CN1064734C - 用于井下或隧道构筑的支柱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于井下和隧道构筑的可以灌注建筑材料的支柱，它在灌入建筑材料以前借助于一个液压支撑装置可以撑住岩层。为了简化这种支柱的操作并赋予支柱初撑性能，本发明推荐，支撑装置做在支柱内并具有一个在外管(2)内密封移动的，在移出方向在内管(3)上施加作用力的活塞(4)，它封住位于外管(2)内的第一腔(5)，第一腔可以通过一个装料口用处于支撑压力下的介质加载；其中在活塞(4)背对第一腔(5)的一侧设有一个第二腔(7)。它通过一个单独的装料口(8)可以灌入建筑材料。其中活塞(4)是一个与内管(3)分开的构件，在灌注建筑材料时在建筑材料的压力下将向下腔(5)移动，在必要情况下一直移到下腔底部。

Description

用于井下或隧道构筑的支柱

本发明涉及一种井下或隧道构筑的支柱，由两个伸缩式的，可相互插入移动的相互背对的一端封闭的管子组成，它可以借助于一个液压支撑装置撑紧岩层，在它们之间设有一个锁紧装置，通过它内管可以机械地固定在外管内不同的伸出长度处，其中支柱的内腔在维持支撑力的情况下可以灌入建筑材料。

这种灌满建筑材料的支柱近来经常用来代替以前使用的木支柱或液压单体支柱。它具有在非常轻型的结构时提供很大支撑力的优点。因为管子仅仅用来作为相当耐压的建筑材料的耐拉伸外壳。在钢结构设计时完全可以采用轻型结构设计原理。由于管子的非临界载荷可以采用由廉价结构钢制成的焊接管。在管子还是空的时候支柱的重量非常小，因此可以方便地运输，并在建筑现场进行操作。由于轻型结构并由此制造成本低廉这种支柱与液压单体支柱相反可以用作所谓的丢弃支柱，根据用途，例如在斜撑／平巷过渡区内可以毫无困难地立在填充区内。其次在平巷边缘区域的这种丢弃支柱在平巷进一步的稳定性方面具有优点。

例如由DE-PS4115209已知这样一种填充建筑材料的支柱。这种按现有技术水平大家熟悉的支柱为了在灌入建筑材料以前撑紧采用多个液压撑紧油缸，它们装在外管和内管的外面，内管可以相对于外管移动。在移出的位置上锁紧装置将内管固定在外管上当时的移出位置处。然后液压张紧油缸可以拿走。最后用这种方法撑紧岩层的支柱灌入建筑材料。

上述这种已知的支柱存在多方面的缺点。其一是液压张紧油缸的操作特别麻烦，并且工作成本高。每个这种沉重的张紧油缸必须用手抬起来，装在支柱上，并在撑紧过程结束后重新从它上面取下来。另一方面必须具有与高压液压系统连接的可能性，例如与斜撑液压装置连接。其次由于张紧油缸从侧面装上产生不利的力流。伸缩尺寸也比较小。

最后还有一个缺点是：支柱直到灌入建筑材料为止只能承受比较小的力，因为机械夹紧装置在可以承受值得一提的力以前内管始终需相对于外管作一定的移入运动。这种已知支柱没有足够的初撑力，并且为了达到它的全部支撑力需要下沉较大。

较早的、没有预先发表的DE4338830C1公开了一种类似的支柱，其中内管的内端做成封闭的，并以这样的方法构成一个活塞，使它密封地在外管内移动，并通过它将支柱内腔分成两个腔，这两个腔都可以灌入建筑材料，例如可压缩泡沫水泥。然而这里活塞不是用来以较大的升柱载荷升柱支柱，而是与可压缩填充料共同作用达到支柱一定的可压缩性。在这种已知支柱中有一个升柱机构用于升柱，升柱机构位于外管的插入端上，并可以高度可调地固定在内管上。用这种机械升柱装置不能达到大的升柱载荷，同样在支柱内腔内灌入可膨胀的泡沫水泥也不能达到大的升柱载荷。那种泡沫材料本来就是可压缩的，因此不能产生大的升柱载荷。

由WO94／27029同样已知一种支柱，它由两个伸缩式的可相互插入的、相互背对的一端封闭的管子组成，它可以用液压撑住岩层，并可借助于一个机械锁紧装置在不同的伸出长度处相互固定。这里外管和在它里面运动的内管围成一个腔，它可以通过一个装料口用压力介质加载，其中内管从外管中伸出，也就是说把支柱支起来，然而这种已知支柱的内腔不能灌建筑材料，因此不能利用这种特殊工艺的优点。

本发明的目的是提供一种操作方便，可以用液压建立大的支撑力的支柱，这种支柱具有快速的、或者至少是前期的承载能力，并可在其全长范围内灌入建筑材料。

本发明的主题是用于井下作业的矿井和隧道构筑的支柱，由一个内管和一个外管组成，它们的自由端封死，相互之间可以可伸缩地移动，并可以通过一个机械锁紧装置在不同的移出长度处相互固定，其中在外管内装有一个可以用升柱压力液压加载的，在移出方向对内管产生作用力的活塞，它做成可以与内管分开的活动构件，并将支柱内腔分成位于活塞下部的第一腔(下腔)和位于活塞上部的第二腔(上腔)，其中第一腔(下腔)配设一个第一装料口，通过它这一腔可以用处于升柱压力下的压力介质加载；第二腔(上腔)配设一个第二装料口，通过它在活动活塞移动的情况下支柱在它直到外管末端的整个长度上可以灌入建筑材料。

按本发明的支柱首先具有这样的优点：升柱和撑紧岩层特别简单。为此只需要用适当的液压压力介质对支柱下腔加载。为此最合适的介质是来自于地下通常存在的低压水管。它通常流通40bar的压力，考虑到外管的直径大，足以产生可观的支撑力。升柱过程中的工作程序也和液压单体支柱一样简单。

特别是取消了单独的支撑油缸的复杂操作。这样支起来的支柱(和液压单体支柱一样)初撑力特别好，因此所采用的下沉从一开始就面对巨大的支承力。在加入一定的下沉以后机械锁紧装置发挥出它的全部支承力，使得可以撤除给活塞加载的压力介质，支柱可以通过第二装料口灌入建筑材料。这里活动活塞压回到任意远的地方(必要时一直到外管的底部)。在灌注过程中内管通过机械锁紧装置固定在外管上。通过用建筑材料灌入支柱到任意的长度可以对支柱的支承性能在很大范围内施加影响，而不需要其他的技术费用。

按本发明支柱的一种特别优良的结构形式考虑这样，机械锁紧装置由两个装在内管下端和活塞之间的、可以相互插入的锥形环组成，其中之一在相互插入时在外管塑性扩张的情况下可以径向胀开。通过这种结构的机械锁紧装置在内外管之间产生具有前期承载能力和特别大支承能力的机械连接。这种机械连接的一个特别的优点是：在保持很大升柱力的情况下在一个比较长的行程范围内内管可以相对外管移动。这里外管在整个插入长度上塑性扩张。这种塑性扩张从外管的外面可以看得出来，并且向矿工表明，这个支柱已经出现一定的下沉。

为了防止上面所讨论的／锁紧装置的方案在支起支柱时过早地产生作用，例如因为在支柱拔出时必须克服阻力，另外还考虑锥形环和／或对应锥形环的锥形面设置一个可以在一个预先规定的升柱力时剪切掉的凸起，只有当超过预先规定的升柱力时它才让锥形面相对移动。

作为一种选择锁紧装置也可以做成装在内管下端上的可胀弹性圈，它在径向具有弹性预紧力，并做成这样，它允许内管相对于外管作移出运动，而在移入运动时这样地径向胀开，使它产生与外管摩擦和／或形状贴合的连接。

锁紧装置也可以具有一个可以固定在内管外圆上的锥形环，它在外管塑性扩张的情况下可以从上面插入外管。这样做成的锁紧装置在非常大的行程范围内在保持很大支承力的情况下也是柔性的，它允许赋予支柱一个合适的支承特性曲线。

锁紧装置的上述结构形式中锥形环在它的内表面上采取提高锥形环和内管之间摩擦力的措施是合适的。用这种方法锥形环确定在内管上轴线方向的位置，使得锁紧装置的柔性首先通过外管的塑性扩张得到。

其次在这种结构形式的锁紧装置时考虑，在锥形环上端面上放上一个由弹性预紧材料做的环，它在它这一侧支承在外管上端上，并沿轴线方向向下压锥形环。由此确保在所采取的下沉时锥形环立即使外管扩张。支柱在下沉入锁紧装置区域一个比较小的路程以后就已经发挥出全部支承力。

用于按本发明支柱的活塞适宜于由弹性和／或塑性柔性材料，特别是塑料制成，并且有一个紧贴在外管壁上的环形筋片密封圈，并固定在一个罐形的刚性导向元件上。这种活塞可以非常廉价地制造，并且对于支柱的一次性使用足够地耐磨。

下腔可以合适地配设一个限压阀，这样一种按液压支柱原理中众所周知的限压阀与活动活塞相结合具有这样的优点，人们可以在必要的情况下在保持下腔内充彻的压力的条件下将支柱在其全长上灌入建筑材料。当然为此需要一个建筑材料泵，它以略大于限压阀开启压力的压力供给给上腔的建筑材料。

如果下腔配设一个用作限压阀的压裂盘，就会得到特别的优点。这个压裂盘(和限压阀一样)当超过规定的压力时产生作用。如果下沉相应地进行，支柱加载到这样的程度，使机械锁紧装置发挥出它全部的支承力，就会出现这样的压力。对于现场的矿工压裂盘破裂表示，现在起它可以用建筑材料灌入支柱了。

为了对按本发明的支柱的支承性能施加更有利的影响，可以在下腔上装上弹性的可压缩物体，特别是充气空心体或泡沫材料物体。用这种方法下腔得到可以准确地选择的性能直到发出全部支承力为止。通过充填或多或少的这种物体可以任意地改变支柱的支承性能。

为了上述目的在必要情况下支柱也可以在底或顶端配备可以轴向压缩的弹性元件。

为了限制按本发明的支柱的伸出长度，外管壁在离外管上端一定距离处设置一个用来限定行程的孔，当活塞超过这个孔时下腔就和大气连通。这样一种行程限位以特别优良的方式不需要使管子加工复杂化的止挡。

最后设想，内外管壁在搭接区域设置排水孔，它补充或者协助位于支柱顶部的排水装置。排水孔使得灌入的建筑材料中的水可以排出。多余的水的这种排出是非常重要的，以此建筑材料可以形成一个支承柱，和在必要情况下可以变硬。

外管上的排水孔适合于用一种透水的、同时又能挡住建筑材料的织物复盖住。由此内外管之间的环形空间也可以用建筑材料充填，但同时避免建筑材料通过排水孔从支柱中漏出。

最后按本发明的支柱的一种优良具体结构考虑，外管和内管装在一个由两个相互插在一起，可伸缩地相互移动的管子组成的外壳内部，外壳在它的全长上具有比支柱大的直径，其中支柱和外壳之间的环形空腔可以灌入建筑材料。由此按本发明的支柱可以扩展成一个承载能力非常大的，能承受特别大载荷的支柱。这种用外壳加强的支柱例如可以用来支承交叉的桥式巷道等等。实际上外壳可以具有任意大的直径，使得可以产生任意大的支承力。通过装在外壳内的按本发明的支柱这个支承能力大的支柱也可以以较大的力在巷顶和底面之间撑紧。

下面借助于附图对本发明的实施例作进一步阐述。其中表示：

图1按本发明的不带压力介质和建筑材料的支柱纵剖面示意图；

图2示出了按图1在升柱过程中的支柱；

图3示出了按图1的在采取下沉时的支柱；

图4示出了按图1的在灌入建筑材料以前的支柱；

图5示出了按图1的在灌入建筑材料以后的支柱；

图6示出了按本发明的带作为锁紧装置的可胀弹性环的支柱；

图7、8和9示出了具有其他结构形式锁紧装置的按本发明的支柱；

图10示出了图7、8和9中表示的支柱的具体结构；

图11为活塞的详细图示；

图12示出了一个按本发明的在下腔上具有压裂盘的支柱；

图13示出了一个按本发明的带弹性头部的支柱；

图14示出了一个按本发明的在下腔具有可压缩空心体的支柱；

图15示出了一个按本发明的具有行程限位和排水孔的支柱；

图16示出了一种带锥形环的锁紧装置的详细图示；

图17示出了一个按本发明的具有一种特殊结构形式活塞的支柱；

图18示出了一个按本发明的带外壳的支柱。

图1中以序号1表示整个支柱。支柱由一个下端封闭、上端敞开的外管2组成，外管2中可伸出设有一个下端敞开、上端封闭的内管3。内管3的下端上有一个活塞4，它密封地在外管2内移动并用来使内管3移出。在活塞4的下方于外管2中设有一个第一腔(下腔5)，可以通过装料口6用适当的压力介质，例如压力水对其加载。

在活塞4的上方设有一个第二腔(上腔7)，它主要由内管3构成，并在上端配有一个装料口8。

内管3可以借助于一个锁紧装置9固定在外管上。这个锁紧装置9具有一个可以固定在内管3外圆上的锥形环10，它在外管2塑性扩张的情况下可以从上面插入外管2。

活塞4做成活动活塞，也就是说它是一个与内管3分开的构件，并从下方支撑地设在内管3上。

下面对由图1推知的升柱和灌注逐一地加以阐述。首先正如由图2可以看到的，要将支柱1在顶板和底板之间撑紧。为此，通过装料口6用适于升柱的压力介质，例如来自于低压水管的压力水对下腔5加载。由此使活塞4向上移动，并以一个比较大的支撑力迫使内管3向顶板移动。

然后关闭装料口6。在顶板下沉时，内管3被一个较大的力向下压，使外管2略微地弹性变形，也就是说在下腔5中的压力影响下略微变粗。随着下沉量的增大锥形环10挤入外管的上端，并使其塑性扩张。用这种方法使锁紧装置9逐渐增加载荷，并且直到锁紧装置能单独承受所要求的支承力为止。然后将下腔5排空。在这种状态下，由锁紧装置9独自提供支承力。

此时，为了提高支承力，可以从上面通过装料口8将建筑材料充入支柱(图5)。在从上面灌入建筑材料时，建筑材料挤压外管2内的活塞4直到活塞接触外管的底部，使得支柱的整个长度上灌满建筑材料。如果只需要在支柱部分长度上灌注建筑材料，以便达到一定的支承特性，灌注过程可以随时中止。

一旦锁紧装置9承担足够载荷，可以在任何时刻灌注建筑材料。用这种方法可以使按本发明的支柱的支承特性在任何时候与矿山压力和所出现的顶板下沉相匹配。无论如何矿工在现场还可以在很大程度上按其意愿影响按本发明的支柱的支承特性。

图6的实施例完全相当于图1的实施例。但在该实施例中，在内管3的下端装有一个可胀弹性环11，将其在径向弹性预紧并使其弹性簧片贴在外管2内壁上。弹性簧片这样设置，即可以使内管与可胀弹性环11一起向上移动，但不许向下移动。在向下移动时可胀弹性环11的簧片径向胀开至与外管2在摩擦或形状上匀适宜地的连接。

在图7、8和9中所示的锁紧装置结构形式中，内管3的下端上设有一个可以径向胀开的锥形环12，一个位于活塞4上方支承在活塞4上的对应锥形环13可以从下方插入这个锥形环。如果对应锥形环13从下方插入可以径向胀开的锥形环12，那末它在外管2塑性扩张的情况下胀开，使得内管3和外管2之间产生具有立即承载性能的、能承受特别大载荷的连接。

在按图10的结构形式中，在锥形环12的锥面上有一个径向向内突出的可以剪切掉的凸起12a，在对应锥形环13可以插入锥形环12以前必须先由对应锥形环13将其剪切掉。凸起12a可以剪切掉的横截面选择得这样大，使得只有在超过预先规定的比较大的支撑力时对应锥形环13才能插入锥形环12。出于同样的目的在必要情况下对应锥形环13的锥面上也可以设置相应的可以剪切掉的凸起。

图11是表示活塞4的详细图。活塞4由弹性和／或塑性的柔性材料，特别是由塑料制成，并具有紧贴在外管壁上的环形唇片4a。此外活塞4固定在一个罐形的刚性导向元件4b的底面上，导向元件例如由钢制成。这个导向元件4b给活塞必要的导向和刚性，而唇片密封圈4a则提供密封性。总体而言，这样做成的活塞制造成本低，因此特别适用于一次性应用。

图12表示按本发明的支柱的一个实施例，其中下腔5设有一个用于限压的压裂盘14。当支柱加载到锁紧装置9具有足够的承载能力时，这个压裂盘就发生作用。

在按图13的实施例时，内管3顶端设有可轴向压缩的弹性元件15，在必要情况下，在外管2的底端也可以装这种弹性元件15。

由图14可以看出，必要情况下下腔内可以装入弹性可压缩空心体16或泡沫材料物体。这些弹性可压缩空心体16使支柱具有附加的弹性柔度。

由图15可以看出，在外管2壁上距上端一定距离处设有用于限位的孔18，当活塞超过它时，它使下腔与大气连通。一旦产生这种连通，活塞4当然不能再向上运动。

其次由图15可以看到内管3上的排水孔19和外管2上的排水孔20，它们位于内管3和外管2的搭接区。其中外管2的排水孔20在外侧上由一个透水的、但是对于建筑材料密封的织物遮盖。此外当然支柱还有其他的位于支柱头部的排水孔。

图16表示锁紧装置9的一种改进的结构形式。这里锥形环10在其内侧面上设有尖利的凸起10a，它嵌入内管3的外壁。此外在锥形环10的上方装有一个由弹性预紧材料制成的环22，它在它的一侧支承在外管2的上端，并将锥形环10轴向向下压。

在按图17的实施例中活塞4具有一个向下伸出的弹性凸起4c，在支柱灌满建筑材料后它撞在外管2的底面上，并同样也提供弹性支承特性。

在按图18的实施例中，支柱装在一个由两个相互插在一起，可伸缩地相对移动的管子23、24组成的外壳内。这个外壳在其整个长度上具有比支柱1大的直径，可以通过一个装在上面的装料口25向支柱2、3和外壳23、24之间的环形空腔灌入建筑材料。如前所述，装在外壳23、24内的支柱2、3可以通过活塞4的液压加载由这样大的支撑力支起来，即可以机械地将锁紧装置固定，并通过上装料口在其整个长度上灌满建筑材料。这种支柱连同外壳一起具有特别大的支承能力。

Claims (16)

1．用于井下和隧道构筑的支柱，由一个内管(3)和一个外管(2)组成，内外管的相互背对的一端封闭，可伸缩地相互插入移动，并可通过一个机械锁紧装置在不同的移出长度处相互固定，其中在外管(2)内装有一个可用支撑力液压加载的，在移出方向作用在内管(3)上的活塞(4)，它做成和内管(3)分开的活动构件，并将支柱内腔分成位于活塞(4)下方的第一腔-下腔5和位于活塞(4)上方的第二腔-上腔7，其中第一腔-下腔5设有一个第一装料口(6)，通过它这个腔可以用处于支撑力下的压力介质加载；第二腔-上腔7设有一个第二装料口(8)，通过它支柱在活动活塞(4)移动直至外管(2)底部的情况下在支柱整个长度上可以灌入建筑材料。

2．按权利要求1的支柱，其特征在于，机械锁紧装置由两个装在内管(3)下端和活塞(4)之间的、可以相互插入移动的锥形环(12、13)组成，其中一个锥形环(12)在相互插入移动时在外管(2)塑性扩张的情况下可以径向胀开。

3．按权利要求2的支柱，其特征在于，锥形环(12)和／或对应锥形环(13)的锥面设有可以在一个预先规定的支撑载荷下被剪掉的凸起(12a)，只有当超过预先规定的支撑载荷时它才允许锥面相对移动。

4．按权利要求1的支柱，其特征在于，锁紧装置具有一个可以固定在内管(3)外圆上的锥形环(10)，它在外管(2)塑性扩张的情况下可以从上方插入外管(2)。

5．按权利要示4的支柱，其特征在于，锥形环(10)在其内表面上采取了提高锥形环(10)和内管(3)之间摩擦力的装置(10a)。

6．按权利要求4或5的支柱，其特征在于，锥形环(10)的上端放有一个由弹性预紧材料制成的环(22)，它在它的一侧支承在外管(2)的上端上，并将锥形环(10)轴向向下压。

7．按权利要求1的支柱，其特征在于，锁紧装置做成装在内管下端上的可胀弹性环(11)，它在径向弹性预紧，并做成这样，它允许内管(3)相对于外管(2)作移出运动，但是在移入运动时这样地径向胀开，即与外管形成摩擦和／或形状适宜的接触。

8．按权利要求1的支柱，其特征在于，活塞(4)由弹性和／或塑性柔性材料，特别是由塑料制成，具有一个紧贴在外管(2)壁上的环形唇密封圈(4a)，并固定在罐形的刚性导向件(4b)的底面上。

9．按权利要求1的支柱，其特征在于，下腔(5)配有一个限压阀。

10．按权利要求1的支柱，其特征在于，下腔(5)配有一个用于限压的压裂盘(14)。

11．按权利要求1的支柱，其特征在于，下腔(5)内装有弹性可压缩体，特别是充气空心体(16)或泡沫材料物体。

12．按权利要求1或后续权利要求之任一项的支柱，其特征在于，其底部或顶部设有可轴向压缩的弹性元件(15)。

13．按权利要求1的支柱，其特征在于，外管(2)壁上距外管(2)上端一定距离处设有用来限位的孔(18)，当活塞超过它时，它使下腔(5)和大气连通。

14．按权利要求1的支柱，其特征在于，内管(3)和外管(2)壁的相互搭接区域内设有排水孔(19、20)。

15．按权利要求14的支柱，其特征在于，外管(2)的排水孔(20)由一个透水的、但挡住建筑材料的织物(21)遮盖。

16．按权利要求1的支柱，其特征在于，外管(2)和内管(3)装在一个由两个可相互插入的，可伸缩地相互移动的管子(23、24)组成的外壳内，外壳在其整个长度上具有比支柱大的直径，其中支柱(2、3)和外壳(23、24)之间的环形空间可以灌入建筑材料。

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