CN103256061B - 采煤巷道防冲吸能组合金属支架及组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种采煤巷道防冲吸能组合金属支架及组装方法，属于煤矿安全支护领域，该装置包括外圆型钢支架、内圆型钢支架和吸能支护装置；该发明基于快速吸能让位防冲支护理念，采用较为合理的圆形巷道断面支护，以可缩式的大小金属双圈为主要骨架，以特设的分布式连接装置为核心吸能构件，构成一种具有双重防护功能的组合金属支架结构，在突发较大的围岩震动、变形或冲击地压时，其通过内外圈和吸能装置的有效配合实现一个快速可控式的变形让位过程，同时将围岩的冲击能最大程度地吸收并耗散掉，防止支架整体结构与巷道围岩系统的失稳破坏，保护巷道内部人员、生产设备不受伤害或损坏。

Description

采煤巷道防冲吸能组合金属支架及组装方法

技术领域

本发明属于煤矿安全支护领域，具体涉及一种采煤巷道防冲吸能组合金属支架及组装方法。

背景技术

冲击地压是一个复杂的物理力学过程，国内外对其研究已有近百年的历史，至今仍然是采矿工程和岩石力学界中的一项难题。目前在支护方法上主要采取以下两方面措施减小冲击事故的破坏程度：第一，通过增强围岩的自身强度，提高围岩的整体稳定性；第二，通过增强支护体强度，从而提高支护体结构的承载能力。例如打锚杆锚索、锚网，喷浆，型钢支架支护，棚-索协同支护以及液压支架（柱）支护等，都是通过增加支护体强度从而增强支护系统的稳定性，以抵御外来的冲击作用，在实际工程中，也委实呈现一些显著的效果。

但近些年来，随着煤矿开采深度的增加和开采范围的不断扩大，冲击地压事故的显现频率与破坏程度愈加突出。从大量的统计结果中研究发现，现有的巷道支护在准静态压力下或者较小的冲击下可以满足要求，但往往是突发较大的冲击或某种程度的围岩扰动时，支护体就会表现出局部的脆弱性，甚至是整体的不稳定性，呈现出不坏则已一坏就产生极为严重的后果的现象。所以分析得知，支护体系的失稳破坏主要不是由于强度不足，而是由于支护体的抗冲击能力较差，没有良好的让位缓冲吸能的功能。目前我国煤矿已普遍进入深部开采阶段，面临着强大的矿压与愈加复杂的地质条件对支护提出的更高的要求，所以急需提出更合理的支护方法，设计更优越的支护设备，改善目前的煤矿防冲支护状况，以保障煤矿工人的人身安全和采矿工作的顺利进行。

现以目前巷道支护最为广泛应用的U型钢支架作为说明对象。

所谓U型钢，就是断面为“U”型的钢梁，用于对采煤巷道的封闭或半封闭支护。根据工程中的支护需求不同，U型钢型号、材质以及组合支架的形状也有一定区别（工业制造上有具体规范）。其中O型棚支架就是由四节或六节U型钢弧梁首尾搭接构成的一个近圆形支护圈，搭接处用卡缆（俗称卡子）箍住。其特点在于：U型钢的“U”型断面形式和封闭的O型支护形式非常合理，对于提升自身承压能力、增强巷道围岩稳定性有积极意义，且可以通过梁搭接处的相对错动进行支架整体收缩，以实现围岩蠕变下的让位卸压功能，控制巷道围岩的变形趋势，保证支护系统的稳定性。但是，在突发围岩冲击时，U型钢就会显露出一些缺陷，例如：U型钢韧性较差，常会出现局部折断；接头处卡缆的螺丝崩断、卡子崩开；整体严重变形或垮塌；O型棚支护方式属于单层防护，一旦出现内敛变形或整体垮塌时，内部的工作人员、设备都暴露在危险之下。

发明内容

针对现有支护技术的不足，本发明提出一种采煤巷道防冲吸能组合金属支架及组装方法，以达到提高支护结构整体稳定性、冲击下快速吸收消耗有害的围岩冲击能的目的。

一种采煤巷道防冲吸能组合金属支架，包括外圆型钢支架、内圆型钢支架和吸能支护装置，其中，外圆型钢支架与内圆型钢支架之间均匀设置有若干个用于连接的吸能支护装置；所述的外圆型钢支架、内圆型钢支架分别由六个或者四个钢弧段构成，每个钢弧段之间通过卡缆连接；所述的吸能支护装置包括用于固定连接外圆型钢支架的第一卡缆、用于固定连接内圆型钢支架的第二卡缆和带有预折纹的薄壁金属方管，其中，带有预折纹的薄壁金属吸能方管的一端连接第一卡缆，另一端连接第二卡缆。

根据采煤巷道防冲吸能组合金属支架的组装方法，包括以下步骤：

步骤1、确定外圆型钢支架、内圆型钢支架的型钢规格、支架支护密度、弧段长度，以及吸能支护装置的数量、规格、材质和金属管部分的折纹形式；

步骤2、将带有预折纹的薄壁金属方管的一端连接第一卡缆，另一端连接第二卡缆，以此制备若干个吸能支护装置；

步骤3、将外圆型钢支架的六个或四个弧段通过卡缆连接组合，并支护于巷道内；

步骤4、将多个吸能支护装置均匀固定于外圆型钢支架上；

步骤5、将内圆型钢支架的每个钢弧段分别与外圆型钢支架的每个钢弧段对应并与吸能支护装置连接，但不紧固；

步骤6、当内圆型钢支架的每个钢弧段通过卡缆搭接完成后，将上述钢弧段紧固于吸能支护装置上，并将弧段相互之间进行紧固连接。

本发明优点：

本发明为一种采煤巷道防冲吸能组合金属支架及组装方法，基于快速吸能让位防冲支护理念，采用较为合理的圆形巷道断面支护，以可缩式的大小金属双圈为主要骨架，以特设的分布式连接装置为核心吸能构件，构成一种具有双重防护功能的组合金属支架结构，在突发较大的围岩震动、变形或冲击地压时，其通过内外圈和吸能装置的有效配合实现一个快速可控式的变形让位过程，同时将围岩的冲击能最大程度地吸收并耗散掉，防止支架整体结构与巷道围岩系统的失稳破坏，保护巷道内部人员、生产设备不受伤害或损坏；并且本发明这种结构能够以少于常规支架三倍的材料用量，达到十倍以上的承载能力和抗冲击能力。

附图说明

图1为本发明一种实施例的支架整体结构框图；

图2为本发明一种实施例的支架的断面形状示意图；

图3为本发明一种实施例的卡缆的结构示意图，其中，（a）图为主视图，（b）图为剖视图；

图4为本发明一种实施例的吸能支护装置的结构示意图，其中，（a）图为主视图，（b）图为剖切图；

图5为本发明一种实施例的采煤巷道防冲吸能组合金属支架的组装方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

一种采煤巷道防冲吸能组合金属支架，如图1所示，包括外圆型钢支架1、内圆型钢支架2和吸能支护装置3，型钢支架包括两个圈径不同大小钢圈，钢圈的横断面形状如图2所示，所述的外圆型钢支架1、内圆型钢支架2分别由六个钢弧段构成，如图3中图（a）、（b）所示，每个钢弧段之间通过卡缆4和螺丝连接，并施加一定的预紧力。

其中，外圆型钢支架1与内圆型钢支架2之间均匀设置有若干个用于连接的吸能支护装置3；即大小钢圈内外重叠（两钢圈环面处于共面关系），大小钢圈之间均匀布列了一周吸能支护装置3，如图4中的（a）图和（b）图所示，所述的吸能支护装置3包括用于固定连接外圆型钢支架1的第一卡缆3-1、用于固定连接内圆型钢支架2的第二卡缆3-2和带有预折纹的薄壁金属方管3-3，其中，带有预折纹的薄壁金属吸能方管3-3的一端连接第一卡缆3-1，另一端连接第二卡缆3-2，吸能支护装置3与型钢支架的连接方式与卡缆4固定方式相同，箍住外圆型钢支架1和内圆型钢支架2，吸能支护装3的带有预折纹的薄壁金属方管与上下两个大号卡缆（卡子，即第一卡缆3-1和第二卡缆3-2）焊接而成。

采煤巷道防冲吸能组合金属支架的组装方法，如图5所示，包括以下步骤：

步骤1、根据煤矿具体情况，包括开采深度、地应力大小、巷道形态、围岩特点和冲击倾向性，确定外圆型钢支架、内圆型钢支架的型钢规格、支架支护密度、弧段长度，以及吸能支护装置的规格、材质、金属管部分的折纹形式和数量；

吸能支护装置的技术参数包括：装置规格，即金属管和卡缆的型号（大体形状和具体尺寸）；金属管部分的折纹形式，折纹倒圆角半径或弧度的限度；金属管和卡缆的材质（材质型号）及其基本力学性能；折纹金属管的加工工艺，包括加工流程和工艺稳定性，其中加工流程中有金属管压制、焊接、热处理的方法和温度控制，工艺稳定性指批量生产中抽样检测的性能达标值。

步骤2、制作多个吸能支护装置；

将带有预折纹的薄壁金属方管的一端焊接第一卡缆，另一端焊接第二卡缆；

带有预折纹的薄壁金属方管是基于材料结构屈曲理论，在筒壁上预先设计有特别形状折纹的薄壁金属结构，具有冲击作用下理想的抗压能力和大变形的特点，吸能效果极其明显。利用钢铁等较强的金属材料在超额冲击力作用下可控式变形破坏，来快速消减外界冲击能，实现对其他设备或人员的保护。巷道冲击地压恰恰正是围岩对支护设备的强大冲击力作用，因此，支护设备可以利用这样一种类似的装置与其结合，让冲击来临时，牺牲这些预设的缓冲装置，来尽可能的吸收围岩携带的能量，从而避免支护体整体发生失稳破坏。

步骤3、在巷道内，将外圆型钢支架的六个钢弧段通过卡缆组合连接并固定于巷道内；

步骤4、将多个吸能支护装置均匀固定于外圆型钢支架上；

步骤5、将内圆型钢支架的六个钢弧段分别与外圆型钢支架的六个钢弧段对齐放置（即每个弧段连接位置对齐）并与吸能支护装置连接，但不紧固；

步骤6、当内圆型钢支架的六个钢弧段通过卡缆搭接完成后，将上述六个钢弧段紧固于吸能支护装置上，并将弧段相互之间进行紧固连接。

Claims (2)

1.一种采煤巷道防冲吸能组合金属支架，其特征在于：包括外圆型钢支架(1)、内圆型钢支架(2)和吸能支护装置(3)，其中，外圆型钢支架(1)与内圆型钢支架(2)之间均匀设置有若干个用于连接的吸能支护装置(3)；所述的外圆型钢支架(1)、内圆型钢支架(2)分别由六个或者四个钢弧段构成，每个钢弧段之间通过卡缆(4)连接；所述的吸能支护装置(3)包括用于固定连接外圆型钢支架(1)的第一卡缆(3-1)、用于固定连接内圆型钢支架(2)的第二卡缆(3-2)和带有预折纹的薄壁金属方管(3-3)，其中，带有预折纹的薄壁金属方管(3-3)的一端连接第一卡缆(3-1)，另一端连接第二卡缆(3-2)。

2.根据权利要求1所述的采煤巷道防冲吸能组合金属支架的组装方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、确定外圆型钢支架、内圆型钢支架的型钢规格、支架支护密度、弧段长度，以及吸能支护装置的数量、规格、材质和金属管部分的折纹形式；

步骤2、将带有预折纹的薄壁金属方管的一端连接第一卡缆，另一端连接第二卡缆，以此制备若干个吸能支护装置；

步骤3、将外圆型钢支架的六个或四个弧段通过卡缆连接组合，并支护于巷道内；

步骤4、将多个吸能支护装置均匀固定于外圆型钢支架上；

步骤5、将内圆型钢支架的每个钢弧段分别与外圆型钢支架的每个钢弧段对应并与吸能支护装置连接，但不紧固；

步骤6、当内圆型钢支架的每个钢弧段通过卡缆搭接完成后，将上述钢弧段紧固于吸能支护装置上，并将弧段相互之间进行紧固连接。