CN104879145B - 一种机械式可伸长并恒阻可缩高强度单体支柱 - Google Patents
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Abstract
一种机械式可伸长并恒阻可缩高强度单体支柱，利用固体材料弹性变形特性的恒阻可缩装置和可施加预应力和减压卸载的支座机构，包括缸筒、活柱体和弹性球体，缸筒内壁上部为圆锥面，下部为平直面，采用串联线将弹性球体串联起来，固定结固定弹性球体位置，缸筒顶部布置缸筒压条，活柱体下部布置柱体压条，活柱体受顶板下沉影响有向下的运动趋势时，由于弹性球体卡住活柱体和缸筒之间的滑移面而无法回缩，当顶板下沉给活柱体施加的作用力足够大时，弹性球体会发生变形，活柱体保持恒定阻力向下滑动，这种恒阻可缩结构实现了刚性和柔性支护的结合，大幅度提高了支护系统适应围岩大变形的能力。支柱结构简单，操作方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种单体支柱，尤其是一种适用于煤矿井下巷道支护的机械式可伸长并恒阻可缩高强度单体支柱。
背景技术
煤矿巷道顶板地质条件复杂，里面存在大量离层裂隙等弱面结构，当巷道开挖后，顶板在短期内会有较大的下沉量，煤矿单体支柱是支撑和维护巷道顶板，为井下创造安全作业空间的设备，单体支柱支护在煤矿井下有广泛的应用，具有投资少、受地质条件限制少、使用和维护方便且操作灵活等特点。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种适用于煤矿井下巷道支护的可快速伸长并恒阻可缩的高强度高预应力让压单体支柱。
技术方案：本发明机械式可伸长并恒阻可缩高强度单体支柱，包括单体支柱和支座，所述的单体支柱包括缸筒、伸入缸筒内的活柱体，所述缸筒入口的内壁为圆锥面，缸筒与伸入缸筒内的活柱体之间的圆锥面内设有弹性球体，弹性球体由串联线均匀等距串联在一起；所述的支座包括支座顶板、支座底板、聚能弹簧，支座底板上均匀设有多个预紧杆，多个预紧杆中间均匀放置有多个聚能弹簧，多个聚能弹簧上方设置穿过多个预紧杆的支座顶板，多个预紧杆上方设有支座顶板直接接触的预紧螺帽，支座底板上设有套装在预紧杆上的刚性支块，支座底板与支座顶板之间外侧设有多个带有楔形体斜面的楔形体支块。
所述缸筒的外径D、缸筒内径d1、活柱体直径d2、弹性球体压缩变形前自圆锥面与活柱体外壁之间的最小距离dmax、弹性球体压缩变形后与圆锥面和活柱体外壁之间的最小距离dmin和圆锥面(4)壁口切距b的参数关系为：
所述的聚能弹簧自由时的高度h1、聚能弹簧被压缩后的高度h2、聚能弹簧的刚度k、聚能弹簧施加的预紧支撑力N参数的关系：N＝k(h1-h2)，由楔形体支块向外滑动使聚能弹簧压缩后的最小高度hmin、刚性支块设置高度hz参数的关系：hz＝hmin。
所述的缸筒顶端上设有缸筒压条；所述的活柱体底端设有柱体压条；所述的弹性球体的两端分别设有固定串联线的固定结；所述活柱体的外壁上设有控制进入缸筒深度和升长限高的刻度标识；所述的支座顶板和支座底板为圆形或方形。
有益效果：本发明采用串联线将弹性球体串联起来，固定结固定弹性球体位置，缸筒顶部布置缸筒压条，活柱体下部布置柱体压条，活柱体受顶板下沉影响有向下的运动趋势时，由于弹性球体卡住活柱体和缸筒之间的滑移面而无法回缩，但是当顶板下沉给活柱体施加的作用力足够大时，弹性球体会发生变形，活柱体向下滑动，弹性球体施加给活柱体的摩擦力是定值，活柱体发生的是保持恒定阻力的向下滑动，这种恒阻可缩结构实现了刚性和柔性支护的结合，大幅度提高了支护系统适应围岩大变形的能力。
可施加预应力和减压卸载的支座机构依靠聚能弹簧对支座顶板的作用施加预应力，支座顶板对楔形体支块产生作用力使楔形体支块向外滑移而达到减压卸载目的。聚能弹簧位于支座顶板和支座底板之间，聚能弹簧周围安装有预紧杆，预紧杆上部有预紧螺帽，预紧杆下端设有刚性支块，楔形体支块位于支座底板上，楔形体斜面支撑支座顶板。这种高预应力让压支座能有效减小围岩强度弱化，实现刚性和柔性支护的结合，同时避免支护体因为支护强度过大而导致结构破坏。本发明与现有技术相比，具有如下优点：
机械式可伸长并恒阻可缩高强度单体支柱可以有效控制顶板下沉，足够的预应力能有效控制离层滑动、裂隙张开及新裂纹产生等不连续变形，通过恒阻可缩装置使一次支护在强大的约束限制下进行让压，实现刚性和柔性支护的结合，大幅提高支护系统适应围岩大变形能力，让压的同时支护系统不损坏，卸压又保护围岩形成均匀的塑性圈。其结构简单，造价低，操作方便，省时省力，在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
图1是本发明的机械式可伸长并恒阻可缩高强度单体支柱结构示意图；
图2是本发明的机械式可伸长并恒阻可缩高强度单体支柱A-A截面示意图；
图3是本发明的弹性球体变形前和变形后在锥形面和活柱体之间的位置示意图。
图中：1-缸筒，2-活柱体，3-弹性球体，4-上锥面，5-缸筒压条，6-串联线，7-固定结，8-柱体压条，9-预紧杆，10-预紧螺帽，11-支座顶板，12-支座底板，13-聚能弹簧，14-刚性支块，15-楔形体支块，16-楔形体斜面，17-顶板，18-底板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
如图1所示，机械式可伸长并恒阻可缩高强度单体支柱，主要由单体支柱和支座构成；所述的单体支柱包括缸筒1、伸入缸筒1内的活柱体2，所述缸筒1入口的内壁为圆锥面4，缸筒1与伸入缸筒1内的活柱体2之间的圆锥面4内设有弹性球体3，弹性球体3由串联线6均匀等距串联在一起；所述的缸筒1顶端上设有缸筒压条5；所述活柱体2的外壁上设有控制进入缸筒1深度和升长限高的刻度标识。所述的活柱体2底端设有柱体压条8；所述的弹性球体3的两端分别设有固定串联线6的固定结7；所述的支座包括支座顶板11、支座底板12、聚能弹簧13，支座底板12上均匀设有多个预紧杆9，多个预紧杆9中间均匀放置有多个聚能弹簧13，多个聚能弹簧13上方设置穿过多个预紧杆9的支座顶板11，多个预紧杆9上方设有支座顶板11直接接触的预紧螺帽10，支座底板12上设有套装在预紧杆9上的刚性支块14，支座底板12与支座顶板11之间外侧设有多个带有楔形体斜面16的楔形体支块15。
所述缸筒1的外径D、缸筒1内径d1、活柱体2直径d2、弹性球体3压缩变形前自圆锥面4与活柱体2外壁之间的最小距离dmax、弹性球体3压缩变形后与圆锥面4和活柱体2外壁之间的最小距离dmin和圆锥面4壁口切距b的参数关系为：
所述的聚能弹簧13自由时的高度h1、聚能弹簧13被压缩后的高度h2、聚能弹簧13的刚度k、聚能弹簧13施加的预紧支撑力N参数的关系：N＝k(h1-h2)，由楔形体支块15向外滑动使聚能弹簧13压缩后的最小高度hmin、刚性支块14设置高度hz参数的关系：hz＝hmin。
所述的支座顶板11和支座底板12为圆形或方形。所述支座顶板11和支座底板12为圆形时，楔形体支块15呈120°设置，支座顶板11和支座底板12为方形时，楔形体支块15对称布置。
工作原理：利用固体材料弹性变形特性的恒阻可缩装置和可施加预应力和减压卸载的支座机构。利用固体材料弹性变形特性的恒阻可缩装置包括缸筒1、活柱体2和弹性球体3。采用缸筒1外部全为平直面，缸筒内壁上部为圆锥面，下部位平直面；圆锥面壁口切距为b，下部为平直面，缸筒内径为d1，活柱体外径为d2，d1>d2，弹性球体压缩变形前自圆锥面至活柱体外侧最大距离为dmax，压缩变形后自圆锥面至活柱体外侧最小距离为dmin，以上参数满足关系式(d1－d2)＜2dmin＜2dmax＜[(d1－d2)+2b]。弹性球体3采用串线6连成一个圆环，弹性球体3两侧设有固定结7，串联线6和固定结7可确保弹性球体3在一个平面上均匀分布并且弹性球体3能在垂直方向上自由滚动。向上提升活柱体2时，弹性球体3可能停留在原位置或者受摩擦力带动向上运动一段距离，该距离可通过活柱体2外壁上设有刻度标识来控制升长的极限高度，缸筒压条5可以防止弹性球体3脱离缸筒1，柱体压条8防止活柱体2脱离缸筒1，活柱体2提升完成后，当活柱体受顶板下沉影响有向下运动趋势时，缸筒圆锥面4和活柱体外侧施加给弹性球体3的作用力阻止弹性球体3下滑，但当顶板下沉施加给活柱体2的作用力足够大时，弹性球体3发生变形，活柱体2向下滑动，弹性球体3施加给活柱体2的摩擦力是定值，活柱体2发生的是保持恒定阻力的向下滑动，从而实现单体支柱的恒阻让压支护。
可施加预应力和减压卸载的支座机构主要有施加预应力和减压卸载两个作用，安装单体支柱施加预紧力时，松动预紧螺母9，原本处于压缩状态的聚能弹簧13会对支座顶板11产生向上的作用力，通过调节预紧螺母10在预紧杆9上的位置，可以实现不同大小预紧力的施加。当缸筒1作用于支座顶板11的向下作用力足够大时，通过支座顶板11对楔形体斜面16的作用使楔形体支块15向外滑移从而达到减压的目的，需要卸载时，可以将楔形体支块15向外移动，当支座顶板11下降到聚能弹簧临界破坏值时，刚性支块14会对支座顶板11形成有效支撑，从而避免聚能弹簧13收缩量过大而损坏，实现了柔性支护和刚性支护的结合。
Claims (8)
1.一种机械式可伸长并恒阻可缩高强度单体支柱，包括单体支柱和支座，其特征在于：所述的单体支柱包括缸筒(1)、伸入缸筒(1)内的活柱体(2)，所述缸筒(1)入口的内壁为圆锥面(4)，在缸筒(1)的圆锥面(4)与伸入缸筒(1)内的活柱体(2)之间设有弹性球体(3)，弹性球体(3)由串联线(6)均匀等距串联在一起；所述的支座包括支座顶板(11)、支座底板(12)、聚能弹簧(13)，支座底板(12)上均匀设有多个预紧杆(9)，多个预紧杆(9)中间均匀放置有多个聚能弹簧(13)，多个聚能弹簧(13)上方设置穿过多个预紧杆(9)的支座顶板(11)，多个预紧杆(9)上方设有与支座顶板(11)直接接触的预紧螺帽(10)，支座底板(12)上设有套装在预紧杆(9)上的刚性支块(14)，支座底板(12)与支座顶板(11)之间外侧设有多个带有楔形体斜面(16)的楔形体支块(15)。
2.根据权利要求1所述的机械式可伸长并恒阻可缩高强度单体支柱，其特征在于：所述缸筒(1)的外径为D、缸筒(1)内径为d1、活柱体(2)直径为d2、弹性球体(3)压缩变形前自圆锥面(4)与活柱体(2)外壁之间的最大距离为dmax，弹性球体(3)压缩变形后自圆锥面(4)与活柱体(2)外壁之间的最小距离为dmin，圆锥面的壁口切距为b，参数关系为：
3.根据权利要求1所述的机械式可伸长并恒阻可缩高强度单体支柱，其特征在于：所述的聚能弹簧(13)自由时的高度h1、聚能弹簧(13)被压缩后的高度h2、聚能弹簧(13)的刚度k、聚能弹簧(13)施加的预紧支撑力N参数的关系：N＝k(h1-h2)，由楔形体支块(15)向外滑动使聚能弹簧(13)压缩后的最小高度hmin、刚性支块(14)设置高度hz参数的关系：hz＝hmin。
4.根据权利要求1所述的机械式可伸长并恒阻可缩高强度单体支柱，其特征在于：所述的缸筒(1)顶端上设有缸筒压条(5)。
5.根据权利要求1所述的机械式可伸长并恒阻可缩高强度单体支柱，其特征在于：所述的活柱体(2)底端设有柱体压条(8)。
6.根据权利要求1所述的机械式可伸长并恒阻可缩高强度单体支柱，其特征在于：所述的弹性球体(3)的两端分别设有固定串联线(6)的固定结(7)。
7.根据权利要求1所述的机械式可伸长并恒阻可缩高强度单体支柱，其特征在于：所述活柱体(2)的外壁上设有控制进入缸筒(1)深度和伸长限高的刻度标识。
8.根据权利要求1所述的机械式可伸长并恒阻可缩高强度单体支柱，其特征在于：所述的支座顶板(11)和支座底板(12)为圆形或方形。
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