徑大于中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)端部直徑的環(huán)狀或盤(pán)狀結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的技術(shù)方案之二是 —種復(fù)合材料煤礦支護(hù)柱，其特征是它由圓柱形實(shí)心泡桐木本體8和纏繞在實(shí)心 泡桐木本體8表面的復(fù)合材料外壁1組成的圓柱體狀結(jié)構(gòu)，其整體呈亞鈴狀結(jié)構(gòu)，在端部與 中間連接處形成有應(yīng)力過(guò)渡區(qū)7 ;在圓柱體狀結(jié)構(gòu)的兩端連接有圓盤(pán)狀或圓環(huán)狀支撐面連 接法蘭6。 本發(fā)明的有益效果 (1)輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕。支護(hù)柱的內(nèi)、外表層采用了強(qiáng)耐腐蝕、力學(xué)特性?xún)?yōu)越的纖維 增強(qiáng)復(fù)合材料，兩側(cè)纖維復(fù)合材料面板中間用泡桐木夾芯來(lái)提高結(jié)構(gòu)件的剛度，并構(gòu)成高 性能的泡桐木夾芯復(fù)合材料。該新型復(fù)合材料支護(hù)柱具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕等性能，具有比 強(qiáng)度和比剛度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，適合煤礦等潮濕惡劣環(huán)境下使用。 (2)受力可靠。復(fù)合材料環(huán)形夾芯柱的整體剛度由其外徑?jīng)Q定，而局部剛度由泡桐 木夾芯所增加的夾層柱壁厚獲得，玻璃纖維復(fù)合材料環(huán)箍效應(yīng)明顯(類(lèi)似于復(fù)合材料加固 混凝土柱)，因此傳力較可靠。 (3)成本低。該支護(hù)柱采用生態(tài)綠色材料為主，所采用的泡桐木是綠色可再生材 料，造價(jià)低廉；內(nèi)外壁玻璃纖維復(fù)合材料厚度較小，價(jià)格較低。 (4)安裝便捷。該支護(hù)柱由重量較輕的半圓柱體通過(guò)法蘭螺栓連成整柱，約為混凝 土柱重量的1/5，運(yùn)輸便捷，安裝方便。 (5)經(jīng)軸壓試驗(yàn)表明本發(fā)明的復(fù)合材料支護(hù)柱可承受的軸壓力達(dá)到150t以上， 完全能滿(mǎn)足煤礦頂板支護(hù)壓力的要求。
(6)本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、易搬運(yùn)、易拼裝的優(yōu)點(diǎn)。
(7)本發(fā)明不僅適用于煤礦巷道的頂板支護(hù)，也可用于圓形橋墩模板、各類(lèi)支撐等
工程領(lǐng)域的柱狀結(jié)構(gòu)。


圖1是組成本發(fā)明的空心復(fù)合材料支護(hù)柱的圓弧片的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的組合式空心復(fù)合材料支護(hù)柱的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是圖2的正視結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)式空心復(fù)合材料支護(hù)柱的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是圖4的 正視結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6是本發(fā)明的實(shí)心復(fù)合材料支護(hù)柱的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。 圖7是兩段相同結(jié)構(gòu)的組合式復(fù)合材料支柱組成的支護(hù)柱的正視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
實(shí)施例一。
如圖1、2、3所示。 —種復(fù)合材料煤礦支護(hù)柱，它是至少有兩個(gè)圓弧片(圖1)組成的中空?qǐng)A柱體結(jié) 構(gòu)，每個(gè)圓弧片由復(fù)合材料內(nèi)壁l'和復(fù)合材料外壁l及夾裝在復(fù)合材料內(nèi)壁l'和復(fù)合材 料外壁1之間的夾芯材料層2組成，圓弧片的兩邊均連接有法蘭結(jié)構(gòu)3，法蘭結(jié)構(gòu)3上沿其長(zhǎng)度方向開(kāi)設(shè)有多個(gè)螺栓孔4，兩鄰兩片圓弧片之間通過(guò)穿過(guò)螺栓孔4的螺栓5相連(圖 2)。在所述的中空?qǐng)A柱體的兩端各連接有一個(gè)用于與支撐頂板相連或與另一相同煤礦支護(hù) 柱相連的支撐面連接法蘭6，支撐面連接法蘭6為直徑大于中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)端部直徑的環(huán) 狀或盤(pán)狀結(jié)構(gòu)；每個(gè)中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)的外形呈亞鈴狀，兩端的直徑大于中間段直徑，且每個(gè) 端部與中間段均形成有應(yīng)力過(guò)渡區(qū)7，該應(yīng)力過(guò)渡區(qū)7呈錐形結(jié)構(gòu)、圓弧形結(jié)構(gòu)或一個(gè)以上 的臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)，如圖3。 具體實(shí)施時(shí)夾芯材料層2可采用泡桐木、硬質(zhì)聚氨酯泡沫、PVC泡沫、PEI泡沫、PMI 泡沫或夾砂層中的一種或幾種。 復(fù)合材料內(nèi)壁1'和復(fù)合材料外壁1均由玻璃纖維布與樹(shù)脂固化而成，玻璃纖維 布為雙軸向布、多軸向布、網(wǎng)格布、纖維氈、碳纖維布、玄武巖纖維布或芳綸纖維布，樹(shù)脂為 不飽和聚酯、乙烯基樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂或無(wú)機(jī)樹(shù)脂。
實(shí)施例二。
如圖4、5所示。 本實(shí)施例與實(shí)施一的區(qū)別在于取消了連接法蘭3。
實(shí)施例三。
如圖6所示。 —種復(fù)合材料煤礦支護(hù)柱，它由圓柱形實(shí)心泡桐木本體8和纏繞在實(shí)心泡桐木本 體8表面的復(fù)合材料外壁1組成的圓柱體狀結(jié)構(gòu)，其整體呈亞鈴狀結(jié)構(gòu)，在端部與中間連接 處形成有應(yīng)力過(guò)渡區(qū)7 ;在圓柱體狀結(jié)構(gòu)的兩端連接有圓盤(pán)狀或圓環(huán)狀支撐面連接法蘭6。
本實(shí)施例未涉及部分與實(shí)施例一相同。
實(shí)施例四。
如圖7所示。 本實(shí)施例與實(shí)施一 三的不同之處在于它是由二根(也可以是二根以上)較短的 相同結(jié)構(gòu)的支護(hù)柱通過(guò)在支撐面連接法蘭6處相連形成一根長(zhǎng)度較長(zhǎng)的支護(hù)柱。
具體地說(shuō)，本發(fā)明的復(fù)合材料支護(hù)柱總體來(lái)看，它為夾芯環(huán)狀結(jié)構(gòu)，參見(jiàn)圖l，環(huán)狀 結(jié)構(gòu)擁有復(fù)合材料內(nèi)、外壁1' 、1和泡桐木芯材2，中間的泡桐木夾芯2可大大增強(qiáng)復(fù)合材 料管壁的剛度，解決了其局部失穩(wěn)的問(wèn)題，其本身亦有一定抗壓強(qiáng)度。支護(hù)柱一般由兩個(gè)半 圓(圖2，或四個(gè)1/4圓柱體等)通過(guò)法蘭3對(duì)接，法蘭3上間隔鉆有螺栓孔4，通過(guò)螺栓5 連接后，即形成整長(zhǎng)的圓柱體。單個(gè)半圓一般采用手糊工藝或真空導(dǎo)入工藝制備，拼接后的 整根煤礦頂板支護(hù)圓柱外表光滑美觀(guān)；也可采用纏繞工藝直接制備整根圓柱，這就取消了 法蘭3，可為環(huán)狀?yuàn)A芯結(jié)構(gòu)(圖4)，也可直接在泡桐木芯材2上纏繞纖維1 ，形成纖維復(fù)合材 料約束的圓柱狀結(jié)構(gòu)(圖6)。每根支護(hù)柱的上、下端部設(shè)置支撐面法蘭6，而柱體上、下兩端 一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)的柱徑逐漸增大形成過(guò)渡區(qū)段7，確保支護(hù)柱兩端的應(yīng)力過(guò)渡與受力安全。 也可用兩段較短的圓柱體通過(guò)法蘭6對(duì)接成一根支護(hù)柱(圖7);兩片半圓柱通過(guò)法蘭3連 接而成的整長(zhǎng)支護(hù)柱立面圖參見(jiàn)圖3 ;直接采用纏繞工藝制備的整根圓柱立面圖參見(jiàn)圖5。
所述的纖維復(fù)合材料內(nèi)、外壁1由玻璃纖維布與樹(shù)脂固化而成，玻璃纖維布可采 用雙軸向布、多軸向布、網(wǎng)格布、纖維氈等，特殊領(lǐng)域也可采用碳纖維布、玄武巖纖維布、芳 綸纖維布。樹(shù)脂采用不飽和聚酯、乙烯基樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、無(wú)機(jī)樹(shù)脂。 所述的芯材2優(yōu)選為泡桐木，也可采用其它各種輕質(zhì)木材、硬質(zhì)聚氨酯泡沫、PVC泡沫、PEI泡沫、PMI泡沫、夾砂層等夾芯材料。 所述的法蘭3用于將兩根半圓柱體對(duì)接組合成一根圓柱體，法蘭邊為纖維與樹(shù)脂 復(fù)合材料，也可在法蘭內(nèi)埋置鋼板增加法蘭的剛度。
所述的螺栓孔4間隔鉆孔于法蘭3上。 所述的螺栓5優(yōu)選高強(qiáng)不銹鋼螺栓，也可采用普通高強(qiáng)螺栓、或鍍鋅或鍍鉻防銹 處理的螺栓，或尼龍螺栓等。 所述的支撐面法蘭6為纖維與樹(shù)脂復(fù)合材料，也可在法蘭內(nèi)埋置鋼板增加法蘭的
剛度；支撐面法蘭6可為直徑大于或等于圓柱外徑的環(huán)形面也可為圓形面。 所述的過(guò)渡區(qū)段7為柱體上、下兩端一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)的柱徑逐漸增大區(qū)域，為纖
維與樹(shù)脂復(fù)合材料。 上述的復(fù)合材料支護(hù)柱采用手糊工藝或真空導(dǎo)入工藝或纏繞成型工藝制備。
實(shí)例l。 本發(fā)明的復(fù)合材料支護(hù)柱，它包括四軸向玻璃纖維布/乙烯基樹(shù)脂復(fù)合材料內(nèi)、 外壁l，復(fù)合材料壁厚為2mm ;中間采用泡桐木夾芯2，厚40mm，柱的外徑為700mm。 4m高的 支護(hù)柱通過(guò)兩段2m高支柱通過(guò)法蘭6和螺栓5拼接而成，每段2m高支柱為兩片半圓柱通 過(guò)法蘭3和螺栓5對(duì)接而成。每段2m高單片半圓柱采用手糊工藝制備，可將4段2m高單 片半圓柱運(yùn)至煤礦現(xiàn)場(chǎng)拼裝，施工方便。
實(shí)例2。 本發(fā)明的復(fù)合材料支護(hù)柱，它包括碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料內(nèi)、外壁1，復(fù)合材 料壁厚為lmm ;中間采用PVC泡沫夾芯2，厚30mm。柱的外徑為650mm，上、下兩端30cm長(zhǎng)的 柱徑逐漸增大至680mm，形成過(guò)渡區(qū)段7，柱長(zhǎng)3. 5m，由兩片3. 5m長(zhǎng)的半圓柱體為兩片半圓 柱通過(guò)法蘭3和螺栓5對(duì)接而成，柱的兩端為支撐面法蘭6。每段3. 5m高單片半圓柱采用 真空導(dǎo)入工藝制備。
實(shí)例3。 本發(fā)明的復(fù)合材料支護(hù)柱，它包括玄武巖纖維/不飽和聚酯樹(shù)脂復(fù)合材料內(nèi)、外 壁l，壁厚為3mm ;中間采用杉木夾芯2，厚50mm。柱的外徑為550mm，上、下兩端50cm長(zhǎng)的 柱徑逐漸增大至600mm，形成過(guò)渡區(qū)段7，柱長(zhǎng)3m，柱的兩端為支撐面法蘭6。該復(fù)合材料支 護(hù)柱采用纏繞工藝或真空導(dǎo)入成型工藝一次整體制備，故取消了對(duì)接法蘭3和螺栓5。
上述復(fù)合材料支護(hù)柱的制備方法可采用手糊工藝、真空導(dǎo)入成型工藝或纏繞工藝 制備，以真空導(dǎo)入成型工藝為例，具體流程如下 a.根據(jù)所要制備的煤礦支護(hù)柱單片半圓柱體的外形制備模具，模具的材質(zhì)可為鋼 模具、玻璃鋼模具或木模具； b.在半圓形柱體模具上依次鋪放一定厚度的玻璃纖維布、泡桐木芯材2、玻璃纖 維布； c.再依次鋪放脫模布、導(dǎo)流布、真空袋以及纏繞管等真空耗材，打開(kāi)真空泵后，乙 烯基樹(shù)脂即在大氣壓力作用下自動(dòng)滲入真空模腔內(nèi)，與纖維布固化形成復(fù)合材料內(nèi)外壁 1 ; d.制備完成2片半圓柱體，沿法蘭3將其對(duì)接，其中法蘭上間隔鉆有螺栓孔4，采 用高強(qiáng)螺栓5即可將拼成完整的復(fù)合材料圓柱形煤礦支護(hù)柱，其上、下柱體端部擁有過(guò)渡
6區(qū)段7，上、下兩端有支撐法蘭。 本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
一種復(fù)合材料煤礦支護(hù)柱，其特征是它呈整體式中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)或至少有兩個(gè)圓弧片組成的中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)，所述的中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)的殼壁由復(fù)合材料內(nèi)壁(1′)和復(fù)合材料外壁(1)及夾裝在復(fù)合材料內(nèi)壁(1′)和復(fù)合材料外壁(1)之間的夾芯材料層(2)組成；在所述的中空?qǐng)A柱體的兩端各連接有一個(gè)用于與支撐頂板相連或與另一相同煤礦支護(hù)柱相連的支撐面連接法蘭(6)；每個(gè)中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)的外形呈亞鈴狀，兩端的直徑大于中間段直徑，且每個(gè)端部與中間段均形成有應(yīng)力過(guò)渡區(qū)(7)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦支護(hù)柱，其特征是所述的圓弧片的兩邊均連接有法蘭結(jié) 構(gòu)(3)，法蘭結(jié)構(gòu)(3)上沿其長(zhǎng)度方向開(kāi)設(shè)有多個(gè)螺栓孔(4)，兩鄰兩片圓弧片之間通過(guò)穿 過(guò)螺栓孔(4)的螺栓(5)相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的煤礦支護(hù)柱，其特征是所述的夾芯材料層(2)為泡桐木、硬質(zhì) 聚氨酯泡沫、PVC泡沫、PEI泡沫、PMI泡沫或夾砂層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦支護(hù)柱，其特征是所述的復(fù)合材料內(nèi)壁(l')和復(fù)合材 料外壁(1)均由玻璃纖維布與樹(shù)脂固化而成，玻璃纖維布為雙軸向布、多軸向布、網(wǎng)格布、 纖維氈、碳纖維布、玄武巖纖維布或芳綸纖維布，樹(shù)脂為不飽和聚酯、乙烯基樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂 或無(wú)機(jī)樹(shù)脂。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的煤礦支護(hù)柱，其特征是所述的應(yīng)力過(guò)渡區(qū)(7)呈錐形結(jié)構(gòu)、圓 弧形結(jié)構(gòu)或一個(gè)以上的臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的煤礦支護(hù)柱，其特征是所述的支撐面連接法蘭(6)為直徑大 于中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)端部直徑的環(huán)狀或盤(pán)狀結(jié)構(gòu)。
7. —種復(fù)合材料煤礦支護(hù)柱，其特征是它由圓柱形實(shí)心泡桐木本體(8)和纏繞在實(shí)心 泡桐木本體(8)表面的復(fù)合材料外壁(1)組成的圓柱體狀結(jié)構(gòu)，其整體呈亞鈴狀結(jié)構(gòu)，在端 部與中間連接處形成有應(yīng)力過(guò)渡區(qū)(7);在圓柱體狀結(jié)構(gòu)的兩端連接有圓盤(pán)狀或圓環(huán)狀支 撐面連接法蘭(6)。
全文摘要
一種復(fù)合材料煤礦支護(hù)柱，其特征是它呈整體式中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)或至少有兩個(gè)圓弧片組成的中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)，所述的中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)的殼壁由復(fù)合材料內(nèi)壁(1′)和復(fù)合材料外壁(1)及夾裝在復(fù)合材料內(nèi)壁(1′)和復(fù)合材料外壁(1)之間的夾芯材料層(2)組成；在所述的中空?qǐng)A柱體的兩端各連接有一個(gè)用于與支撐頂板相連或與另一相同煤礦支護(hù)柱相連的支撐面連接法蘭(6)；每個(gè)中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)的外形呈亞鈴狀，兩端的直徑大于中間段直徑，且每個(gè)端部與中間段均形成有應(yīng)力過(guò)渡區(qū)(7)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，重量輕，強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C08L77/00GK101718203SQ200910213080
公開(kāi)日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2009年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月10日
發(fā)明者劉偉慶, 方海, 陸偉東 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)