CN108930546A - 一种开创性改进的柔性掩护支架及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种开创性改进的柔性掩护支架及其使用方法。直接利用单体液压支柱支撑着抵靠煤层顶、底板的一对两根中空钢梁作为煤层顶、底板的支撑，钢丝绳从该对钢梁采空区侧端头沿中空穿入，从钢梁的中部穿出，并用可锁紧及松脱的专门锁具锁定钢丝绳头在钢梁上，形成一组柔性掩护支架，在采煤工作面平行设置多组柔性掩护支架，然后在柔性掩护支架的钢丝绳采空区侧铺满结实的网片，并将网片与钢丝绳穿接和用铁丝绞接稳固；这样形成相邻柔性掩护支架真正协同发挥主要作用的柔性掩护网，用于倾斜及急倾斜煤层的回采工作面，能更好缓冲采空区顶底板脱落石块的滚落冲击力，更能适应煤层产状变化，提高回采效率。

Description

一种开创性改进的柔性掩护支架及其使用方法

技术领域

一种开创性改进的柔性掩护支架及其使用方法，适用于倾斜及急倾斜煤层的采煤工作面支护。

背景技术

急倾斜煤层目前较多是采用掩护式支架进行采煤，原有柔性掩护支架，为一定型号的矿用工字钢等通过焊接或弯折成“一字形”、“八字形”、“7字型”支架，并在支架之间通过多条钢丝绳柔性连接在一起支撑出一个较小的采面作业空间，这样的支架只能适应固定采高的工作面，适应性差。后来有新的改进，主要是改为通过螺栓绞接及可调整伸缩的上下两臂，且两臂之间通过液压千斤顶等改变两臂夹角，以便适应不同煤层厚度变化及采面断面积要求，授权公告号CN 206903683 U的专利技术就是如此方法对掩护支架进行改进；目前所有改进还是在各支架之间通过多条钢丝绳柔性连接在一起，形成柔性掩护。此类改进仍然存在如下缺点：力学分析支架受力情况，最关健的采空区顶板脱落石块冲击力多数是由一根刚性的支架及支柱承受，然后传递给搁放着刚性支架两端头的煤壁，再次才由支架之间的连接钢丝绳柔性承受，故原称呼“柔性掩护支架”并不名符其实，而主要是刚性掩护，不能很好地适应冲击力，因此以前支架损坏主要是刚性支架的薄弱点（如焊接处、打孔处、弯曲处或或绞接处）；而且螺栓连接和伸缩调整处是直接受力部位，故这些部位容易损坏；如果臂或腿伸长则支架所受力距增大较多而不稳，故伸长量较小，也因此导致采面空间窄小的状况改善不多；支撑顶底板之间，主要靠煤壁，其次靠一根液压千斤顶，而且液压千斤顶伸长后的上下臂或腿大多是更加不平行煤层顶底板，导致支架支撑面积变小，液压千斤顶的大部份力量通过上下臂主要作用于顶底板的一点，对顶板保护不好，导致支撑顶板的上臂与煤壁之间容易漏顶；改变不了柔性掩护支架在煤层倾角变化时因各条钢丝绳牵拉力差异较大而易导致支架倒伏和支架啃顶、底板的特性。

发明内容

为了消除柔性掩护支架存在的上述缺点，本发明开创性地结合单体液压支柱（以下简称“支柱”）、∏钢梁的特点，特别是通过改变钢丝绳的布置方式，改进支架受力状况，真正实现柔性掩护，更好缓冲采空区顶底板脱落石块的滚落冲击力，隔阻脱落的石块进入采面，完全消除原支架易倒伏和支架啃顶、底板的因素，更好支撑和保护煤层顶底板，防止采面漏顶，能更有效扩大采面工作面空间，从而更大提高回采效率。

为了实现前述改良，本发明直接利用支柱1支撑着抵靠煤层顶、底板的一对两根中空钢梁2作为煤层顶、底板的支撑；钢丝绳3从该对钢梁2采空区侧端头沿中空穿入，从钢梁2的中部打孔穿出，并用可锁紧及松脱的专门锁具4锁定钢丝绳头在钢梁2上，形成一组柔性掩护支架；在采面空间，基本平行地设置密度适应采面支护强度要求的多组柔性掩护支架，然后在钢丝绳采空区侧铺满结实的网片5，并将钢丝绳与网片穿接和用铁丝绞接稳固；在相邻柔性掩护支架之间的网片底板侧再用钢管或钢丝绳穿接，以防止堆积石块从网片与底板之间缝隙漏入采面。这样形成多组柔性掩护支架协同发挥主要作用的柔性掩护网，这掩护网能缓冲采空区顶、底板脱落石块的滚落冲击力，隔阻脱落的石块进入采面。采面一般是从底部往上回采，每循环出煤后从最下部的支架开始向上逐架支柱卸压，向煤壁前移，再重新支撑好并连接网片，网片在采面上巷补充，逐步下放到采面下巷的采空区侧，可以作为沿空留巷的支撑侧面。

钢丝绳3直径依据支架密度、采空区滚落石块、网片规格等综合分析而定，一般在18mm~24mm范围；在钢丝绳转弯受力处，通过适配钢丝绳直径的铁质绳座6上的凹槽平缓过渡，并使转弯半径尽量增大，以减少钢丝绳的集中受力作用，绳座6通过螺钉与钢梁连接。钢丝绳3是从支柱支撑位置的钢梁煤壁端侧面（对顶板钢梁而言）穿出、或上面（对底板钢梁而言）穿出；锁具4类似于锚索锁具，在锁具夹片7的头部加宽加厚作为锁紧或松脱的敲击部，使锁具夹片7在频繁的锁紧或松脱中不易损坏；如使用二片式锁具夹片，因钢丝绳是旋转捻制的，在受压时易在绳股间变形，为减少这变形，采用旋转角度相当但旋转方向与钢丝绳的股旋转方向相反的旋转式夹片。

所用网片5一般是网格8cm×8cm、丝径3mm的菱形勾花铁丝网，也可以是其它规格网片，或者是不同网格、丝径、不同材质的网片组合，主要以受力分析为依据决定。

抵靠煤层顶、底板的两根钢梁2一般是中空的花边∏钢梁，为了减轻支柱压力及兼顾采面空间的人员操作方便，顶、底板两根钢梁不宜过长且应相同，在1.6m~2m之间为宜；并且两根钢梁基本在同一平面且该平面基本垂直于煤层顶板所在的平面，钢梁宜按采面煤壁倾斜角度向煤壁方向留约1/4~1/6的迎山角，钢梁下端直接抵住煤壁，以发挥煤壁的支撑作用并方便架设；为了使钢梁更稳固抵靠住煤层顶、底板，更有力地抵挡采空区滚落石块的冲击力和压力，可在支柱支撑位置附近的紧贴煤层顶、底板的钢梁面加焊钢凸点8。

煤层顶、底板主要由煤壁与支柱联合支撑，煤层顶、底板两根钢梁之间一般用1根支柱支撑，支柱两端头均有能够卡住∏钢梁花边的柱爪，且支柱基本垂直钢梁。在采面空间支柱支撑钢梁的位置，依据钢丝绳的弹性模量计算最大纵向应变时的最大垂度（垂度：就是两点支撑着的钢丝绳受力作用下垂时，钢丝绳上任一点距两支撑点连线垂直距离的长度）确定，支柱支撑钢梁的位置一般平行于钢丝绳在钢梁端头支撑点的连线且间距为最大垂度，这时在钢丝绳受石块冲击力下如达到最大纵向应形时对应的最大垂度，支柱可以与钢丝绳一起抵挡石块冲击力，这样既能避开采空区顶底板脱落石块滚落冲击柔性掩护网时的较大冲击力,又能发挥支柱抵挡脱落石块一定冲击力的作用；如果要加大钢丝绳抵挡脱落石块冲击力或压力的能力，可以将垂度加大，这样钢丝绳受力较大的上端与铅垂线夹角更小，钢丝绳最小破断拉力分配到向上支撑石块的分力就更大，这能更好发挥钢丝绳的伸拉作用，支柱如果稍远离最大垂度的位置就可不再承受脱落石块冲击力和压力。如果煤层顶、底板之间压力确实较大，可以一对钢梁用两根支柱支撑。

本发明有益效果：本发明支架主要且首先是由钢丝绳承受采空区顶底板脱落石块，是真正柔性掩护，故支架承受力大且不易损坏；本发明支架的钢丝绳是在单组支架里穿接的，这就完全消除以前支架在煤层倾角变化时，因支架间各条钢丝绳的牵拉力存在较大差异而导致支架易倒伏和啃顶、底板及由此引起的很难移架的特性；由于本发明是用单体液压支柱直接支撑Π钢梁来支护煤层顶、底板的，因此支撑高度是由支柱最大及最小支撑高度决定，能适应一般的煤层厚度变化，且支柱升高时不会导致采面变窄，最大到最小支撑高度过程中的支柱最大支撑力、支撑面积也一样，能更好护住采面空间的煤层顶、底板；而以前用螺栓绞接上下两条支撑臂、中间加千斤顶的支架，一旦千斤顶撑大，则支撑顶、底板的面积多数变小，顶板因受到的压强变大而易破碎漏顶；以前支架如果支撑臂拉长，则由于杠杆作用而导致支撑力变小，对支护顶底板不利，也是容易漏顶；本发明没有太多容易损坏的螺栓连接和套筒伸缩及螺钉调整，故支架可靠性提高。

附图说明

图1是本发明应用于采煤工作面时的使用示意图 ；

图2是图1的A-A剖视细节图；

图3是本发明柔性掩护支架的组合细节图，这图也是摘要附图；

图4是本发明顶板钢梁及其它部件结合的主视面及多向视图。

具体实施方式

如附图所示，对于煤层倾角60度、煤层厚2米的采煤工作面，采面按俯伪倾斜30°布置。采面用1.8米长的HCDB型Π钢梁作为紧贴煤层顶、底板支撑的钢梁2，在支柱1支撑位置附近的钢梁贴煤层顶、底板面加焊两颗直径为2.5厘米的圆柱与钝锥体组合的钢凸点8；两根钢梁基本在同一平面且该平面基本垂直于煤层顶板所在的平面，钢梁按采面煤壁倾斜角度30°的1/5向煤壁方向留约6°的迎山角，钢梁下端直接抵住采面煤壁，以发挥煤壁的支撑作用并方便架设。支柱采用DW22-30/100单体液压支柱，额定工作阻力为300 KN，支柱两端头均有能够卡住∏钢梁花边的柱爪，支柱基本垂直钢梁支撑；用φ20×6×19逆捻光面蔴芯钢丝绳3，最小破断拉力为234KN，弹性模量为1.15×10⁵N/mm²，计算3米长的钢丝绳在最小破断拉力时的最大拉伸长约39mm，这时的垂度约为178mm；钢丝绳从钢梁采空区侧端头穿入，钢丝绳穿出顶板钢梁位置距穿入端头0.5米处的侧面，穿出底板钢梁位置距穿入端头0.5米处的上面，并用专门锁具4锁定钢丝绳头在钢梁穿出位置，钢丝绳转弯受力处通过绳座6的凹槽平缓转弯。

煤层顶、底板部份脱落的石块会主要集中压在采面的下部，致使支架底板侧钢丝绳下垂较多，适当加大钢丝绳受最大拉伸时最大垂度达200mm，选择支柱支撑钢梁的位置就在最大垂度处，这时顶板侧钢丝绳受力最大的上端与铅垂线之间夹角预计是40°，计算这角度时钢丝绳最小破断拉力分配到向上支撑堆积石块的分力为234×COS(40°)≈179(KN)；底板侧受力复杂，是钢丝绳与底钢梁共同支撑矸石，但支撑力肯定比顶板侧单纯钢丝绳的更大，两侧综合支撑力肯定大于179 KN的两倍，选择沿采面每米设2.5组支架（支架中对中的间隔为0.4米）；这样沿采面每米柔性掩护网的向上支撑力至少是179×2×2.5=895KN。而对比11号工字钢制作的一字形掩护支架，这支架一般为沿采面每米5~6架，按6架算， 11号工字钢制作的1.8米长掩护支架的中间最小抗弯力97.22 KN（按11号工字钢0.7米长时的中间最小抗弯力250KN折算），这样沿采面每米6架的向上抗弯力为6×97.22≈583（KN），因此本发明的掩护支架抵挡采空区脱落石块能力更强；而对冲击力来说，本发明的优势就更大了，因为同样势能和质量的石块下冲，钢性支护时受到冲击力更大，在最大冲击力的瞬间，对工字钢支架来说，多数主要是一架承压，就单个支架来说，本发明的支架已经比11号工字钢支架更强，而对本发明的支架组成的掩护网来说，因是真正柔性支护，故旁边的支架也出力不小，因此本发明的支架组成的掩护网更能承受冲击力。而对授权公告号CN 206903683 U的专利技术改进支架来说，因为存在上下曲臂的螺栓绞接和前曲臂、中曲臂的套筒连接及锁紧螺钉等薄弱环节，同样长度钢材的质量如果一样，则支架强度肯定比工字钢制作的一字形掩护支架还低，比本发明的支架更低。

掩护支架装设好后，在钢丝绳采空区侧铺设网格8cm×8cm、丝径3mm的菱形勾花铁丝网，铁丝网之间要搭接好，铁丝网与钢丝绳用铁丝绞接牢固，就形成一个整体牢固的柔性掩护网，在底钢梁之间的铁丝网底部用0.4米的一寸短钢管与铁丝网穿接，利用钢管的刚性防止石块从铁丝网与底板之间缝隙穿入采面空间，同时更好牵拉网片往前下方移动。

Claims (6)

1.一种开创性改进的柔性掩护支架及其使用方法,其特征是：利用单体液压支柱（以下简称“支柱”）支撑着一组两根分别抵靠煤层顶、底板的中空钢梁（以下简称“钢梁”）；钢丝绳从该组钢梁采空区侧端头沿中空穿入，从钢梁中部打孔穿出，并用可锁紧或松脱的专门锁具锁定钢丝绳头在钢梁上，形成一组柔性掩护支架；在采面空间，基本平行地设置多组密度适应采面支护强度分析计算结果的柔性掩护支架，在各组柔性掩护支架的钢丝绳采空区侧铺满结实的网片，钢丝绳与网片穿接和用铁丝绞接稳固；并在相邻组柔性掩护支架之间的网片底板侧再用钢管穿接；这样形成多组柔性掩护支架协同发挥作用的柔性掩护网。

2.如权利要求1所述的柔性掩护支架，其特征在于：可锁紧或松脱的专门锁具，类似于锚索锁具，在锁具夹片的头部加宽加厚作为锁紧或松脱的敲击部；如使用二片式锁具夹片，采用旋转角度相当但旋转方向与钢丝绳的股旋转方向相反的旋转式夹片。

3.如权利要求1所述的柔性掩护支架及其使用方法，其特征在于：抵靠煤层顶、底板的两根钢梁是花边∏钢梁，长度应相同且在1.6m~2m范围为宜，可在贴靠煤层顶、底板的钢梁面加焊钢凸点，钢梁下端直接抵住煤壁，并按采面煤壁倾斜角度留其1/4~1/6的迎山角，架设时两根钢梁基本在同一平面且该平面基本垂直于煤层顶板所在的平面。

4.如权利要求1所述的柔性掩护支架及其使用方法，其特征在于：支撑钢梁的支柱一般是1根，如果顶、底板间压力较大，可以一组钢梁用2根支柱支撑；支柱两端头均有能够卡住∏钢梁花边的柱爪，支柱基本垂直钢梁；在近采空区侧的支柱支撑钢梁的位置，以能避开采空区煤层顶、底板脱落石块滚落冲击柔性掩护网时的较大冲击力为宜，一般在距钢梁采空区侧端头0.1m~0.5m处。

5.如权利要求1所述的柔性掩护支架，其特征在于：网片一般是网格8cm×8cm至10cm×10cm、丝径2mm至4mm的菱形勾花铁丝网；也可以是不同网格、丝径、不同材质的网片组合。

6.如权利要求1所述的柔性掩护支架，其特征在于：钢丝绳直径依据支架密度、采空区滚落石块、网片规格等综合分析而定，一般在18mm~24mm范围；在钢丝绳转弯处，通过适配钢丝绳直径的绳座上的凹槽平缓过渡，并使转弯半径尽量增大，绳座通过螺钉与钢梁紧固；钢丝绳从支柱支撑位置的钢梁煤壁端侧面（对顶板钢梁而言）穿出、或上面（对底板钢梁而言）穿出。