CN106812543B - 一种可多级耗能协同让压的巷道支护结构及拼接方法 - Google Patents

一种可多级耗能协同让压的巷道支护结构及拼接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可多级耗能协同让压的巷道支护结构及拼接方法，由D‑C型支架、D型连接套管、可滑动槽型摩擦耗能让压连接件、低屈服强度耗能让压钢块组成；本发明的让压耗能过程克服了传统让压位置仅局限在节点的弊端，形成了由低屈服强度耗能让压钢块及其内部的合金弹簧、可滑动槽型摩擦耗能让压连接件组成的立体科学的多级协同让压体系。支架结构中设置的可滑动槽型摩擦耗能让压连接件克服了传统支架节点刚度比较薄弱和让压范围较小的缺陷，使支架节点处刚度得到了加强，让压范围更广、让压量更加充分，支护结构更加稳定。同时可滑动槽型摩擦耗能让压连接件能够回收再利用。

Description

一种可多级耗能协同让压的巷道支护结构及拼接方法
技术领域
本发明涉及一种地下工程巷道支护结构，尤其涉及一种可多级耗能协同让压的巷道支护结构及拼接方法，属于巷道支护技术领域。
背景技术
煤炭作为我国的主要能源，其安全开采历来为人们所关注，其中煤矿巷道支护效果的好坏对于煤矿安全生产至关重要。一直以来，煤矿巷道支护广泛采用U型钢支架支护技术。但随着煤炭浅部资源的枯竭，煤炭开采逐渐向深部发展，巷道所处环境越发复杂，高地压、大变形、动荷载、难支护等特点使U型钢支架在巷道支护中出现了屈服断裂的现象，其主要原因之一是支架支护强度不足。近年来发展起来的钢管混凝土支架支护技术虽然能够有效提高支架的支护强度，然其不能够进行有效让压耗能，导致支护体系成为刚性支撑，不符合让压支护的理念。
针对钢管混凝土支架让压的研究，申请号为201310466354.0的中国专利提出了一种钢管混凝土支架让压构件及其安装方法，具体是在支架的接头位置设置沙漏形让压构件，通过让压构件的变形进行让压；申请号为201320070460.2的中国专利提出一种伸缩式钢管混凝土支架，具体是在该支架接头处设置伸缩性多孔金属接头，通过金属接头上孔洞被压缩来实现让压；申请号为201320623646.6的中国专利提出了一种钢管混凝土支架持续渐进让压可缩装置，具体是在支架接头处与其垂直的方向安装几个套在一起的直径不同、长度相同、管壁厚度不同的钢管，通过钢管的逐渐受力进行让压。
上述专利设计的让压位置均选择在钢管混凝土支架的接头处，不同之处在于让压构件的类型。这些设计均未改变钢管混凝土支架在施工时自重较重，不便灵活搬用，不能回收利用的现状；让压点设置在钢管混凝土接头处使钢管混凝土拱架让压范围和让压量受到限制，使节点处成为受力薄弱环节，影响支架整体的刚度和稳定性；同时，单纯的节点让压也不能充分发挥支架整体的协同让压作用。鉴于此，研究一种新型的可多级耗能协同让压的巷道支护结构具有重要意义。
发明内容
针对现有巷道支护技术存在的上述不足，本发明提供了一种新型的可多级耗能协同让压的巷道支护结构，其具有形式简单、自重较轻、可部分回收利用、节点刚度强、支护强度高、整体稳定性好、让压范围大、能够多级协同让压的优点，该支护结构能够较好的适用于复杂地质环境条件下的巷道支护工程。
本发明采用的技术方案如下：
一种可多级耗能协同让压的巷道支护结构，是由D-C型支架、D型连接套管、可滑动槽型摩擦耗能让压连接件、耗能让压钢块组成；
所述的D-C型支架，其形状可以是圆形、弧形及直墙半圆拱形等，具体形状可以依据现场情况进行设计和选择；包括一个横截面为D型的金属管和安装在D型金属管竖直壁上的两个相互平行的腹板，其中金属管的内部灌注有混凝土；腹板尾端的表面开有矩形槽；两个腹板与竖直壁之间形成C型。
所述的可滑动槽型摩擦耗能让压连接件，其为一个截面形状是槽型的弧形件，该弧形件卡装在所述的两个腹板上，且通过连接件与腹板相连；
所述的D型连接套管用于连接两个D-C型支架，所述的低屈服强度耗能让压钢块通过D型连接套管放置在新型D-C型支架节点处，所述的耗能让压钢块内部加工有槽，在所述的槽内放置有弹性元件。
进一步的，在可滑动槽型摩擦耗能让压连接件上与所述的矩形槽相对的位置也设有矩形槽，两个矩形槽对中后，通过螺栓相连。
进一步的，所述的耗能让压钢块为低屈服强度件。
进一步的，所述的D型连接套管，由金属材料制成，整体形状呈弧形或方形，其形状根据现场具体情况及套管连接位置进行设计，以方便将新型D-C型支架的两端交接处连接起来。
进一步的，所述的D型连接套管以D-C型支架的两个腹板尾端作为固定卡位置，两个腹板尾端替代了传统的档环，避免了传统支护结构安装档环的繁琐，省时高效。
进一步的，所述的D型连接套管截面形状与D-C型支架的D型的金属管形状相同，但直径要大于D型的金属管的直径，以保证套管能够将支架很好的连接起来。
进一步的，所述的可滑动槽型摩擦耗能让压连接件，由金属材料制成，整体形状呈弧形，其具体形状根据连接的新型D-C型支架两端的形状来确定。可滑动槽型摩擦耗能让压连接件使节点处的刚度得到增强，有利于支架结构的整体稳定。可滑动槽型摩擦耗能让压连接件可以回收利用，经济效益良好。
进一步的，所述的可滑动槽型摩擦耗能让压连接件在其尾端内部开有矩形槽，以方便与新型D-C型支架的C形截面部分尾端开有的矩形槽通过螺栓进行连接，螺母下放置有增强型垫片能够增大螺栓与连接件的摩擦力。
进一步的，所述的可滑动槽型摩擦耗能让压连接件与新型D-C型支架之间的摩擦力可以通过调节螺栓的预紧力的大小来实现。通过可滑动槽型摩擦耗能让压连接件与新型D-C型支架之间的滑动摩擦实现支架结构的让压耗能，耗能范围和耗能长度加大，有利于支护结构充分协同耗能让压。
进一步的，所述的低屈服强度耗能让压钢块通过D型连接套管放置在新型D-C型支架节点处，其形状与D-C型支架连接部位的D型连接套管相协调，一般为弧形体或长柱形体。
进一步的，所述的低屈服强度耗能让压钢块由特殊的低屈服强度材料制成，具有良好的塑性，耗能让压性能良好。
进一步的，所述的低屈服强度耗能让压钢块内部加工有细长孔槽放置有合金弹簧，合金弹簧具有良好的塑性与韧性，长时间内有稳定的弹性，其屈服强度要高于低屈服强度耗能让压钢块，这样有利于形成耗能让压的逐级协调模式。
进一步的，所述的连接件包括螺栓和螺母。
进一步的，所述的腹板与可滑动槽型摩擦耗能让压连接件接触位置设有垫片。
进一步的，可滑动槽型摩擦耗能让压连接件卡装在两个腹板尾端。
上述装置的拼接方法如下：
将四节D-C型支架的金属管内灌注混凝土，待混凝土初步硬化后进行拼装，相邻两节新型D-C型支架的节点处通过D形连接套管进行连接；在D形连接套管内放置有耗能让压钢块；D形连接套管的末端卡在新型D-C型支架的两个腹板的尾端，省去了传统套管需要专门设置档环的繁琐工序；可滑动槽型摩擦耗能让压连接件将相邻的两节D-C型支架通过螺钉穿过矩形槽进行固定，螺母下设置有增强型垫片增加连接件之间的摩擦力，通过调节螺母的预紧力来控制可滑动槽型摩擦耗能让压连接件与D-C型支架之间的让压耗能能力，施加预紧力的大小根据现场情况进行设计。
具体让压耗能的作用过程如下：
支架结构在荷载的作用下，逐渐产生变形。首先，D形连接套管内部安装的具有良好塑性性能的低屈服强度耗能让压钢块受到压缩开始让压耗能，当让压耗能到一定程度后，放置在低屈服强度耗能让压钢块内的弹簧开始参与到协同耗能让压的过程中；弹簧具有良好塑性与韧性、长时间稳定的弹性和较高的屈服强度；在此过程中，可滑动槽型摩擦耗能让压连接件与D-C型支架之间通过滑动摩擦适时参与到支架结构的整体让压耗能过程中，滑动摩擦的多少取决于需要耗散能量的多少，滑动摩擦的大小可以通过调节螺栓的预紧力来实现。可滑动槽型摩擦耗能让压连接件可以回收重复利用，经济效益良好。
由上述技术方案可以看出，本发明具有如下优点：
(1)支护结构形式简单，相对于钢管混凝土支架，自重明显减轻，有利于现场施工。
(2)支护结构具有高承载力和高耗能让压能力。当低屈服强度耗能让压钢块让压耗能到一定程度时，具有较强耗能能力的合金弹簧开始参与到协同耗能中来。在支架节点产生缩动的同时，可滑动槽型摩擦耗能让压连接件与支架之间通过滑动摩擦适时参与让压耗能，最终实现支护体系的多级协同耗能让压。
(3)让压不仅局限在节点，可滑动槽型摩擦耗能让压连接件与支架之间通过螺栓连接形成滑动让压耗能面，形成立体的科学的多级协同让压体系，使让压范围更广，让压量更加充分，让压过程更加协同，可以充分适应巷道的变形。
(4)可滑动槽型摩擦耗能让压连接件与支架之间通过螺栓连接在一起，提高了支架节点处的刚度，改变了传统支架在节点处设置让压构件使节点成为受力薄弱环节的现状，有利于支架的整体稳定。
(5)可滑动槽型摩擦耗能让压连接件能够回收再利用，经济效益良好。
(6)连接套管的固定不需专门安装档环，避免了传统支护结构安装档环的繁琐，省时高效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的整体支护结构示意图。
图2、图3是新型D-C型支架正视图及其断面图。
图4、图5是D形连接套管正视图及其断面图。
图6、图7是可滑动槽型摩擦耗能让压连接件的正视图及其断面图。
图8、图9是支架连接处局部放大图及其断面图。
图10是低屈服强度耗能让压钢块及其内置合金弹簧的详图。
图中1-D-C型支架；2-D形连接套管；3-可滑动槽型摩擦耗能让压连接件；4-矩形槽；5-增强型垫片；6-螺钉；7-螺母；8-低屈服强度耗能让压钢块；9-合金弹簧。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明中低屈服强度耗能让压钢块8的低屈服强度是一个相对的概念，这里所述的让压钢块8的屈服强度要小于合金弹簧9，可滑动槽型摩擦耗能让压连接件3与新型D-C型支架1之间通过滑动摩擦适时参与到支架结构的整体让压耗能过程中。
具体的结构如下：
可多级耗能协同让压的巷道支护结构，是由D-C型支架、D型连接套管、可滑动槽型摩擦耗能让压连接件、耗能让压钢块组成；
所述的D-C型支架，其形状可以是圆形、弧形及直墙半圆拱形等，具体形状可以依据现场情况进行设计和选择；包括一个横截面为D型的金属管和安装在D型金属管竖直壁上的两个相互平行的腹板，其中金属管的内部灌注有混凝土；腹板的尾端的表面开有矩形槽；两个腹板与竖直壁之间形成C型。
所述的可滑动槽型摩擦耗能让压连接件，其整体形状为截面是槽型的弧形件，该弧形件卡装在所述的两个腹板上，且通过连接件与腹板相连；
所述的D型连接套管用于连接两个D-C型支架，所述的低屈服强度耗能让压钢块通过D型连接套管放置在新型D-C型支架节点处，所述的耗能让压钢块内部加工有槽，在所述的槽内放置有弹性元件。
下面结合附图，对本发明做进一步说明：
如图1所示，本发明是一种可多级耗能协同让压的巷道支护结构，是由新型D-C型支架1、D型连接套管2、可滑动槽型摩擦耗能让压连接件3、低屈服强度耗能让压钢块8组成，其形状可以是圆形、弧形及直墙半圆拱形等，具体形状可以依据现场情况进行设计和选择。
如图2，图3所示，新型D-C型支架1形状呈弧形，其形状可以根据现场设计要求而定。支架截面包括D形和C形两部分，由金属材料制成，其中D形截面内部灌注有核心混凝土，混凝土强度等级一般取C30～C60，以C40最为常见。C形截面部分尾端的表面开有矩形槽4，与可滑动槽型摩擦耗能让压连接件3开有的矩形槽4位置互相对应。
如图4，图5所示，D型连接套管2，由金属材料制成，整体形状呈弧形或方形，其形状根据现场具体情况及套管连接位置进行设计，以方便将新型D-C型支架1的两端交接处连接起来。
如图1，图8，图9所示，D型连接套管2以新型D-C型支架1的C形截面尾端作为固定卡位置，C形截面尾端替代了传统的档环，避免了传统支护结构安装档环的繁琐，省时高效。
如图2，图3，图4，图5所示，D型连接套管2的截面形状与新型D-C型支架1的D形截面形状相同，但直径要大于新型D-C型支架1的D形截面的直径，以保证套管能够将支架很好的连接起来。
如图6，图7所示，可滑动槽型摩擦耗能让压连接件3，由金属材料制成，整体形状呈弧形，其具体形状根据连接的新型D-C型支架1两端的形状来确定。可滑动槽型摩擦耗能让压连接件3使节点处的刚度得到增强，有利于支架结构的整体稳定。可滑动槽型摩擦耗能让压连接件3可以回收利用，经济效益良好。
如图2，图3，图6，图7所示，可滑动槽型摩擦耗能让压连接件3在其尾端内部开有矩形槽4，以方便与新型D-C型支架1的C形截面部分尾端开有的矩形槽4通过螺栓进行连接，螺母7下放置有增强型垫片5能够增大螺栓与连接件的摩擦力。
如图1，图8，图9所示，可滑动槽型摩擦耗能让压连接件3与新型D-C型支架1之间的摩擦力可以通过调节螺栓的预紧力的大小来实现。通过可滑动槽型摩擦耗能让压连接件3与新型D-C型支架1之间的滑动摩擦实现支架结构的让压耗能，耗能范围和耗能长度加大，有利于支护结构充分协同耗能让压。
如图1，图8，图9，图10所示，低屈服强度耗能让压钢块8通过D型连接套管2放置在新型D-C型支架1的节点处，其形状与新型D-C型支架1连接部位的D型连接套管2相协调，一般为弧形体或长柱形体。
如图10所示，低屈服强度耗能让压钢块8由特殊的低屈服强度材料制成，具有良好的塑性，耗能让压性能良好。
如图10所示，低屈服强度耗能让压钢块8内部加工有细长孔槽放置有合金弹簧9，合金弹簧9具有良好的塑性与韧性，长时间内有稳定的弹性，其屈服强度要高于低屈服强度耗能让压钢块，这样有利于形成耗能让压的逐级协调模式。
下面以圆形的可多级耗能协同让压的巷道支护结构为例，说明本发明的具体实施过程：
将四节新型D-C型支架1的D形截面部分灌注C40混凝土，待混凝土初步硬化后进行拼装，相邻两节新型D-C型支架1的节点处通过D形连接套管2进行连接(D形连接套管2内放置有低屈服强度耗能让压钢块8)，D形连接套管2的末端卡在新型D-C型支架1的C形截面的尾端，省去了传统套管需要专门设置档环的繁琐工序。可滑动槽型摩擦耗能让压连接件3将相邻的两节新型D-C型支架1通过螺钉6穿过矩形槽4进行固定，螺母7下设置有增强型垫片5可增加连接件之间的摩擦力，通过调节螺母7的预紧力来控制可滑动槽型摩擦耗能让压连接件3与新型D-C型支架1之间的让压耗能能力，施加预紧力的大小根据现场情况进行设计。
当支架拼装完成后，即可发挥其对煤矿巷道的支护作用。具体让压耗能的作用过程如下：
支架结构在荷载的作用下，逐渐产生变形。首先，D形连接套管2内部安装的具有良好塑性性能的低屈服强度耗能让压钢块8受到压缩开始让压耗能，当让压耗能到一定程度后，放置在低屈服强度耗能让压钢块8内的合金弹簧9开始参与到协同耗能让压的过程中。合金弹簧9具有良好塑性与韧性、长时间稳定的弹性和较高的屈服强度。在此过程中，可滑动槽型摩擦耗能让压连接件3与新型D-C型支架1之间通过滑动摩擦适时参与到支架结构的整体让压耗能过程中，滑动摩擦的多少取决于需要耗散能量的多少，滑动摩擦的大小可以通过调节螺栓的预紧力来实现。可滑动槽型摩擦耗能让压连接件3可以回收重复利用，经济效益良好。
支架结构被荷载作用的过程，是低屈服强度耗能让压钢块8、合金弹簧9及可滑动槽型摩擦耗能让压连接件3立体协同耗能让压的过程，是支架结构作为一个整体协同变形的过程。支架让压的过程突破了传统让压模式仅局限于节点让压的缺陷，可滑动槽型摩擦耗能让压连接件3与新型D-C型支架1之间形成的耗能让压段使支架节点处刚度得到了加强，也为支护结构整体协同让压提供了条件，使支护结构更加稳定。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种可多级耗能协同让压的巷道支护结构，其特征在于，是由D-C型支架、D型连接套管、可滑动槽型摩擦耗能让压连接件、耗能让压钢块组成；
所述的D-C型支架包括一个横截面为D型的金属管和安装在D型金属管竖直壁上的两个相互平行的腹板，其中金属管的内部灌注有混凝土；腹板的尾端的表面开有矩形槽；两个腹板与竖直壁之间形成C型；
所述的可滑动槽型摩擦耗能让压连接件，其整体形状为截面是槽型的弧形件，该弧形件卡装在所述的两个腹板上，且通过连接件与腹板相连；所述的D型连接套管用于连接两个D-C型支架，低屈服强度耗能让压钢块通过D型连接套管放置在D-C型支架节点处，所述的耗能让压钢块内部加工有槽，在所述的槽内放置有弹性元件。
2.如权利要求1所述的可多级耗能协同让压的巷道支护结构，其特征在于，在可滑动槽型金属圈摩擦耗能让压连接件上与所述的矩形槽相对的位置也设有矩形槽，两个矩形槽对中后，通过螺栓相连。
3.如权利要求1所述的可多级耗能协同让压的巷道支护结构，其特征在于，所述的耗能让压钢块为低屈服强度件。
4.如权利要求1所述的可多级耗能协同让压的巷道支护结构，其特征在于，所述的D型连接套管，由金属材料制成，整体形状呈弧形或方形，其形状根据现场具体情况及套管连接位置进行设计。
5.如权利要求1所述的可多级耗能协同让压的巷道支护结构，其特征在于，所述的D型连接套管以D-C型支架的两个腹板尾端作为固定卡位置。
6.如权利要求1所述的可多级耗能协同让压的巷道支护结构，其特征在于，所述的D型连接套管截面形状与D-C型支架的D型的金属管形状相同，其直径要大于D型的金属管直径。
7.如权利要求1所述的可多级耗能协同让压的巷道支护结构，其特征在于，所述的可滑动槽型摩擦耗能让压连接件，由金属材料制成，其具体形状根据连接的D-C型支架两端的形状来确定。
8.如权利要求1所述的可多级耗能协同让压的巷道支护结构，其特征在于，所述的连接件包括螺栓和螺母。
9.如权利要求1所述的可多级耗能协同让压的巷道支护结构，其特征在于，所述的腹板与可滑动槽型摩擦耗能让压连接件接触位置设有垫片。
10.如权利要求1-9任一所述的可多级耗能协同让压的巷道支护结构的拼接方法，其特征在于，
将四节D-C型支架的金属管内灌注混凝土，待混凝土初步硬化后进行拼装，相邻两节D-C型支架的节点处通过D形连接套管进行连接；在D形连接套管内放置有耗能让压钢块；D形连接套管的末端卡在D-C型支架的两个腹板的尾端；可滑动槽型摩擦耗能让压连接件将相邻的两节D-C型支架通过螺钉穿过矩形槽进行固定，螺母下设置有增强型垫片增加连接件之间的摩擦力，通过调节螺母的预紧力来控制可滑动槽型摩擦耗能让压连接件与D-C型支架之间的让压耗能能力，施加预紧力的大小根据现场情况进行设计。
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