CN103541746B - 一种支架的吸能防冲背板 - Google Patents

Abstract

一种支架的吸能防冲背板，属于煤矿巷道支护技术领域，主要应用于深部冲击地压矿井回采巷道内的U型钢支架。本发明具有强度高、抗腐蚀性等特点，在动载条件能够快速让位、吸能。本发明包括左、右上垫板，左、右吸能柱，左、右下垫板，左、右气压防冲缸，左、右卡环，连接杆和吸能连接梁；左、右上垫板之间通过连接杆相连接，在上垫板底部设置有吸能柱，吸能柱均由锥套、胀环及导向柱组成，在导向柱底部设置有气压防冲缸，气压防冲缸由缸体、活塞、注气阀和安全阀组成，活塞与导向柱相连接；所述下垫板设置在气压防冲缸的缸体底部，在下垫板底部设置有卡环；吸能连接梁由折叠式吸能钢筒和连接件组成。

Description

一种支架的吸能防冲背板

技术领域

本发明属于煤矿巷道支护技术领域，特别是涉及一种支架的吸能防冲背板，主要应用于深部冲击地压矿井回采巷道内的U型钢支架。

背景技术

随着我国能源需求量的增加以及煤炭浅部可采储量的逐年减少，矿井开采深度日趋加深，目前我国已有部分矿井开采深度超千米，在未来几年，将有更多矿井进入深部开采阶段。矿井深部开采处于“四高一扰动”的复杂力学环境，冲击型动力灾害发生频次愈加增多，破坏程度也愈加强烈，造成了大量巷道支护破坏、垮塌及人员伤亡，严重影响了煤矿安全生产。因此，深部矿井回采巷道支护的防冲问题成为我国深部矿井安全、高效开采亟需解决的研究课题。

现有的U型钢支架构成的支护结构比较简单、承载能力较大、具有增阻速度快、支护强度高和可缩性高等优点，被广泛应用于巷道围岩不稳定、变形量较大、受动压影响较大的煤矿回采巷道，其克服了刚性支架的不可收缩缺点，当巷道围岩作用于U型钢支架上的压力达到一定值时，U型钢支架在连接处发生滑动、缩动，使围岩作用于U型钢支架上的压力下降，从而避免巷道围岩压力大于U型钢支架的承载力而导致U型钢支架的破坏。随着矿井开采深度的不断增加，巷道冲击地压等动力现象增多，冲击地压发生时，释放大量冲击能量，这些能量以冲击波的形式通过介质传播到U型钢支架构成的支护结构上，对其产生强烈的冲击破坏。这就要求U型钢支架构成的支护结构不但能承受强大的围岩静载，更要其承受冲击地压产生的高速、强烈动载，而现有U型钢支架构成的支护结构抗冲击性较差，且其采用的搭接的连接方式无法做到快速收缩卸压，因此很难做到快速让位卸压，无法及时吸收冲击地压发生过程中释放的能量，因此难以有效抵御冲击地压产生的高强动载。为了保护U型钢支架，在U型钢支架顶部安装有背板，但是现有的背板因强度偏低、与巷道围岩接触不密实、易腐烂等原因，不能有效传递巷道围岩的载荷，导致U型钢支架受力不均，局部出现集中载荷和偏心载荷，导致U型钢支架与巷道围岩的相互作用差，使U型钢支架结构的整体承载能力较低，导致U型钢支架变形、破坏。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种支架的吸能防冲背板，该背板安装在支架顶梁与巷道围岩之间，具有强度高、抗腐蚀性等特点，在动载条件能够快速让位、吸能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种支架的吸能防冲背板，包括左、右上垫板，左、右吸能柱，左、右下垫板，左、右气压防冲缸，左、右卡环，连接杆和吸能连接梁；左、右上垫板之间通过连接杆相连接，在上垫板底部设置有吸能柱，所述吸能柱均由锥套、胀环及中空的导向柱组成，锥套为上大下小的倒锥形，锥套的底部设置在导向柱顶部，锥套的顶部与上垫板的底部相连接，在导向柱侧壁上部设置有若干个排气孔，在导向柱下部的侧壁外部设置有胀环；在导向柱底部设置有气压防冲缸，气压防冲缸由缸体、活塞、注气阀和安全阀组成，缸体设置在胀环下方，在缸体内设置有活塞，活塞的顶部与导向柱的底部相连接，在活塞上设置有安全阀，安全阀的溢流孔设置在导向柱内部，在缸体侧壁上设置有注气阀；所述下垫板设置在气压防冲缸的缸体底部，在下垫板底部设置有卡环；所述的吸能连接梁由折叠式吸能钢筒和连接件组成，折叠式吸能钢筒的两端分别通过连接件固定在左、右气压防冲缸的缸体的外侧壁上。

在所述气压防冲缸的活塞侧壁上设置有若干个密封圈。

在所述缸体顶部设置具有通孔的缸帽，缸帽的通孔小于活塞，导向柱的底部通过通孔与活塞的顶部相连接，所述缸帽设置在胀环底部。

所述下垫板由钢板和矿用橡胶板组成，在钢板底面上设置有凹槽，矿用橡胶板设置在凹槽内。

所述的上垫板、吸能柱、连接杆、吸能连接梁及气压防冲缸均由钢材或合金材料制成。

本发明的有益效果：

本发明的应用与推广可以有效控制灾害性冲击地压发生，减少事故损失，提高煤矿采掘速度和劳动生产率，大大减少防治工程费用，因此具有很大的经济效益；具体优势如下：

1、本发明具有强度高、抗腐蚀等特点，将支架的支护作用由被动支护变为主动支护，使支架与巷道围岩之间完全接触，增强支架与巷道围岩的相互作用，防止支架因受到不均匀的集中载荷和偏心载荷作用，降低其承载力；

2、在发生弱冲击时，本发明利用气压防冲缸内气体的快速压缩及安全阀卸压释放过载压力，实现吸能让位功能，保证弱冲击时支架的支护承载力在可承受范围之内，使支架免受破坏；在强冲击地压发生瞬间，气压防冲缸内的气体被快速压缩、吸能柱快速让位吸能，吸能连接梁变形吸能，锥套挤压胀环增强其吸能能力，消耗冲击波能量，保护支架免遭冲击破坏；

3、本发明的连接杆以及吸能连接梁可将各支架连接成整体，代替现有的支架背板和连接杆，提高支架支护结构的连接强度，吸能连接梁具有增强结构稳定性和吸能功能，在冲击地压发生时，本发明增强了支架的整体稳定性和减轻冲击地压对支架的破坏程度。

附图说明

图1是本发明的支架的吸能防冲背板的结构示意图；

图2是图1的剖视图；

其中，1--上垫板，11--通孔，2--吸能柱，21—排气孔，22—导向柱，23—胀环，24—锥套，3--连接杆，31—螺栓，4--吸能连接梁，41—折叠式吸能钢筒，42—连接件，43—固定螺杆，5—下垫板，51—钢板，52—矿用橡胶板，53—卡环螺母，54—卡环螺杆，6—气压防冲缸，61—注气阀，62—缸体，63—活塞，64—安全阀，65—密封圈，66—缸帽，7—卡环。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～图2所示，一种支架的吸能防冲背板，包括左、右上垫板1，左、右吸能柱2，左、右下垫板5，左、右气压防冲缸6，左、右卡环7，连接杆3和吸能连接梁4；在所述上垫板1上均设置有四个通孔11，用于连接相邻的其他吸能防冲背板；所述连接杆3的两端分别与左、右上垫板1的通孔11通过螺栓31相连接；在上垫板1底部设置有吸能柱2，所述吸能柱2均由锥套24、胀环23及中空的导向柱22组成，锥套24为上大下小的倒锥形，在锥套24底面上设置有凸起，凸起设置在导向柱22顶端内部，锥套24的顶部与上垫板1的底部相连接，在导向柱22侧壁上部横向设置有若干个排气孔21，在导向柱22下部的侧壁外部设置有胀环23；在导向柱22底部设置有气压防冲缸6，气压防冲缸6由缸体62、活塞63、注气阀61和安全阀64组成，缸体62设置在胀环23下方，在缸体62内设置有活塞63，活塞63的顶部与导向柱22的底部相连接，活塞63可上下移动；在活塞63上设置有安全阀64，安全阀64顶部的溢流孔设置在导向柱22内部，在缸体62侧壁下部设置有注气阀61；所述下垫板5设置在气压防冲缸6的缸体62底部，在下垫板5底部设置有卡环7,用于固定U型钢支架；所述的吸能连接梁4由折叠式吸能钢筒41和连接件42组成，折叠式吸能钢筒41的两端通过固定螺杆43与连接件42相连接，连接件42通过焊接方式固定在气压防冲缸6的缸体62的外侧壁上。

在所述气压防冲缸6的活塞63侧壁上设置有若干个密封圈65，用于密封缸体62。

在所述缸体62顶部设置具有通孔的缸帽66，缸帽66的通孔小于活塞63，防止活塞63脱离缸体62，导向柱22的底部通过通孔与活塞63的顶部相连接，所述缸帽66设置在胀环23底部。

所述卡环7与下垫板5之间通过卡环螺杆54、卡环螺母53相连接。

所述下垫板5由钢板51和矿用橡胶板52组成，在钢板51底面上设置有凹槽，矿用橡胶板52设置在凹槽内，具有缓冲作用。

所述的上垫板1、吸能柱2、连接杆3、吸能连接梁4及气压防冲缸6均由钢材或合金材料制成，具有抗腐蚀的特点。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

如图1～图2所示，以U型钢支架为例，U型钢支架在巷道中架设完成后，预先设置本发明的安全阀64的安全压力为30MPa，将本发明放置于U型钢支架顶梁与巷道围岩之间，左、右两个下垫板5分别放置在相邻两架U型钢支架上，并通过卡环7固定在U型钢支架上。通过注气阀61向缸体62内注入20MPa的高压气体，即缸体62的初始工作阻力为20MPa，其小于U型钢支架的初始工作阻力，防止安装本发明时，U型钢支架发生滑移收缩。导向柱22升起，使上垫板1升起、接触并挤压到巷道围岩上，此时U型钢支架与本发明构成主动支护系统，支护巷道围岩，防止围岩在地应力作用下继续破碎，若破碎区半径继续增大，将使U型钢支架受到更大的围岩压力。

当巷道围岩缓慢变形，巷道围岩作用于本发明的上垫板1，活塞63向下移动，缸体62内的气体被压缩，气体压强增大，当巷道围岩继续挤压本发明，本发明承受的压力高于U型钢支架的初始工作阻力时，U型钢支架开始滑移收缩，给巷道围岩提供让位变形空间，避免自身承受过高压力而损坏；

当发生弱冲击时，冲击能较小，由于气体具有较好的可压缩性，冲击时缸体62内气体被快速压缩，吸收冲击能并提供让位空间，为围岩提供让位变形空间，防止U型钢支架因冲击而损坏；若缸体62内气压超过安全阀64的安全压力30MPa，则安全阀64将卸压，防止U型钢支架因长期承受高于其额定工作阻力的外载压力而损坏；

当发生强冲击时，大量冲击能作用于本发明，此时缸体62内气体被快速压缩，缸体62内气压超过安全阀64的安全压力30MPa，安全阀64放气卸压，上垫板1被快速下压，上垫板1下降一定距离时，锥套24开始挤压胀环23，胀环23发生塑性破坏，巷道围岩挤压吸能连接梁4，吸能连接梁4发生塑性变形，缸体62内气体被压缩、胀环23破裂及吸能连接梁4变形皆吸收大量冲击能，为巷道围岩提供较大的让位空间，减小冲击对U型钢支架的作用，避免U型钢支架因收缩不及时而造成过载破坏。

吸能连接梁4还提高了U型钢支架之间的连接强度，增强U型钢支架的整体强度和稳定性，相邻U型钢支架之间产生位移时，吸能连接梁4会沿其轴向被拉伸或压缩，吸收冲击能量并防止U型钢支架失稳发生较大扭曲变形，避免U型钢支架发生严重损坏。

本发明在冲击地压发生时，可为巷道围岩提供较大的让位空间，利用巷道围岩变形消耗一部分冲击能，本发明在被压缩过程中，吸收一部分冲击能，可大幅度降低作用到U型钢支架上的冲击能，保证作用在U型钢支架上的载荷在其可承受范围之内，从而保证巷道稳定与安全。

Claims (4)

1.一种支架的吸能防冲背板，其特征在于包括左、右上垫板，左、右吸能柱，左、右下垫板，左、右气压防冲缸，左、右卡环，连接杆和吸能连接梁；左、右上垫板之间通过连接杆相连接，在上垫板底部设置有吸能柱，所述吸能柱均由锥套、胀环及中空的导向柱组成，锥套为上大下小的倒锥形，锥套的底部设置在导向柱顶部，锥套的顶部与上垫板的底部相连接，在导向柱侧壁上部设置有若干个排气孔，在导向柱下部的侧壁外部设置有胀环；在导向柱底部设置有气压防冲缸，气压防冲缸由缸体、活塞、注气阀和安全阀组成，缸体设置在胀环下方，在缸体内设置有活塞，活塞的顶部与导向柱的底部相连接，在活塞上设置有安全阀，安全阀的溢流孔设置在导向柱内部，在缸体侧壁上设置有注气阀；所述下垫板设置在气压防冲缸的缸体底部，在下垫板底部设置有卡环；所述的吸能连接梁由折叠式吸能钢筒和连接件组成，折叠式吸能钢筒的两端分别通过连接件固定在左、右气压防冲缸的缸体的外侧壁上；在所述缸体顶部设置具有通孔的缸帽，缸帽通孔的截面积小于活塞的截面积，导向柱的底部通过通孔与活塞的顶部相连接，所述缸帽设置在胀环底部。

2.根据权利要求1所述的支架的吸能防冲背板，其特征在于在所述气压防冲缸的活塞侧壁上设置有若干个密封圈。

3.根据权利要求1所述的支架的吸能防冲背板，其特征在于所述下垫板由钢板和矿用橡胶板组成，在钢板底面上设置有凹槽，矿用橡胶板设置在凹槽内。

4.根据权利要求1所述的支架的吸能防冲背板，其特征在于所述的上垫板、吸能柱、连接杆、吸能连接梁及气压防冲缸均由钢材或合金材料制成。