树脂基复合材料在煤矿中的应用核心思路分析

树脂基复合材料在煤矿中的应用核心思路分析

李承浩 ,奚恒

山东新升实业发展有限责任公司，山东济南，250000

摘要：在煤矿企业发展过程中，工业设备腐蚀情况比较严重，会直接影响煤矿企业的经济效益。因此，需要重视对煤矿生产过程中先进材料的研发和应用。树脂基复合材料具有突出的应用性能，除了可以提高煤矿企业的经济效益之外，还有利于推动我国材料技术革新。在煤矿中对树脂基复合材料进行应用时，主要包含玻璃钢管道、玻璃钢复合材料锚杆以及煤矿井筒装备等。而这些设备除了会影响矿井的生产效率之外，也会对矿工的生命安全产生影响。因此，需要加强树脂基复合材料在煤矿中的应用研究，促进煤矿工业设备更新升级。

关键词：复合材料；树脂基材料；煤矿应用；核心

前言

树脂基复合材料具有突出的耐疲劳性能，超高比模量和比强度，抗腐蚀性能也比较突出，还具有多功能、成型简单的特点。因此，在不同行业发展中，树脂基复合材料都发挥着至关重要的作用。机械电子、汽车制造建筑施工、体育器材制造以及航空航天等领域对树脂基复合材料的应用都比较广泛。尤其是近些年来我国数字技术和材料技术的不断研发和创新，进一步推动了树脂基复合材料在不同领域的应用。在煤矿生产中对树脂基复合材料进行应用，也可以在一定程度上保证煤矿生产设备的安全水平，对提高煤矿开采效率有积极帮助。

一、树脂基复合材料发展现状

从20世纪80年代末期开始，我国开展树脂及复合材料研究。近些年来，已经取得了突出成就。目前，树脂基复合材料的基体材料以PP和PA为主，增强材料主要为玻璃纤维，还包含碳纤维[1]。在树脂基复合材料研究过程中，我国与发达国家相比仍然存在一定差距。为了促进我国树脂基复合材料进一步发展，需要对当前树脂基复合材料的具体类型和特点进行全面掌握。树脂基复合材料使用的增强材料主要包含碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维等。复合材料一般是由两种或者两种以上独立物理相组成的新型材料。树脂基复合材料的基体材料为树脂，增强材料主要为玻璃纤维或者碳纤维。

树脂基复合材料的主要特点包括以下内容：

（1）具有较强的各向异性，短切纤维复合材料各向同性比较明显；

（2）树脂基复合材料不均质性特点，结构组织质地具有不连续性；

（3）树脂材料的体积含量不同，材料产品的物理性能差异比较大。并且对树脂基复合材料质量产生影响的因素比较多，材料性能具有分散性。

在对树脂基复合材料的整体性能进行研究时，并不是对组分材料性能进行简单的叠加或者平分。树脂基复合材料本身的研究比较复杂，涉及复合效应问题。复合效应是从本质上讲是原相材料和形成的界面相互作用、相互依存的结果。在树脂基复合材料研究中，为了明确材料的具体性能，需要对组分材料进行深入分析。

二、树脂基复合材料在煤矿中的应用核心

（一）玻璃钢管道的应用

我国在这一方面的研究相对较晚，早在20世纪70年代，日本、美国等国家就已经将玻璃钢管道应用在煤矿井上的输水以及输风工程中。从20世纪90年代开始，我国自主研发了轻质、高强抗静电的煤矿玻璃钢管道，开展了煤矿井下给排水、正压风等各项工作。玻璃钢管道比金属管道的强度更高，并且其质量比较强，密度大约为1.9t/m3，质量为钢质管道的1/4。玻璃钢管道的安装过程以及运输过程都更加简单方便，可以大大降低施工成本，减轻工人劳动强度，对加快施工速度，提升施工效率有积极帮助[2]。

玻璃钢管道中的树脂层比较丰富，表面也比较光滑，可以降低输送介质的运行阻力，防止出现结垢问题。在流量相同的情况下，玻璃钢管道输送介质的压力损失大约为碳素钢管到3/5左右，输送能力可以提升20%以上。并且可以运行泵功率和能源节约大约30%~40%。在玻璃钢管道长期运行过程中，其节能效益比较突出。此外，玻璃钢管道的使用寿命更长，树脂基复合材料制品本身具有较强的耐腐蚀性，与金属管道相比，不需要开展定期防腐和其他维护保养工作，也可以降低在玻璃钢管道后期使用过程中的维护成本。

在煤矿排水系统中有酸性水质，利用玻璃钢管道可以突出其优良的耐腐蚀特性，长期安全运行，综合效益比较突出。目前研发的高强煤矿玻璃钢管道在30年内并不需要进行维修，即使开展维修工作也比较简单。如果管道出现损伤，只需要利用配制完成的双抗玻璃钢原材料现场糊制修复即可。

（二）玻璃钢复合材料锚杆体系的应用

在煤矿巷道支护设计过程中，对玻璃钢复合材料锚杆进行应用可以突出树脂基复合材料的物理化学性能，具有较强的组织切割以及抗静电等优点。在玻璃钢复合材料锚杆应用中，热膨胀系数与水泥接近，与混凝土的结合力比较强，锚杆质量也比较小。在煤矿中对该材料进行应用，可以解决矿井支护问题，同时能够保证煤炭开采效率[3]。

玻璃钢锚杆在煤矿矿井支护中的应用历史比较长，国外一些国家将巷道支护使用玻璃钢锚杆列入相关的法律体系。近些年来，我国对玻璃钢复合材料锚杆支护技术的应用越来越普遍，有一些研究人员研制的新型玻璃钢锚杆具有较强的抗拉强度、黏结力，还具有一定的延伸性能。玻璃钢锚杆的抗拉强度达到550MPa，抗剪强度达到100MPa，可以满足煤矿安全生产要求。玻璃钢锚杆支护作为煤矿巷道回采过程中的重要支护形式，可以有效取代金属锚杆，具有突出的经济效益。

（三）煤矿井筒装备应用

通常煤矿井筒装备长期处于酸碱侵蚀、高湿、高风速的恶劣环境中，一般会利用金属材料进行制备。构件表面在空气中会形成氧化膜，腐蚀问题比较严重。对矿井防腐材料进行应用时，主要是以热浸镀锌结构为主，在结构上敷设阻燃和抗静电树脂。我国一些科研机构对煤矿井筒装备的防腐情况进行分析，开展了高强复合材料的深入研究。目前，已经研发了具有耐腐、耐磨性能的树脂基复合材料，可以有效取代传统钢材。将树脂基复合材料作为井筒装备防腐材料具有突出意义。对相关技术改进和创新设计的玻璃钢复合材料在煤矿井筒中的应用情况进行分析，可以解决井筒装备的腐蚀问题，并且对阻燃、抗静电玻璃钢复合材料进行应用也为矿井井筒装备的防腐设计提供了新的思路。

在煤矿井筒装备防腐设计过程中，需要突出节约材料、保护资源的原则。虽然玻璃钢复合材料在井筒装备中的投资比较高，但是其使用寿命可以延长到30年。玻璃钢复合材料管道作为管道铺设材料具有广阔的应用前景，并且综合效益更加突出。树脂基复合材料在应用过程中具有较强的防腐性能，可以减少后期井筒装备在使用过程中的构件更换频次，延长井筒装备的使用寿命，对保证经济效益也有重要的现实意义。

三、结语

综上所述，在我国树脂基复合材料不断发展过程中，已经实现了产业化以及系列化发展，并且在数字技术和自动化技术等不断成熟和完善的背景下，树脂基复合材料的研究也越来越深入。目前，从军用到民用领域，都对树脂基复合材料有所应用。树脂基复合材料的整体性能不断拓展，新型结构功能一体化材料的发展速度不断加快，在未来的树脂基复合材料发展过程中，会逐渐朝着高性能、低成本化、信息化、智能化、高效化、清洁可再生性方向转变。为了推动树脂基复合材料的现代化发展，需要根据当前煤矿开采过程中树脂基复合材料的具体应用情况，加大树脂基复合材料的推广力度，为新型高性能树脂基复合材料的研发和应用奠定基础。

参考文献：

[1]王兆慧,常成,吴伟萍.高效刀具在树脂基玻璃纤维复合材料切削中的运用[J].科学技术创新,2020(13).

[2]魏征,杜度,杨坤.树脂基复合材料在潜艇装备领域的应用现状[J].材料开发与应用,2020,35(2):5.

[3]易欣,牛征北,孙理超,等.基于场景化设计方法的木塑复合材料制品应用分析[J].木材工业,2021,035(004):64-68,79.