CN106285738B - 一种用于深部巷道的“钢混-液压”巷旁支护装置及支护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于深部巷道的“钢混‑液压”巷旁支护装置及支护方法，下部支柱之腔体的上部设置有挡板，挡板上方的下部支柱之腔体内设置有上部支柱，上部支柱下端与挡板上方的下部支柱之腔体形成升降腔，升降腔一侧设置有乳化液注液口，乳化液注液口上设置有三用阀体，上部支柱与下部支柱之间通过连接机构相连接，支护装置与采空区之间设置有挡风帘隔离。该新型支护装置与支护方法将钢管混凝土支柱的高强支护与单体液压支柱的恒阻让压功能很好地结合起来，使其同时具备两种设备的主要优点，同时能高效、安全地隔离采空区破碎矸石及有毒有害气体，达到快速高效成巷的目的，因此更加适合于深部高应力状态下的巷旁支护工程。
Description
技术领域
本发明涉及深部煤矿“无煤柱”开采的巷道支护领域，尤其是涉及一种用于深部巷道的“钢混-液压”巷旁支护装置及支护方法。
背景技术
当前煤矿的无煤柱开采体系中主要包括沿空留巷和沿空掘巷两种技术，使巷道沿采空区边缘布置，可有效避开或削弱固定支承压力的影响，能显著改善巷道维护状态，减少煤炭损失，提高煤炭采出率并降低巷道掘进率，技术经济效益非常显著。
无论沿空留巷技术还是沿空掘巷小煤柱护巷技术，都需要在靠采空区侧架设合理的巷旁支护体来达到支护顶板、隔离采空区的目的。传统的巷旁支护手段主要包括木垛、密集支柱、矸石墙、混凝土充填墙等；近些年又发展应用了高水材料充填体以及钢管混凝土支柱等新型巷旁支护结构。然而随着当前越来越多的煤矿开采达到-800m以下的深度，围岩集中应力水平高、岩石流变性强，这就要求巷旁支护结构既要具有一定的恒阻让压功能，还要在适度让压后能够提供足够的支撑力来控制顶板下沉。同时对于深部巷旁支护结构来说，还要求具备施工工艺简单、成巷速度快以及成本低廉等特点。根据上述分析，前面列举的主要巷旁支护手段大多存在支护阻力不足，比如矸石墙，密集支柱与单体液压支柱等；恒阻让压特性差，比如混凝土充填墙、钢管混凝土支柱等；以及施工工艺复杂、成本高等缺点，比如高水材料充填体等，均无法满足深部“无煤柱”开采巷旁支护的要求。
因此，现有技术还有待更进一步的改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于深部巷道的“钢混-液压”巷旁支护装置及支护方法，能够在前期具备稳定的恒阻让压功能，同时适度让压后给顶板提供高支护阻力，保证围岩长期稳定。另外，将巷旁支护装置与隔离挡风帘形成组合结构，对采空区矸石和有害气体进行有效隔离，达到安全、快速、高效的成巷目的。
为解决上述技术问题，本发明方案包括：
一种用于深部巷道的“钢混-液压”巷旁支护装置，其包括用于放置在巷道底板的基座，其中，基座上设置有带有腔体的下部支柱，下部支柱之腔体的上部设置有挡板，挡板上方的下部支柱之腔体内设置有上部支柱，上部支柱下端与挡板上方的下部支柱之腔体形成升降腔，升降腔一侧设置有乳化液注液口，乳化液注液口上设置有三用阀体，上部支柱与下部支柱之间通过连接机构相连接，上部支柱上部设置有用于承托巷道顶板的上承压板；下部支柱下端设置有下注浆口，上部支柱上端设置有上注浆口；巷旁支护装置为一体式结构；该巷旁支护装置与采空区之间设置有由吊挂铁丝网与橡胶组成的隔离挡风帘。
所述的“钢混-液压”巷旁支护装置，其中，上述连接机构包括用于连接上部支柱与下部支柱的密封盖体，密封盖体上部设置有防尘圈，防尘圈下方的密封盖体设置有上导向环，密封盖体与下部支柱连接处设置有O型密封圈，O型密封圈下方的密封盖体与下部支柱之间设置有连接钢丝，上部支柱下部位于升降腔内，上部支柱下端设置有下导向环，通过上导向环与下导向环，上部支柱能在升降腔内移动。
所述的“钢混-液压”巷旁支护装置，其中，上述上部支柱、下部支柱均为无缝钢管，下部支柱直径大于上部支柱，上部支柱、下部支柱的壁厚相同。
所述的“钢混-液压”巷旁支护装置，其中，基座由四个侧护钢板与下承压板构成，四个侧护钢板呈三角形将下部支柱与下承压板连接在一起。
一种使用所述“钢混-液压”巷旁支护装置的支护方法，其包括以下步骤：
步骤一，根据预留巷道的断面参数及受力状况，进行支柱整体设计，包括上、下部支柱长度、钢管管径及厚度、升降腔的让压空间、泄压阈值压力、充填混凝土强度等级，设计完成后将巷旁支护装置在地面加工制作，然后运至井下预留巷道内；
步骤二，根据工作面推进速度来安装巷旁支护装置，巷旁支护装置紧贴采空区的隔离挡风帘，相邻巷旁支护装置之间的距离相等；
步骤三，安装巷旁支护装置前，首先紧靠采空区安设隔离挡风帘，将吊挂铁丝网由顶部锚杆和底部螺栓固定，橡胶制挡风帘由扎丝与铁丝网捆扎紧实；
步骤四，安装巷旁支护装置时，首先架设下部支柱、上部支柱，然后使用注液枪通过三用阀体向升降腔内注入乳化液，使上部支柱上升，并使上承压板逐渐接近巷道顶板，持续注液直至达到设计的初撑力；
步骤五，采用混凝土输送泵通过上注浆口、下注浆口向对应支柱内注入混凝土浆液，保证混凝土充填密实后，关闭注浆口，直至整个巷道支护完成。
所述的支护方法，其中，上述步骤四具体的：先将每个巷旁支护装置的升降腔内注入预定的乳化液，达到初撑力，然后再向每个对应支柱内依次注入混凝土浆液，待上述工序结束后，完成一个循环。
所述的支护方法，其中，上述步骤五具体的为：每个循环工序完成后，进入下一个循环，进行采空区的隔离挡风帘的安装以及巷旁支护装置安装、注液、注浆的工序，直至整个巷道支护完成。
本发明提供的一种用于深部巷道的“钢混-液压”巷旁支护装置及支护方法，能够实现深部高应力状态下的巷旁围岩高效控制。首先根据升降腔的乳化液注入压力与注入高度，由三用阀体控制支柱的恒定支护阻力与支柱的最大下沉量，当围压压力超过设定的阀体压力值时，三用阀开始泄液，在前期对巷旁支护围岩以一个恒定的压力进行让压，保证围岩在下沉过程中不会发生大变形以及突然失稳；其次，让压结束后，上、下部钢管混凝土支柱合为一体，由钢管混凝土支柱对围岩进行刚性高强度支护，对围岩进行“限定变形”位态控制。钢管混凝土支柱属于一种强度高、结构稳定以及抗腐蚀性较好的支护结构，是适用于深部高应力状态下的一种理想的巷道支护体，其主要缺点在于其刚性支护、让压性能弱，一旦设计的支护阻力不足以控制围岩压力的话，容易发生突然断裂破坏；而本发明提出的“钢混-液压”支护装置，将钢管混凝土支柱的高强支护与单体液压支柱的柔性让压功能很好地结合起来，使其同时具备两种设备的主要优点，因此更加适合于深部高应力状态下的巷旁支护工程。同时，在采空区隔离方面，放弃了传统的矸石墙隔离体，采用新型的“吊挂铁丝网+橡胶挡风帘”的组合结构，由铁丝网隔离破碎矸石，挡风帘防止漏风及有害气体进入巷道。该新型结构施工速度快，工艺简单，配合巷旁支护装置，能够真正实现安全、快速、高效的成巷目标。另外本发明的主要构件均在地面加工制作完成，直接运至巷道架设，井下进行的工艺只包括升降腔的注液和上下部支柱的注浆，工艺简单、速度快，对工作面的生产相对影响较小；同时相比于高水充填材料制作的巷旁支护体来说，成本相对较低，具有较大的经济优势。
附图说明
图1为本发明中“钢混-液压”巷旁支护装置的结构示意图；
图2为本发明中上承压板的结构示意图；
图3为在巷道内布置巷旁支护装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于深部巷道的“钢混-液压”巷旁支护装置及支护方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种用于深部巷道的“钢混-液压”巷旁支护装置，如图1、图2与图3所示的，其包括用于放置在巷道底板的基座，其中，基座上设置有带有腔体的下部支柱16，下部支柱16之腔体的上部设置有挡板15，挡板15上方的下部支柱16之腔体内设置有上部支柱2，上部支柱2下端与挡板15上方的下部支柱16之腔体形成升降腔12，升降腔12一侧设置有乳化液注液口14，乳化液注液口14上设置有三用阀体13，上部支柱2与下部支柱16之间通过连接机构相连接，上部支柱2上部设置有用于承托巷道巷道顶板25的上承压板1；下部支柱16下端设置有下注浆口17，上部支柱2上端设置有上注浆口3；巷旁支护装置为一体式结构；将钢管混凝土支柱的高强支护与单体液压支柱的柔性让压功能很好地结合起来，使其同时具备两种设备的主要优点。
而且该巷旁支护装置与采空区20之间设置有由吊挂铁丝网21与橡胶组成的隔离挡风帘22，更为具体的如图3所示的，在预留巷道26中在靠近采空区20附近布设吊挂铁丝网21，然后在吊挂铁丝网21上布设橡胶形成隔离挡风帘22，隔离挡风帘22的底部通过底部螺栓24固定在预留巷道26的底部，隔离挡风帘22的顶部通过顶部锚杆固定在预留巷道26之巷道顶板25上。放弃了传统的矸石墙隔离体，采用新型的“吊挂铁丝网+橡胶挡风帘”的组合结构，由铁丝网隔离破碎矸石，挡风帘防止漏风及有害气体进入巷道。该新型结构施工速度快，工艺简单，配合巷旁支护装置，能够真正实现安全、快速、高效的成巷目标。
更进一步的，如图1所示的，上述连接机构包括用于连接上部支柱2与下部支柱16的密封盖体7，密封盖体7上部设置有防尘圈4，防尘圈4下方的密封盖体7设置有上导向环5，密封盖体7与下部支柱16连接处设置有O型密封圈9，O型密封圈9下方的密封盖体7与下部支柱16之间设置有连接钢丝8，上部支柱2下部位于升降腔12内，上部支柱2下端设置有下导向环10，通过上导向环5与下导向环10，上部支柱2能在升降腔12内移动。而且上述上部支柱2、下部支柱16均为无缝钢管，下部支柱16直径大于上部支柱2，上部支柱2、下部支柱16的壁厚相同。基座由四个侧护钢板18与下承压板19构成，四个侧护钢板18呈三角形将下部支柱16与下承压板19连接在一起。
为了更好的说明本发明，以下为使用所述巷旁支护装置的支护方法，在具体支护的过程中可以根据预留巷道26的具体地形情况，来确定巷旁支护装置的数量以及支护形状，比如可以设置一排巷旁支护装置或者两排巷旁支护装置，甚至多排巷旁支护装置，其具体包括以下步骤：
步骤一，根据预留巷道26的断面参数及受力状况，进行支柱整体设计，包括上、下部支柱长度、钢管管径及厚度、升降腔12的让压空间、泄压阈值压力、充填混凝土强度等级，设计完成后在地面加工制作，然后运至井下预留巷道26内；
步骤二，根据工作面推进速度来安装巷旁支护装置，巷旁支护装置紧贴采空区的隔离挡风帘22，相邻巷旁支护装置之间的距离相等；
步骤三，安装巷旁支护装置前，首先紧靠采空区20安设隔离挡风帘22，将吊挂铁丝网21由顶部锚杆23和底部螺栓24固定，隔离挡风帘22由扎丝与铁丝网捆扎紧实；
步骤四，安装巷旁支护装置时，首先架设下部支柱16、上部支柱2，然后使用注液枪通过三用阀体13向升降腔内12注入乳化液，使上部支柱2上升，并使上承压板1逐渐接近巷道顶板25，持续注液直至达到设计的初撑力；
步骤五，采用混凝土输送泵通过上注浆口3、下注浆口17向对应支柱内注入混凝土浆液11，保证混凝土充填密实后，关闭注浆口，直至整个巷道支护完成。
更进一步的，上述步骤四具体的：先将每个巷旁支护装置的升降腔12内注入预定的乳化液，达到初撑力，然后再向每个对应支柱内依次注入混凝土浆液11，待上述工序结束后，完成一个循环。上述步骤五具体的为：每个循环工序完成后，进入下一个循环，进行采空区的隔离挡风帘的安装以及巷旁支护装置安装、注液、注浆的工序，直至整个巷道支护完成。
为了更进一步的描述本发明，以下列举更为详尽的实施例进行说明。
装置上承压板1同上部支柱2焊接牢固密实，上承压板1下方开有上注浆孔3，为上部支柱2注入混凝土浆液，上部支柱2通过密封盖体7与下部支柱16连接，在连接部分分别加装有防尘圈4、Y型密封圈6、连接钢丝8及O型密封圈9等，保证了升降腔12的密封性，有效减少了乳化液的泄漏，提高了上部支柱2的恒阻性能；同时在连接部还包括上导向环5和下导向环10，有效减少了上部支柱2在运动过程中的刚性摩擦，延长设备使用寿命。在升降腔12的乳化液注液口14一侧加装有三用阀体13，对三用阀体13的调节以达到控制支柱升降的目的，同时通过预先设定的泄液压力，使升降腔12内的高压乳化液始终保持恒定工作阻力。在下部支柱16下端同样开设有注浆孔17，为下部支柱16注入混凝土11。下部支柱16与下承压板19之间，焊接有四块三角形的侧护钢板18作为支柱的腿部支撑，增加支柱的稳定性，防止下部支柱16受侧向压力过大时的倾倒和歪斜。并且所有外壳均为无缝钢管，除去上承压板1、注浆口3与三用阀体13位于支柱外部，其余部分都是密封状态。这种结构能够更大程度保证装置的密封性能，确保支柱压力稳定，使支柱在现场应用的支撑效果更加明显。
为了更详尽的说明本发明的装置及使用方法，以下以高2.5m，宽3.0m的常规回采巷道为具体实施例，进行说明。
(1)根据深部巷道应力水平进行理论计算分析，拟设计“钢混-液压”巷旁支护装置的无缝钢管管径为上部支柱2的管径为245mm，下部支柱16的管径为273mm，其钢管壁厚均为10mm；升降腔12的让压空间设计为200mm，上、下部支柱的总体长度为2300mm；三用阀体13的泄压值设计为300KN；上、下承压板为5mm厚的圆钢板，直径为300mm。
(2)在地面加工场地上加工制作“钢混-液压”巷旁支护装置，上、下承压板及底部稳定三角板用点焊与对应支柱的接触部位焊接牢固密实。
(3)随工作面的不断向前推进，在滞后工作面1～2m的距离于靠近采空区边缘安装采空区的隔离挡风帘22，首先将铁丝网由顶部锚杆23和底部螺栓24固定结实，每隔1m左右的距离施工1颗顶部锚杆23和底部螺栓24；然后将橡胶捆扎在吊挂铁丝网21上。采空区隔离挡风帘22要与巷道顶底板紧密贴合。
(4)隔离挡风帘22安装完成后随即架设上部支柱2、下部支柱16，支柱紧贴采空区20的隔离挡风帘22，同时必要时对隔离挡风帘22进行喷浆处理，用以隔绝采空区20破碎矸石或有毒有害气体进入护巷区域。
(5)每次架设2～4个巷旁支护装置，相邻巷旁支护装置之间的间距为0.5m，架设完成后依次向巷旁支护装置的升降腔12内注入高压乳化液，达到初始设计压力值，使上部支柱2的上承压板与巷道顶板25紧密贴合；然后再依次通过上、下注浆口向上、下部支柱内注入按比例调配的充填混凝土11，混凝土凝固后的强度等级达到C40等级以上，混凝土充填时要保证充满以及充填密实。
(6)上述步骤完成后，形成“钢混-液压”巷旁支护装置，能够达到恒阻让压、高强度的深部巷道支护效果。
(7)每个循环工序完成后，进入下一个循环，进行隔离挡风帘22的安装以及巷旁支护装置安装、注液、注浆的工序，直至整个巷道支护完成。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
Claims (6)
1.一种用于深部巷道的“钢混-液压”巷旁支护装置，其包括用于放置在巷道底板的基座，其特征在于，基座上设置有带有腔体的下部支柱，下部支柱之腔体的上部设置有挡板，挡板上方的下部支柱之腔体内设置有上部支柱，上部支柱下端与挡板上方的下部支柱之腔体形成升降腔，升降腔一侧设置有乳化液注液口，乳化液注液口上设置有三用阀体，上部支柱与下部支柱之间通过连接机构相连接，上部支柱上部设置有用于承托巷道顶板的上承压板；下部支柱下端设置有下注浆口，上部支柱上端设置有上注浆口；巷旁支护装置为一体式结构；该巷旁支护装置与采空区之间设置有由吊挂铁丝网与橡胶组成的隔离挡风帘；
上述连接机构包括用于连接上部支柱与下部支柱的密封盖体，密封盖体上部设置有防尘圈，防尘圈下方的密封盖体设置有上导向环，密封盖体与下部支柱连接处设置有O型密封圈，O型密封圈下方的密封盖体与下部支柱之间设置有连接钢丝，上部支柱下部位于升降腔内，上部支柱下端设置有下导向环，通过上导向环与下导向环，上部支柱能在升降腔内移动。
2.根据权利要求1所述的“钢混-液压”巷旁支护装置，其特征在于，上述上部支柱、下部支柱均为无缝钢管，下部支柱直径大于上部支柱，上部支柱、下部支柱的壁厚相同。
3.根据权利要求1所述的“钢混-液压”巷旁支护装置，其特征在于，基座由四个侧护钢板与下承压板构成，四个侧护钢板呈三角形将下部支柱与下承压板连接在一起。
4.一种使用如权利要求1所述“钢混-液压”巷旁支护装置的支护方法，其包括以下步骤：
步骤一，根据预留巷道的断面参数及受力状况，进行支柱整体设计，包括上、下部支柱长度、钢管管径及厚度、升降腔的让压空间、泄压阈值压力、充填混凝土强度等级，设计完成后将巷旁支护装置在地面加工制作，然后运至井下预留巷道内；
步骤二，根据工作面推进速度来安装巷旁支护装置，巷旁支护装置紧贴采空区的隔离挡风帘，相邻巷旁支护装置之间的距离相等；
步骤三，安装巷旁支护装置前，首先紧靠采空区安设隔离挡风帘，将吊挂铁丝网由顶部锚杆和底部螺栓固定，橡胶制挡风帘由扎丝与铁丝网捆扎紧实；
步骤四，安装巷旁支护装置时，首先架设下部支柱、上部支柱，然后使用注液枪通过三用阀体向升降腔内注入乳化液，使上部支柱上升，并使上承压板逐渐接近巷道顶板，持续注液直至达到设计的初撑力；
步骤五，采用混凝土输送泵通过上注浆口、下注浆口向对应支柱内注入混凝土浆液，保证混凝土充填密实后，关闭注浆口，直至整个巷道支护完成。
5.根据权利要求4所述的支护方法，其特征在于，上述步骤四具体的：先将每个巷旁支护装置的升降腔内注入预定的乳化液，达到初撑力，然后再向每个对应支柱内依次注入混凝土浆液，待上述工序结束后，完成一个循环。
6.根据权利要求4所述的支护方法，其特征在于，上述步骤五具体的为：每个循环工序完成后，进入下一个循环，进行采空区的隔离挡风帘的安装以及巷旁支护装置安装、注液、注浆的工序，直至整个巷道支护完成。
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